汽包上彈簧式安全閥冷、熱態(tài)校驗(yàn)的偏差分析與應(yīng)對(duì)措施

謝藝華,周揚(yáng)飛,馬柯,林沐野,鄭鑫

（廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510525）

1 前言

安全閥是一種自動(dòng)閥門，安裝在鍋爐、容器、管道等特種承壓設(shè)備上，當(dāng)被保護(hù)系統(tǒng)工作壓力達(dá)到規(guī)定值時(shí)，安全閥開啟，自動(dòng)排出系統(tǒng)中的部分介質(zhì)，確保系統(tǒng)壓力上升時(shí)不超出允許值，隨后迅速回座、密封，從而保證系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行。

按照國(guó)內(nèi)現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，安全閥必須定期檢驗(yàn)，一般每年至少檢驗(yàn)一次。安全閥的定期檢驗(yàn)一般是將安全閥從其附屬設(shè)備上拆卸下來，送至檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行離線檢驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)室離線校驗(yàn)安全閥所用介質(zhì)一般為常溫空氣、氮?dú)?，而汽包上安全閥長(zhǎng)期在高溫工況中工作，金屬的物理特性發(fā)生改變，直接影響安全閥開啟的壓力。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的離線校驗(yàn)臺(tái)是模擬特種承壓設(shè)備的實(shí)際工況，將安全閥安裝在校驗(yàn)臺(tái)上，用校驗(yàn)介質(zhì)迫使安全閥開啟，通過壓力表或傳感器確定其起跳壓力。但離線校驗(yàn)臺(tái)校驗(yàn)與安全閥實(shí)際工況存在明顯差異，如介質(zhì)種類、介質(zhì)溫度。

大量的安全閥檢驗(yàn)實(shí)踐證明，汽包安全閥在線熱態(tài)檢驗(yàn)測(cè)得其起跳壓力明顯小于離線冷態(tài)校驗(yàn)的起跳壓力，且安全閥實(shí)際工況溫度越高，其冷、熱態(tài)所測(cè)得的整定壓力偏差越大。因介質(zhì)密度，流速不同，金屬在不同溫度下物理特性不同，因此此壓力偏差無法避免。

TSG11-2020鍋爐安全技術(shù)規(guī)程有規(guī)定蒸汽鍋爐安全閥整定壓力需根據(jù)鍋爐的額定工作壓力、設(shè)計(jì)工作壓力進(jìn)行設(shè)定（如表1）。

表1 蒸汽鍋爐安全閥整定壓力 單位為兆帕

GBT12243——2005彈簧直接載荷式安全閥有規(guī)定蒸汽鍋爐用安全閥整定壓力的極限偏差（如表2）。

表2 蒸汽鍋爐用安全閥的整定壓力極限偏差 單位為兆帕

若安全閥離線冷態(tài)校驗(yàn)整定壓力取要求整定壓力的下偏差值，便相當(dāng)接近蒸汽鍋爐的工作壓力。那么在安全閥日常運(yùn)行中，輕微的壓力波動(dòng)也極有可能使得安全閥動(dòng)作，或使安全閥發(fā)生頻跳，甚至無法回座，致其無法起到正常的泄壓、密封作用，最終損壞或發(fā)生更嚴(yán)重事故。

例：某蒸汽鍋爐工作壓力為1.00MPa，安全閥要求整定壓力最低值為1.04MPa，安全閥實(shí)際整定壓力取要求整定壓力最低值的下偏差1.04MPa×97%＝1.0088Mpa≈1.00MPa。

雖然安全閥在安裝使用前先做離線檢驗(yàn)，安裝后再次進(jìn)行在線熱態(tài)校驗(yàn)，能更準(zhǔn)確測(cè)出安全閥實(shí)際工作時(shí)的起跳壓力值，但安全在安裝使用與在線熱態(tài)校驗(yàn)中間存在一時(shí)間段，為安全閥實(shí)際起跳壓力測(cè)量值盲區(qū)。

