超低溫安全閥常溫與低溫整定壓力差異研究

【摘 要】 通過對超低溫安全閥低溫與常溫整定壓力差異的研究，發現超低溫安全閥的低溫校驗整定壓力與常溫校驗整定壓力存在明顯差異。

【關鍵詞】 超低溫 安全閥 整定壓力差異

1 概述

超低溫用安全閥作為低溫、深冷裝置等特種設備的重要安全附件之一，應用非常廣泛。其整定壓力的研究，目前國內尚屬空白。該項研究工作，在2014年通過了遼寧省質量技術監督局項目驗收，填補了國內該領域的研究空白。

2 試驗裝置的研究

超低溫安全閥試驗裝置是由蘇州某自動化設備有限公司依據鞍山市特種設備監督檢驗所設計要求，制作一套安全閥低溫測試裝置，滿足安全閥在常溫及低溫環境下的氣體壓力性能測試。

該裝置適用范圍：低溫安全閥，DN200，1.6MPa以下；測試溫度：-196℃；環境媒介：液氮或液氮、酒精混合液；試驗介質：氦氣和氮氣；用途：零部件深冷處理，閥門產品性能試驗。可實現氮氣和氦氣的輸送、壓力控制和混合，可測量顯示閥門氣體壓力、閥門各測試點溫度，以及閥門的內、外泄漏量，可用于安全閥門低溫測試時的泄壓檢測、及低溫狀態特性判定，該裝置主要滿足測試過程中氣體輸送，壓力及氦和氮氣體的混合（分壓比）控制，過程控制量的監測（原理圖見圖1）。

圖1 超低溫安全閥工作原理

3 試驗方法研究

目前，安全閥冷態校驗是采用氣源供氣——閥門開啟——壓力表讀數——記錄的方法進行檢測。而我們項目進行的安全閥超低溫校驗測試，也應采用上述方法，只是氣源可在氮氣和氦氣之間進行必要的切換選擇。模擬低溫環境進行測試，達到階梯試驗溫度。

整定壓力，是安全閥校驗的最主要檢測數據。整定壓力數據的取得在常溫校驗中，以目視壓力表讀數為主，現有的安全閥校驗臺就按此操作。由于低溫和超低溫環境要求，我們選擇低溫氮氣和低溫氦氣作為安全閥校驗介質，考慮使用壓力傳感器進行數據采集。采用適應低溫的壓力傳感器，具有較好的線性保證。另外，通過壓力傳感器數據的電腦處理和顯示，我們可以在操作臺上，直接讀取電腦數據。

通過上述研究，我們認為安全閥常溫和超低溫校驗的最大不同應是校驗介質采用的常溫空氣和超低溫介質的溫度差異。溫度差異，可能導致閥體各部位的冷熱狀態不同，而可能導致安全閥常溫、超低溫校驗的整定壓力等數值不同。我們認為應通過對安全閥常溫、超低溫校驗的研究，使用壓力傳感器、熱電偶輔助配套壓力表等手段，實現安全閥的超低溫校驗，提高數據采集精度，使安全閥超低溫校驗滿足標準、規程的要求。

對于本項目，我們將安全閥常溫、超低溫校驗臺進行了集成，利用同一套設備實現兩項功能，即實現常溫、超低溫校驗同人員、同設備、同環境、同操作方法、同閥件的五同時，在進行數據比較時，避免系統誤差，實現試驗數據真實可靠的要求。

4 試驗及數據分析

實驗數據采集主要采用直讀方式。直讀方式兼備雙重優點，第一是準確快捷，第二是符合安全閥校驗實際情況。缺點是人為存在因素。考慮到同一套設備統一標準，統一操作程序，人為因素可以克服。

另外，我們對壓力曲線拐點方式進行了論證。認為由于持續加壓等原因，壓力傳感器對壓力產生與壓力泄放產生的壓力差引起的壓力波動可能產生一段感應滯后，我們無法準確讀出安全閥內外壓失衡處的壓力曲線顯示值，也就無法找出整定壓力值，我們就放棄了此數據采集方式。

