安全閥密封試驗(yàn)快速封堵裝置研究與開(kāi)發(fā)

周楊飛 封小亮 劉課秀 鄭鑫

（廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510663）

1 前言

安全閥是承壓類特種設(shè)備（鍋爐、壓力容器、壓力管道等）上最重要的安全保護(hù)裝置，廣泛應(yīng)用于石油化工、電廠、燃?xì)?、危險(xiǎn)化學(xué)品等企業(yè)，當(dāng)特種設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)壓力超過(guò)安全閥開(kāi)啟壓力時(shí)，安全閥會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟排放介質(zhì)釋放壓力，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部壓力降低到安全值時(shí)，安全閥又會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，防止介質(zhì)泄漏，因此安全閥被稱為特種設(shè)備的“最后一道防火墻”[1-3]。由于安全閥的極端重要性，根據(jù)《安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[4]等相關(guān)法規(guī)規(guī)程的要求，安全閥每年至少要校驗(yàn)一次。

圖1 彈簧式安全閥剖面圖

為了確保安全閥的有效密封，在定期校驗(yàn)中，“密封試驗(yàn)”是必須進(jìn)行的檢驗(yàn)項(xiàng)目之一，對(duì)于存在可燃、易爆、有毒等特殊介質(zhì)的封閉式安全閥，要求采用檢測(cè)泄漏氣泡數(shù)和泄漏流量的方法來(lái)計(jì)算泄漏率，當(dāng)泄漏率符合標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，密封試驗(yàn)才合格，密封試驗(yàn)合格后安全閥方可投入使用。對(duì)于封閉式安全閥密封試驗(yàn)，《安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》要求采用堵蓋封堵安全閥出口收集泄漏介質(zhì)，來(lái)讀取泄漏氣泡數(shù)和泄漏流量值，但規(guī)程和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《彈簧直接載荷式安全閥》（GB/T 12243）[5]均未明確堵蓋形式與封堵措施，也未指出泄漏流量和“氣泡數(shù)”的具體檢測(cè)方法。

國(guó)內(nèi)相關(guān)的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了很多關(guān)于安全閥密封試驗(yàn)檢測(cè)、密封試驗(yàn)封堵方面的研究。江南大學(xué)朱海清[6]進(jìn)行了安全閥密封性能數(shù)字化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，江南大學(xué)江南大學(xué)施曉敏[7]進(jìn)行了自動(dòng)化安全閥密封檢測(cè)系統(tǒng)研究，合肥通用機(jī)械研究院吳磊[8]等人進(jìn)行了LNG安全閥性能試驗(yàn)分析及試驗(yàn)裝置的改進(jìn)，內(nèi)蒙古自治區(qū)鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院李松濤[9]進(jìn)行了新型便攜式精密安全閥校驗(yàn)裝置整定壓力與密封性能精度的測(cè)試，西安特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院的薛紅偉[10]進(jìn)行了關(guān)于在用安全閥校驗(yàn)密封性能試驗(yàn)的研究。上述學(xué)者針對(duì)呼吸氣瓶檢驗(yàn)的研究，主要集中在檢驗(yàn)流程、檢驗(yàn)系統(tǒng)等方面，但是對(duì)于安全閥密封試驗(yàn)快速封堵裝置的相關(guān)研究工作，目前開(kāi)展的較少。

目前，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)于封閉式安全閥密封試驗(yàn)的方法，存在如下問(wèn)題：一、在安全閥出口側(cè)密封面的封堵方面，主要還是采用人工封堵蓋板，或者采用夾鉗或螺栓對(duì)出口端法蘭面從不同角度方向進(jìn)行封堵，如圖2所示，但是采用這種方法，存在著操作步驟繁雜，操作不便，且易出現(xiàn)受力不均衡，導(dǎo)致密封不嚴(yán)密而漏氣；同時(shí)，為適配不同規(guī)格安全閥密封試驗(yàn)需求，還需更換不同規(guī)格堵蓋、夾具或螺栓，這將影響整個(gè)作業(yè)效率。二、在泄漏率檢測(cè)方面，目前檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)大多采用人工肉眼觀察集漏管出口端泄漏氣泡數(shù)，觀察時(shí)間且不低于一分鐘的方法來(lái)計(jì)算泄漏率，而這種方法對(duì)于泄漏率較大的安全閥，人工數(shù)氣泡容易帶來(lái)計(jì)數(shù)誤差，而且這種方法無(wú)法進(jìn)行監(jiān)控和自動(dòng)記錄，在安全閥檢驗(yàn)行業(yè)中甚至存在著檢驗(yàn)人員為了減少工作量，而人為縮短觀察時(shí)間，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)造假等違規(guī)行為，這對(duì)安全閥的密封性能試驗(yàn)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，嚴(yán)重影響了安全閥校驗(yàn)工作的正常開(kāi)展。