因此，為了滿足安全閥整定壓力能有效保護(hù)鍋爐系統(tǒng)，本文根據(jù)安全閥在鍋爐上運(yùn)作時(shí)的實(shí)際起跳壓力P在線，提出一套針對(duì)高溫蒸汽安全閥整定壓力偏差的修正系數(shù)K公式計(jì)算方法，然后加以大量實(shí)踐檢驗(yàn)案例佐證此公式合理性，用于推導(dǎo)出相應(yīng)的安全閥閥離線冷態(tài)校驗(yàn)對(duì)應(yīng)的理論整定壓力P理論，從而使安全閥經(jīng)過離線檢驗(yàn)后安裝在汽包上使用，整定壓力的人為偏差，有效抵消高溫、介質(zhì)對(duì)安全起跳壓力造成的改變。

本文提出一套新的計(jì)算公式，若離線所測(cè)得起跳壓力P冷態(tài)與理論冷態(tài)校驗(yàn)起跳壓力P理論的計(jì)算誤差小于0.1%，則視為修正系數(shù)K公式有效、成立。

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

關(guān)于本次探討汽包上彈簧式安全閥冷、熱態(tài)校驗(yàn)所存在的整定壓力偏差需要以下檢驗(yàn)儀器和鍋爐設(shè)備：

（1）A48Y-100型安全閥若12個(gè)

（2）安全閥離線校驗(yàn)臺(tái)

（3）安全閥在線校驗(yàn)儀

（4）電站在用鍋爐

（5）各種檢驗(yàn)所需工具

2.2 檢驗(yàn)方法

2.2.1 離線檢驗(yàn)

離線校驗(yàn)臺(tái)模擬汽包的實(shí)際工況，將安全閥安裝在校驗(yàn)臺(tái)上，用壓縮空氣作為介質(zhì)迫使安全閥開啟，通過壓力表或傳感器確定其起跳壓力。

圖1 離線檢驗(yàn)系統(tǒng)

2.2.2 在線檢驗(yàn)

安全閥在汽包上正常工作，承受汽包內(nèi)高溫蒸汽的壓強(qiáng)，依然處于閉合狀態(tài)。將用在線檢測(cè)儀器安裝在安全閥上，提升裝置與閥桿連接，通過液壓油泵把安全閥閥桿拉起，壓縮彈簧，汽包內(nèi)蒸汽頂起閥瓣，排放汽包內(nèi)的蒸汽介質(zhì)。

圖2 在線檢驗(yàn)系統(tǒng)

2.2.3 檢驗(yàn)原理

在安全閥正常工作中，作用在閥瓣上的力有彈簧的預(yù)緊力F預(yù)，彈簧、彈簧座、反沖盤、閥桿等零部件的總重力G0（汽包介質(zhì)壓力相比壓力G0較大，因此以下計(jì)算不作考慮）。

安全閥密封面受力計(jì)算：

F預(yù)——彈簧的預(yù)緊力，N；

P工作——介質(zhì)的壓力，MPa；

S密封——閥瓣上的受壓面積，mm2；

FS——閥瓣受彈簧預(yù)緊力與閥座密封，所產(chǎn)生的密封附加力，N，

Fset——安全閥要求整定壓力，N。

安全閥在線校驗(yàn)的原理為：在安全閥閥桿上端施加一個(gè)向上提升的外力△F，使安全閥動(dòng)作開啟，安全閥新的受力平衡計(jì)算：

安全閥在線檢驗(yàn)整定壓力計(jì)算公式為：

依據(jù)以上公式，對(duì)安全閥冷、熱態(tài)整定壓力偏差進(jìn)行試驗(yàn)計(jì)算。

3 修正系數(shù)計(jì)算

3.1 溫度修正系數(shù)K1

實(shí)驗(yàn)中所用安全閥牌子企業(yè)無相關(guān)推薦修正系數(shù)提供，又因國(guó)產(chǎn)A48Y型安全閥所用彈簧材料為50CrVA，與進(jìn)口安全閥彈簧材質(zhì)相仿，所以借鑒國(guó)外企業(yè)的推薦溫度修正系數(shù)K1。