本項目實驗數據采集點設定為音頻爆發點。基于本實驗目的是尋找現實情況下安全閥冷態與熱態校驗存在的差異，而安全閥冷態校驗目前普遍采用的判斷方式為耳聽，這就決定了與之比對的超低溫校驗采用的判斷方式也應為耳聽。數據采集后應用excel軟件進行數據整理，制成數據表格。利用word工具制成數據曲線。我們對數據進行處理時，使用了平均差異率的概念，就是安全閥常溫校驗整定壓力與超低溫階梯溫度校驗整定壓力的差值除以安全閥冷態校驗整定壓力，得出差異率。然后，我們將上述差異率進行算數平均，得出平均差異率。利用此概念，定性地表達安全閥常溫校驗整定壓力與不同階梯溫度低溫校驗整定壓力的差異，表達差異趨勢。另外，利用平均差異率，提出了檢驗檢測方法是否適當對安全生產方面的影響。

通過對試驗數據整理，我們發現如下現象：

安全閥常溫與不同階梯溫度至超低溫校驗整定壓力存在差異；測試整定壓力在0.1MPa～2.5MPa范圍內，整定壓力值常溫、-20℃、-40℃、-60℃、-80℃、-100℃（偏差在0.5%～10.2%）。

實驗表明，安全閥超低溫與常溫校驗整定壓力存在差異。整定壓力普遍增大。材料方面的主要原因可能是產品材料在低溫狀態下產生變形所致。當介質溫度下降到使材料產生相變時造成體積及密封尺寸變化，使原本配合精度很高的密封而產生翹曲變形。當安全閥安全排放后回座，因密封面翹曲變形而造成密封不良或反沖盤與導向套之間產生卡滯現象。我們曾經對DN15安全閥進行低溫試驗發現（介質為氮氣），安全閥開始起跳時能回座密封，當溫度降低后，安全閥回座出現輕微的泄漏，當安全閥表面結霜后，安全閥出現明顯泄漏，最后將零件拆卸下來檢驗，發現密封面有明顯的翹曲變形而反沖盤與導向套之間有明顯的摩擦擦傷的痕跡。

考慮到材料在低溫的變形問題，要求對各零部件進行低溫處理，再進行低溫試驗，保證低溫安全閥性能。

力學方面的主要原因是彈簧剛度受低溫影響。我們將剛度不同的彈簧在同一只DN15的安全閥進行試驗，并且起跳壓力設定相同。試驗結果得知，彈簧剛度不夠會導致安全閥提前起跳或者不能正常回座。而剛度過高會影響安全閥的安全排放。彈簧受低溫影響會改變彈簧的剛度，從而改變安全閥的起跳壓力。實驗表明，在低溫的時候，彈簧的剛度有明顯提高。

機械方面的主要原因凍卡和失效。一是導向面的公差配合選擇不合理導致凍卡；二是材料硬度選擇導致失效。公差配合不合理會導致回座的時候出現卡滯現象和位置偏差。材料的硬度過高或者偏低都對閥門的使用壽命有很大的影響。

因此，有經驗的校驗人員認為，在低溫下需將常溫下調整好了的彈簧一般應再放松點。而對不同結構的安全閥，不同材料的彈簧，不同的低溫介質，只能通過低溫性能試驗來進行精調。在常溫與低溫下的開啟壓力、密封壓力之間前差異不可能給出一個具體的參數。彈簧的設計、計算仍可按常溫的進行，在作性能調整試驗時，常溫狀態下是初調，在低溫狀態下再進行精調，調到整定壓力，即開啟壓力，直至滿足設計性能要求為止。

5 結論及對策

根據上述上述試驗，我們可以測算出安全閥校驗校驗整定壓力與超低溫（-100℃）整定壓力偏差0.5%～10.2%，校驗整定壓力差異率平均為3.26%。也就是說，我們在常溫整定的安全閥，在超低溫長期工況情況下，一般整定壓力會大于常溫整定值3.26%左右起跳。也就是說，超低溫工況下，我們需要對常溫整定好的安全閥重新進行調整。