圖2 采用傳統(tǒng)的夾具進(jìn)行密封試驗(yàn)

針對(duì)當(dāng)前安全閥密封試驗(yàn)中存在的安全閥出口側(cè)密封面封堵方式過(guò)于粗糙、落后，操作上不統(tǒng)一、測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高、數(shù)據(jù)真實(shí)性存疑等諸多問(wèn)題，特別設(shè)計(jì)了一套可快速實(shí)現(xiàn)封堵的安全閥密封試驗(yàn)裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要包含安全閥出口側(cè)密封面快速封堵機(jī)構(gòu)、泄漏率檢測(cè)系統(tǒng)等部件；裝置自動(dòng)化程度高，可有效提高安全閥出口側(cè)密封面的封堵效果、降低測(cè)試誤差、防范數(shù)據(jù)造假、提高工作效率，并將為推動(dòng)安全閥校驗(yàn)向智能化、自動(dòng)化發(fā)展提供有力技術(shù)支撐，如圖3所示。

圖3 安全閥密封試驗(yàn)快速封堵裝置系統(tǒng)圖

該裝置主要由安全閥出口側(cè)密封面快速封堵機(jī)構(gòu)和泄漏率檢測(cè)系統(tǒng)組成。其中安全閥出口側(cè)密封面快速封堵機(jī)構(gòu)，如圖4-圖5所示，由橡膠密封墊、爪臂、堵蓋、渦旋線盤、卡盤構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作。泄漏率檢測(cè)系統(tǒng)由激光氣泡數(shù)計(jì)數(shù)器、可記錄微型流量計(jì)、快速接頭、耐壓軟管等組成，檢測(cè)過(guò)程可視化，檢測(cè)結(jié)果可記錄。通過(guò)密封面快速封堵機(jī)構(gòu)，可極大簡(jiǎn)化密封面的封堵過(guò)程，確保嚴(yán)密密封；通過(guò)泄漏率檢測(cè)系統(tǒng)，可在設(shè)定記錄時(shí)間內(nèi)自動(dòng)讀取和實(shí)時(shí)記錄經(jīng)集漏管泄漏流量值和集漏管出口端泄漏氣泡數(shù)，完成安全閥密封試驗(yàn)。

圖4 安全閥密封試驗(yàn)快速封堵裝置爆破視圖

圖5 安全閥密封試驗(yàn)快速封堵裝置爆破視圖

2 安全閥出口側(cè)密封面快速封堵機(jī)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)

1）橡膠密封墊：堵蓋與法蘭之間的密封墊。

2）堵蓋：為整個(gè)裝置提供裝配基礎(chǔ)，并起強(qiáng)度支撐作用。堵蓋中間有一圓形通孔，用于設(shè)置集漏管；堵蓋外沿為環(huán)形坡面，堵蓋沿坡面均勻分布三個(gè)條形卡槽，用于設(shè)置爪臂，卡槽限制爪臂橫向位移，坡面結(jié)構(gòu)釋放爪臂軸向和徑向位移自由度；堵蓋內(nèi)側(cè)緊固橡膠密封墊，貼合法蘭密封面實(shí)現(xiàn)介質(zhì)密封。

3）渦旋線盤：環(huán)形渦旋線盤，內(nèi)表面為坡面式渦旋線內(nèi)螺紋，順時(shí)針漸開(kāi)式內(nèi)螺紋與爪臂外螺紋配合，通過(guò)順/逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)渦旋線盤帶動(dòng)爪臂同步伸縮。

4）爪臂：均勻分布三個(gè)爪臂，爪臂為一體成型結(jié)構(gòu)，保證爪臂強(qiáng)度性能，降低安全閥意外起跳而發(fā)生意外事故。爪臂外表面有平面外螺紋，外螺紋與渦旋線盤內(nèi)螺紋配合同步伸縮。

5）卡盤：約束渦旋線盤除繞軸心的旋轉(zhuǎn)自由度以外的其它自由度。

2.2 工作原理

通過(guò)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)渦旋線盤，漸開(kāi)渦旋線內(nèi)螺栓，通過(guò)爪臂外螺紋帶動(dòng)其傾斜徑向外伸，擴(kuò)大爪臂張開(kāi)半徑以滿足不同規(guī)格安全閥密封試驗(yàn)裝配需求。反向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)渦旋線盤帶動(dòng)爪臂傾斜徑向收縮，爪臂與安全閥出口法蘭面相互接觸，反作用力使橡膠密封墊與安全閥出口密封面貼合，增大旋轉(zhuǎn)扭力，貼合更加緊密，最終實(shí)現(xiàn)介質(zhì)密封。