美國(guó)克羅斯比閥門企業(yè)推薦的溫度修正系數(shù)K1如表3。

表3 溫度修正系數(shù)K1表

3.2 介質(zhì)修正系數(shù)K2

安全閥的冷態(tài)校驗(yàn)是使用安全閥離線檢驗(yàn)臺(tái)模擬安全閥實(shí)際工況，所用檢驗(yàn)介質(zhì)一般為空氣、氮?dú)?，本論文主要針?duì)使用空氣為檢驗(yàn)介質(zhì)的離線檢驗(yàn)臺(tái)。鍋爐汽包內(nèi)，工作介質(zhì)為蒸汽。

由于空氣、水蒸氣中的分子體積、流動(dòng)特性、張力不同且對(duì)安全閥閥瓣閥座密封有一定的影響，空氣中主要離子成分為氮分子和氧分子，水蒸氣中主要離子為水分子，水分子體積更大，粘度更大、張力更大，所以在一定的密封環(huán)境中更不容易發(fā)生泄漏。

國(guó)產(chǎn)安全閥所采用的閥瓣、閥座材質(zhì)相仿，加工工藝方法也基本一致，因此往往存在類似的微觀結(jié)構(gòu)。一般來說，閥瓣和截面比閥座橫截面更窄，同時(shí)也存在微觀上的傾斜接觸，如圖3。

圖3 密封面微觀圖

當(dāng)安全閥密封面結(jié)構(gòu)、平面度、粗糙度一定時(shí)，介質(zhì)的粒子大小不同，對(duì)密封面的滲透率不同，介質(zhì)對(duì)密封面滲透越深，安全閥的有效密封面積越小，而安全閥的有效密封面積又直接影響安全閥的整定壓力。

蒸氣中水分子直徑是0.4nm，而空氣中含有約78%的氮?dú)?、約21%的氧氣，氮分子直徑是0.304nm，氧分子直徑是0.296nm，因此粗略計(jì)算空氣平均粒子直徑計(jì)算如下。

0.304×80%+0.296×20%=0.3024nm

設(shè)安全閥最小密封內(nèi)徑為d0，介質(zhì)為蒸汽的安全閥密封直徑為d蒸汽，介質(zhì)為空氣的安全閥密封直徑為d空氣，蒸汽介質(zhì)在密封面的滲進(jìn)距離為L(zhǎng)蒸汽，空氣介質(zhì)在密封面的滲進(jìn)距離為L(zhǎng)空氣。

所以有：

L蒸汽——蒸汽介質(zhì)在密封面的滲進(jìn)距離;

L空氣——空氣介質(zhì)在密封面的滲進(jìn)距離;

d0——安全閥最小密封內(nèi)徑；

d蒸汽——介質(zhì)為蒸汽的安全閥密封直徑；

d空氣——介質(zhì)為空氣的安全閥密封直徑。

安全閥在介質(zhì)為空氣和蒸汽時(shí)，密封面積如下式：

S蒸汽——介質(zhì)為蒸汽的安全閥密封面積；

S空氣——介質(zhì)為空氣的安全閥密封面積。

又因：

當(dāng)汽包工作壓力P工作一定時(shí)，介質(zhì)為蒸汽、空氣的安全閥起跳壓力之比等于安全閥密封面積之比。

得：

P蒸汽——介質(zhì)為蒸汽的安全閥起跳壓力；

P空氣——介質(zhì)為空氣的安全閥起跳壓力。

因此，介質(zhì)修正系數(shù)為：

3.3 汽包安全閥冷、熱態(tài)整定壓力修正系數(shù)公式

結(jié)合安全閥的溫度修正系數(shù)和介質(zhì)修正系數(shù)，推導(dǎo)得出安全閥冷、熱態(tài)校驗(yàn)整定壓力的關(guān)系式，如下式。

