安全閥在線檢測系統(tǒng)研制和應(yīng)用

，， ，，，潤杰，

(1.中石油 北京天然氣管道有限公司，北京 100101；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029； 3.大連理工大學(xué) 化機(jī)學(xué)院，遼寧 大連 116012)

在石油化工、天然氣等工業(yè)領(lǐng)域大量使用的安全閥可以防止承壓設(shè)備發(fā)生超壓破壞，保證工藝過程平穩(wěn)可靠。彈簧式安全閥是直接載荷式安全閥的一種，也是應(yīng)用最為廣泛的安全閥形式[1]。彈簧式安全閥在運(yùn)行過程中，由于彈簧材料的特性，在操作壓力、操作溫度、介質(zhì)侵蝕等作用下，其整定壓力(也稱開啟壓力)和密封性能等可能會發(fā)生改變，導(dǎo)致安全閥不能按照規(guī)定的壓力開啟或者發(fā)生泄漏，從而影響生產(chǎn)安全[2]。因此，相關(guān)法規(guī)規(guī)定安全閥需要進(jìn)行定期校驗。我國標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)規(guī)定的安全閥定期校驗有離線和在線2種方式。目前，安全閥的定期校驗大多采用離線方式。離線校驗方式在實際應(yīng)用中存在多種缺點(diǎn)，例如安裝和使用條件受限、拆裝過程風(fēng)險大、受運(yùn)輸過程影響以及對人員的依賴性大等。

文中綜合考慮安全閥安全技術(shù)規(guī)范的要求，結(jié)合數(shù)據(jù)采集技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)，開發(fā)了一種安全閥在線檢測系統(tǒng)。此安全閥在線校驗系統(tǒng)具有校驗范圍廣、精度高、可靠性好、自動記錄數(shù)據(jù)過程完整、校驗過程不影響正常生產(chǎn)及硬件輕便易攜等優(yōu)點(diǎn)，可作為安全閥校驗的一種有效選擇和離線校驗的補(bǔ)充。

1 安全閥在線檢測系統(tǒng)研制的意義、價值和現(xiàn)狀

1.1 安全閥在線檢測系統(tǒng)研制意義

安全閥在線檢測系統(tǒng)針對安全閥離線校驗實踐中顯現(xiàn)的不足而開發(fā)。目前安全閥離線校驗的做法是，將安全閥從被保護(hù)裝置上拆下，送到專用校驗臺上進(jìn)行校驗。離線校驗有5方面的缺點(diǎn)：①安全閥校驗期間，如無其他安全閥替代，被保護(hù)裝置則處于無保護(hù)狀態(tài)或只能停車。石油化工和天然氣工業(yè)均為連續(xù)生產(chǎn)過程，即使有停車檢修周期，安全閥的檢驗周期與大修周期也往往不一致，造成安全運(yùn)行與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行之間的矛盾。②由于安裝及使用條件的限制，有些安全閥的拆卸、安裝及運(yùn)輸較為困難，校驗成本高。③安全閥的拆裝過程存在物體打擊、人員跌落和可燃?xì)怏w閃爆等危害因素，存在較大安全風(fēng)險，且多次的拆裝過程易造成密封面的損傷或密封性能下降，在設(shè)備運(yùn)行過程中易造成泄漏風(fēng)險。④在校驗臺上已校驗合格的安全閥，由于安裝運(yùn)輸?shù)确矫娴脑?，其整定壓力及密封性能可能發(fā)生變化，從而影響設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。⑤目前的校驗過程主要是校驗人員眼看、耳聽、手記，檢測結(jié)果誤差較大、依據(jù)不充分，結(jié)果的可靠性低。

1.2 安全閥在線檢測系統(tǒng)研制價值

TSG 21—2011《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[3]和TSG ZF001—2006《安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[4]均規(guī)定安全閥一般每年至少校驗-次。此外，TSG ZF001—2006在B6.3.2部分中還規(guī)定了安全閥校驗周期可以適當(dāng)延長的基本條件，其中一條為，通過在線檢查和在線檢測均符合使用要求。TSG ZF001—2006中第B1.3條的檢測方法也規(guī)定，在線檢測方法可采用其他壓力源進(jìn)行試驗。這2條規(guī)定從另一個側(cè)面說明，在線檢測系統(tǒng)是比離線檢測系統(tǒng)更先進(jìn)和有效的檢測手段，有利于保障安全閥的長周期安全運(yùn)行，有進(jìn)行深入研究和開發(fā)的價值。