1）爪臂同步伸縮：爪臂呈120°均勻分布在堵蓋卡槽中，卡槽寬度尺寸與爪臂一致，限制爪臂橫向位移，爪臂外螺紋與渦旋線盤漸開(kāi)內(nèi)螺紋配合，通過(guò)順/逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)渦旋線盤即可驅(qū)動(dòng)爪臂的同步伸縮，通過(guò)爪臂伸縮，以滿足不同規(guī)格安全閥的密封試驗(yàn)需求。

2）裝置的夾緊與松弛：堵蓋外沿為環(huán)形坡面，爪臂沿坡面伸縮出現(xiàn)徑向和軸向兩個(gè)位移自由度。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)渦旋線盤，爪臂外伸，張開(kāi)半徑增大；裝置橡膠密封墊與法蘭密封面配合，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)渦旋線盤，爪臂收縮，軸向位移使得橡膠墊片與密封面貼合，旋轉(zhuǎn)扭力越大，貼合越緊密；試驗(yàn)完成后，順時(shí)針扭動(dòng)渦旋線盤，爪臂與法蘭分離，取下裝置。

3、泄漏率檢測(cè)系統(tǒng)

3.1 結(jié)構(gòu)

泄漏率檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由可記錄微型流量計(jì)、激光計(jì)數(shù)器、快速接頭、耐壓軟管等組成。

1）快速接頭：連接耐壓軟管與各組件。

2）耐壓軟管：作為氣路傳輸?shù)牟考?/p>

3）可記錄微型流量計(jì)：分辨率優(yōu)于0.1SCCM（每分鐘標(biāo)準(zhǔn)毫升），量程優(yōu)于100SCCM。

4）激光計(jì)數(shù)器：通過(guò)激光接收端是否正常接收信號(hào)判斷氣泡存在并逐步計(jì)數(shù)，檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)保持。

3.2 工作原理

通過(guò)激光測(cè)量技術(shù)檢測(cè)水中的氣泡來(lái)判斷安全閥泄漏率是否合格。當(dāng)通過(guò)微型流量計(jì)判斷泄漏趨于穩(wěn)定時(shí)，設(shè)定計(jì)數(shù)時(shí)間，啟動(dòng)激光計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器通過(guò)發(fā)生端產(chǎn)生信號(hào)，根據(jù)接收端信號(hào)是否正常接收判斷氣泡存在情況，并自動(dòng)記錄泄漏的氣泡數(shù)據(jù)和時(shí)間，在達(dá)到設(shè)定時(shí)間后停止計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)自動(dòng)錄入系統(tǒng)，當(dāng)泄漏率較大時(shí)，結(jié)合微型流量計(jì)檢測(cè)數(shù)值以單位時(shí)間流量表示泄漏率。該系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可有效避免作業(yè)人員計(jì)數(shù)誤差和數(shù)據(jù)作假。

4 結(jié)論

1）研制開(kāi)發(fā)的安全閥密封試驗(yàn)快速封堵裝置， 解決了安全閥出口側(cè)密封面封堵緊固過(guò)程中密封面泄漏的問(wèn)題。通過(guò)固定均勻分布的爪臂，和同步旋轉(zhuǎn)渦旋線盤帶動(dòng)爪臂伸縮，確保密封應(yīng)力均勻的分布在環(huán)向密封面上，大幅度的提升密封效果。

2）采用爪臂外螺紋與渦旋線盤漸開(kāi)內(nèi)螺紋配合，通過(guò)順/逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)渦旋線盤即可驅(qū)動(dòng)爪臂的同步伸縮，通過(guò)爪臂伸縮，以滿足不同規(guī)格安全閥的密封試驗(yàn)需求，極大提升作業(yè)效率，提升了檢測(cè)的自動(dòng)化水平。

3）通過(guò)激光氣泡數(shù)計(jì)數(shù)系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)讀取規(guī)定時(shí)間內(nèi)的氣泡數(shù)量，大幅降低了因人工操作影響而導(dǎo)致的氣泡少檢、漏檢情況。

4）通過(guò)激光氣泡數(shù)計(jì)數(shù)系統(tǒng)和可記錄微型流量檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)記錄功能，可對(duì)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，確保檢驗(yàn)質(zhì)量。

5）通過(guò)激光計(jì)數(shù)器串聯(lián)可記錄微型流量計(jì)，流量較小時(shí)，以激光計(jì)數(shù)器檢測(cè)氣泡數(shù)表示泄漏率，流量較大時(shí)，以單位時(shí)間流量值表示泄漏率，提升檢測(cè)效率和檢測(cè)質(zhì)量。