P冷態(tài)——安全閥使用空氣介質(zhì)在25℃環(huán)境下進(jìn)行冷態(tài)校驗(yàn)的整定壓力；

P熱態(tài)——安全閥使用蒸汽介質(zhì)在高溫環(huán)境下進(jìn)行熱態(tài)校驗(yàn)的整定壓力；

K1——溫度修正系數(shù)；

K2——蒸汽介質(zhì)修正系數(shù)。

4 檢驗(yàn)實(shí)例驗(yàn)證

通過實(shí)際檢驗(yàn)中安全閥的實(shí)際整定壓力得出一系列數(shù)據(jù)，用于驗(yàn)證以上公式的準(zhǔn)確性。

案例：12臺(tái)附屬于A級(jí)鍋爐汽包的安全閥

實(shí)際安全閥整定壓力測(cè)定中有鍋爐6臺(tái)，均為A級(jí)電站鍋爐，汽包內(nèi)蒸汽溫度約為250℃，壓力約為3.70MPa，每臺(tái)汽包上裝有2臺(tái)安全閥，合計(jì)12臺(tái)安全閥且12臺(tái)安全閥制造廠家、型號(hào)、規(guī)格一致，提取12臺(tái)安全閥的離線檢驗(yàn)記錄和在線檢驗(yàn)記錄中的整定壓力測(cè)量值，整理成表4。

表4 安全閥基本資料

K2——介質(zhì)修正系數(shù)。

安全閥實(shí)際起跳壓力區(qū)三次測(cè)量起跳壓力數(shù)值的平均數(shù)。

當(dāng)安全閥公稱通徑D n=1 0 0 m m，則，d0=66mm，在250℃蒸汽的工況下，安全閥整定壓力的溫度修正系數(shù)K1=1.01，蒸汽介質(zhì)修正系數(shù)K2≈1.004。

4.58 4.650 4.648 4.649 4.649 4.51-4.65 10 4.66 4.727 4.729 4.728 4.728 4.59-4.73 11 4.58 4.647 4.646 4.648 4.647 4.51-4.65 12 4.66 4.726 4.719 4.727 4.724 4.59-4.73 9

結(jié)合表5中安全閥離線檢驗(yàn)3次測(cè)量起跳壓力平均值與表6中安全閥在線檢驗(yàn)3次測(cè)量起跳壓力平均值得表7。

表5 安全閥離線檢驗(yàn)整定壓力測(cè)量值

表6 安全閥離在線檢驗(yàn)整定壓力測(cè)量值

表7 冷、熱態(tài)校驗(yàn)整定壓力公式推導(dǎo)表

分別用安全閥在線熱態(tài)校驗(yàn)所測(cè)出的起跳壓力分別乘K1K2得P理論，與其離線冷態(tài)校驗(yàn)所測(cè)出的起跳壓力P離線相除，得表8。（設(shè)誤差N為計(jì)算溫度修正系數(shù)和蒸汽介質(zhì)修正系數(shù)時(shí)，通過熱態(tài)實(shí)測(cè)起跳壓力所推導(dǎo)的理論冷態(tài)校驗(yàn)壓力的誤差。）

表8 壓力誤差對(duì)比表

由表8可知，

N實(shí)際——實(shí)際誤差；

P理論——安全閥在線檢驗(yàn)所測(cè)起跳壓力乘上K1K2，理論上對(duì)應(yīng)的離線冷態(tài)檢驗(yàn)壓力。

案例分析：

安全閥在不同的介質(zhì)、溫度等工況下，起跳壓力會(huì)發(fā)生一定的改變，如上文數(shù)據(jù)所示，隨著溫度增大，安全閥起跳壓力降低；工作介質(zhì)由空氣變成蒸汽，安全閥起跳壓力降低。

而通過本文所提出的公式 ，用溫度修正系數(shù)K1、蒸汽介質(zhì)修正系數(shù)K2對(duì)在線檢驗(yàn)所測(cè)安全閥的起跳壓力進(jìn)行修正，所求得的實(shí)際誤差小于0.1%，理論冷態(tài)校驗(yàn)壓力P理論約等于P冷態(tài)。

