關于電站鍋爐安全閥型式試驗排放性能測試方法的討論

孫 琦 謝青延

（深圳市特種設備安全檢驗研究院 深圳 518029）

關于電站鍋爐安全閥型式試驗排放性能測試方法的討論

孫 琦 謝青延

（深圳市特種設備安全檢驗研究院 深圳 518029）

安全閥的排放性能是安全閥產品質量重要考核指標之一，電站鍋爐安全閥由于壓力高、排量大無法通過實際工況模擬來測試其排放性能，本文通過對拉法爾噴嘴氣體穩定流動的質量流量展開分析，說明采用排量系數法評估安全閥排放性能具有很高的可靠性、操作性。

噴嘴 穩定排放 開啟高度 質量流量 排放系數法

安全閥型式試驗的試驗項目分為：動作性能測試、排放性能測試。

安全閥排放性能的測試一直是安全閥型式試驗的難點，由于測試設備能力的局限性，國內對電站鍋爐安全閥排放性能（熱態）的測試一直未開展。為加強電站鍋爐的安全管理，提高安全閥產品質量安全，電站鍋爐安全閥排放性能（熱態）測試勢在必行。

在測試方法上目前有兩種模式：一種是模擬測試法；另一種是實際工況測試法。前者是通過低參數工況模擬測試閥門的性能；后者是在閥門工作的實際工況下進行閥門性能測試。顯然，前者可操作性強，但試驗方法的可靠性需進一步討論；后者試驗方法的可靠性不容置疑，但必須配備滿足超高壓參數的鍋爐機組，該機組的參數甚至要超過安全閥的參數范圍，這樣，既不經濟、也不可行，可操作性不強。

目前，根據全球范圍內開展安全閥型式試驗最先進、最權威的國家之一美國，NB官方網站公布及現場考察學習了解，其試驗能力的參數也較低，僅有兩家實驗室具有蒸汽介質裝置，具體單位與參數見表1。

表1 NB網站公布兩家實驗室參數

從表1可以看出，蒸汽介質試驗裝置的壓力、流量能力有限，安全閥試驗方法多采用模擬測試法。

為解決電站鍋爐安全閥排放性能（熱態）的測試，從安全閥排放過程的流體理論、法規標準的研究出發，建立一個既滿足安全閥排放測試本質要求、又滿足法規標準的方法。

1 排放過程的流體理論討論

1.1 干飽和蒸汽的理論

排量計算

根據GB/T 12241-2005《安全閥 一般要求》相關規定，當壓力為0.1MPa至11MPa時：

Wts=5.25APd

當壓力大于11MPa至22MPa時：

式中：

W——理論排量，kg/h；

A——流道面積，mm2；

Pd——實際排放壓力，MPa。

這里干飽和蒸汽是指最小干度為98%或最大過熱度為10℃的蒸汽。

由此，可以得出結論：當安全閥喉徑及排放壓力確定的情況下，其排放量是確定的。

1.2 排放系數與臨界壓力比的關系

當安全閥閥座（噴管）出口（背壓）、進口（實際排放壓力）壓力比低于或等于噴管臨界壓力比時，出口截面（喉部截面）可以達到音速流，進、出口壓力的擾動不會影響噴管內的流動，相對排量維持不變，此時，噴管處于臨界流動狀態。

由于安全閥結構的復雜性，很難測定安全閥最小流道截面積處氣流流速，從而無法根據最小流道截流面積處是否達到音速而準確確定安全閥臨界壓力比。目前，判斷安全閥是否達到臨界流動狀態的方法是測定安全閥的排量系數，只要排量系數不隨壓力變化，就認為該型號安全閥的排量不受結構形式影響，安全閥就達到臨界流動狀態。

在實際操作過程中按標準的規定，針對同一安全閥選用3種以上不同整定壓力安全閥作為樣品進行排放系數的測定，各個排放系數最終試驗結果對其算術平均值的偏差都不超過士5%，這時，認為該安全閥在實際工況中能達到臨界狀態，該全系列安全閥閥座符合噴嘴相關要求，可以通過理論計算對該型號全壓力系列安全閥進行理論排量計算；同時，此排放系數就為該安全閥的排量系數。

2 法規標準的討論

目前，涉及安全閥型式試驗法規標準有：

TSG ZF001-2006《安全閥安全技術監察規程》[1]；

GB/T 12241-2005（ 等 同 于 ISO 4126-1：1991）《安全閥 一般要求》[2]；GB/T12242-2005（等同于ASME PT25-1994）《安全閥壓力釋放裝置 性能實驗規范》[3]；GB/T12243-2005（等同于 JIS B；1994）《彈簧直接載荷式安全閥》[4]。文獻[4]規定：安全閥排放性能測試項目為排量或排量系數。