因此本文提出的修正系數(shù)K計(jì)算公式成立。

5 應(yīng)對(duì)措施

5.1 檢驗(yàn)方法

因大型電站對(duì)汽包安全閥的穩(wěn)定性、可靠性要求極高，此類安全閥適宜先離線冷態(tài)檢驗(yàn)，后在線熱態(tài)檢，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)安全閥的起跳壓力作出有必要的調(diào)整。

5.2 離線檢驗(yàn)

在汽包安全閥離線檢驗(yàn)前，應(yīng)先了解鍋爐的正常工作壓力、最高工作壓力以及蒸汽介質(zhì)溫度，并根據(jù)鍋爐設(shè)計(jì)制造文件，對(duì)安全閥整定壓力進(jìn)行定值、檢驗(yàn)。在汽包安全閥離線檢驗(yàn)時(shí)，通過溫度、蒸汽介質(zhì)修正系數(shù)計(jì)算出離線校驗(yàn)應(yīng)調(diào)整的實(shí)際壓力，利用安全閥整定壓力可存在允許偏差的規(guī)定，取其上偏差值。一般情況下，實(shí)際調(diào)整的安全閥壓力大于要求整定壓力，但仍在允許誤差范圍內(nèi)。

把安全閥拆卸下來，進(jìn)行離線檢驗(yàn)，可及時(shí)、方便、直觀地發(fā)現(xiàn)安全閥是否存在缺陷并對(duì)癥下藥，確保重新安裝后可有效工作，保護(hù)附屬設(shè)備的正常運(yùn)作。

5.3 在線檢驗(yàn)

在線檢驗(yàn)時(shí)，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和中央控制室的多塊壓力表、溫度表、壓力傳感器、溫度傳感器獲取汽包內(nèi)蒸汽的壓力、溫度，確保鍋爐平穩(wěn)運(yùn)作，汽包內(nèi)蒸汽介質(zhì)無壓強(qiáng)波動(dòng)和溫度邊度，從而確保檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；每對(duì)同一安全閥進(jìn)行重復(fù)在線檢驗(yàn)需間隔一定時(shí)間，待汽包內(nèi)蒸汽重新達(dá)到新的壓強(qiáng)平衡，方可再次進(jìn)行在線檢驗(yàn)。

安全閥的在線熱態(tài)檢驗(yàn)比離線冷態(tài)檢驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)更為精確，因?qū)嶒?yàn)室安全閥離線校驗(yàn)臺(tái)僅為模擬安全閥的工作狀態(tài)，但介質(zhì)、溫度變化依然明顯，則無法考慮到安全閥實(shí)際工況的安全閥起跳壓力的明顯影響。只有在線檢驗(yàn)所測(cè)得的安全閥起跳壓力為要求整定壓力。

6 結(jié)語

6.1 針對(duì)安全閥冷、熱態(tài)校驗(yàn)整定壓力所存在的偏差，本文提出溫度、蒸汽介質(zhì)修正系數(shù)，并得出一條計(jì)算計(jì)算公式，并通過大量安全閥實(shí)際的離線、在線檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，證明實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與本文提出的公式計(jì)算結(jié)果幾乎一致。

6.2 本文所提出的修正系數(shù)可延伸至其他各種介質(zhì)，針對(duì)不同介質(zhì)、工況溫度的安全閥計(jì)算出各自適用的離線檢驗(yàn)整定壓力修正系數(shù)。

6.3 安全閥檢驗(yàn)人員應(yīng)當(dāng)更充分了解安全閥的結(jié)構(gòu)、工況條件，合理利用安全閥整定壓力的上下允許偏差，對(duì)安全閥設(shè)定更優(yōu)更合理的起跳壓力。

6.4 國(guó)內(nèi)閥門制造企業(yè)可針對(duì)自有品牌的安全閥進(jìn)行不同溫度、介質(zhì)下的性能測(cè)試，起跳壓力測(cè)試，為安全閥的使用企業(yè)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)提供有效的整定壓力修正系數(shù)。