排量系數Kd可按式（1）計算：

式中：

W——試驗所得實際排量；

Wt——計算所得理論排量，其計算公式在文獻2具體規定。

文獻[1]中D2的第3項規定：相同名稱、型號或者相同結構和作用原理（必要時也包括材料）的安全閥，其型式試驗的覆蓋范圍如下：

（1）DN*≤2DN；

（2）PN≥10MPa時，PN*≤PN。

注：PN，DN分別為樣品的公稱壓力、公稱通徑，PN*，DN*分別為覆蓋產品的公稱壓力、公稱通徑。

從以上規定可以看出，這里的壓力覆蓋范圍是指公稱壓力，不是試驗壓力及彈簧整定壓力。當安全閥公稱壓力一定時，其噴嘴（閥座）、閥瓣、閥瓣座、閥瓣芯在達到設定開高后，其形成的流動狀態就類似于一個拉法爾噴嘴流動狀態，且在更換彈簧改變整定壓力后，安全閥運行中達到設定開高后，該噴嘴的幾何形狀是不變的，根據文獻[2]規定的理論排量計算公式，其排量只與進口壓力有關。

文獻[2]同時在相關條款中規定：

蒸汽用安全閥，在以蒸汽為試驗介質確認其動作性能符合要求后，允許用蒸汽、空氣或其他性質已知的氣體為介質進行排量試驗。當用蒸汽以外的介質來測定排量時，應以機械方法使閥瓣保持在用蒸汽作試驗時所達到的同樣開啟高度。

用于排量試驗的安全閥應是用于動作性能試驗同一些的閥門，或是同樣的閥門。閥門的狀況應與進行動作性能試驗時的閥門相同，即閥門的開啟高度相一致。

以上可以看出，相關條款強調開啟高度，也就是要求被試閥門閥座具有同樣的幾何形狀。

3 試驗過程

根據以上分析，采用以下試驗方法：

按樣品的結構形式，根據文獻2中規定采用3種有較大差別的彈簧進行試驗。試驗中應驗證開高達到設定值。

在達到設定開高情況下，按文獻[2]的5.2.3中規定在不同進口壓力情況下測定安全閥排放量，并進一步轉化為排量系數，各個最終試驗結果對基算術平均值的偏差都不得超過士5%，這樣便得到其排量系數。

試驗閥門如圖2所示，參數： A68Y P54 100V，DN60/150見表2。

圖2 試驗閥門

表2 試驗閥門參數

整定壓力設定(MPa)：2.5，3.2，4.0，4.5。

流量計類型：標準孔板

試驗介質：蒸汽、空氣

蒸汽介質測試結果見表3。蒸汽介質測試結果計算該閥排量系數為0.920?？諝饨橘|測試結果見表4，測試結果計算該閥排量系數為0.921。

表3 蒸汽介質測試結果

表4 空氣介質測試結果

從以上分析可以看出，無論是蒸汽測試還是空氣測試，當安全閥閥桿達到規定開高時，安全閥達到穩定排放狀態，排放量只與進口壓力有關，而排量系數處于穩定狀態。

4 總結

通過以上分析可以看出：當閥座幾何形狀一定，不論其工作工況，其排量系數是一定的。這樣，我們可以通過低壓力工況排量系數的測定來完成該安全閥排量系數的測定，即：在規定的公稱壓力條件下，安全閥噴嘴的幾何條件一定的情況下，通過更換低工作壓力彈簧，進行排量測試，完成電站鍋爐安全閥排量系數的測試。

1 TSG ZF001-2006安全閥安全技術監察規程[S].

2 GB/T 12241-2005 安全閥 一般要求[S].

3 GB/T12242-2005安全閥壓力釋放裝置 性能實驗規范[S].

4 GB/T12243-2005 彈簧直接載荷式安全閥[S].

Discussion on Discharge Performance Test of Boiler Safety Valve Type Testing

Sun Qi Xie Qingyan
(Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test Shenzhen 518029)

the discharge performance is one of the important assessment indicators of the safety valve’s quality. Because of the high pressure and large capacity, discharge performance of boiler safety valve cannot be tested out through actual working conditions simulation. This paper analyses the gas steady fow theory of Rafael nozzle to explain that using discharge coeffcient method to assess discharge performance of safety valve is with high reliability and operability.

Nozzle Discharge stably Lift Mass fow Discharge coeffcient

X933.4

B

1673－257X(2014)11－10－03

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.12.003

孫琦(1973～)，男,檢驗師,主要研究方向為承壓類特種設備檢驗與安全閥型式試驗。

2014-05-05）