1.3 安全閥在線檢測系統(tǒng)研制現(xiàn)狀

畢明樹、周一卉等[5-8]開發(fā)的安全閥在線檢測裝置,采用計算機(jī)自動采集數(shù)據(jù)，通過不斷改進(jìn)系統(tǒng)提高了安全閥校驗的可靠性。劉錫光、章劍波、郭崇志和李治濤等[9-12]根據(jù)現(xiàn)場實際需要研制開發(fā)了不同的安全閥在線校驗裝置并成功應(yīng)用于實際工作 。宋華兵[13]的研究工作則結(jié)合了數(shù)值仿真技術(shù)。孫力等[14]對在線校驗中采用改變系統(tǒng)壓力和旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺桿2種計算安全閥泄放面積的方法進(jìn)行分析, 探討其適用性、局限性以及需注意的問題。

本文開發(fā)的安全閥在線檢測裝置研制過程中結(jié)合了天然氣壓氣站的設(shè)施特點(diǎn)，在以下幾方面進(jìn)行了改進(jìn)和提高。

(1)校驗系統(tǒng)在安全閥與被保護(hù)設(shè)備或系統(tǒng)之間設(shè)隔離閥門，隔離閥門采用高于設(shè)備安全閥的等級，確保隔離閥門密封良好。安全閥校驗過程中只需關(guān)閉安全閥前段隔離閥門，隔離閥門后端注入氮?dú)鈾z測安全閥的整定值。

(2)對在用安全閥采用預(yù)裝校驗管路系統(tǒng)。實施校驗時，只需拆裝儀表管接口即可，操作更為便捷、省力。當(dāng)校驗內(nèi)部存儲易燃、易爆介質(zhì)的設(shè)備或者系統(tǒng)上的安全閥時，只需用氮?dú)庵脫Q安全閥與隔離閥門之間短節(jié)處的可燃?xì)猓捎诙坦?jié)容積很小，因此置換簡便安全。

(3)安全閥與被保護(hù)裝置連接密封處沒有任何的操作，只需拆裝安全閥校驗注氮用的儀表接口，不會出現(xiàn)因操作不當(dāng)造成安全閥與被保護(hù)裝置連接密封性能下降。

2 安全閥在線檢測系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)最佳配置一般原則

安全閥在線檢測系統(tǒng)應(yīng)該具有對安全閥的臨時隔斷功能、對校驗過程數(shù)據(jù)的記錄功能和對檢測數(shù)據(jù)的處理功能。安全閥在線檢測最佳的系統(tǒng)配置應(yīng)包括隔斷裝置、多參數(shù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)、安全閥在線檢測軟件3個部分。選擇安全閥在線檢測用的隔斷閥時，首先應(yīng)注意隔斷效果應(yīng)高度可靠，其壓力等級要高于承壓設(shè)備壓力等級至少3倍，以使安全閥的現(xiàn)場校驗可靠、安全，其口徑還應(yīng)保證在設(shè)備正常運(yùn)行時不影響安全閥的使用。選擇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時應(yīng)考慮安全閥校驗現(xiàn)場空間有限，提高數(shù)據(jù)記錄不方便位置數(shù)據(jù)采集的自動化程度。選擇在線檢測軟件時應(yīng)提高軟件處理數(shù)據(jù)的智能化程度。

2.2 彈簧式安全閥在線校驗系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1隔斷裝置

本文研制的彈簧式安全閥在線校驗隔斷裝置主要由安全閥隔斷球閥、連接校驗接口三通、引壓管件和閥門等部件組成。隔斷球閥(容器在用情況下，隔斷閥門應(yīng)處于全開鉛封狀態(tài))安裝在安全閥與容器之間，隔斷球閥與安全閥之間設(shè)置變徑三通短節(jié)，在短節(jié)變徑接口上連接引壓管件，并將引壓接口(日常情況下該接口用絲堵密封)設(shè)置在全閥校驗人員站在地面上就可方便操作的位置。安全閥校驗時關(guān)閉安全閥前段隔斷閥門，打開引壓接口處絲堵及引壓管路上的閥門，待安全閥與隔斷閥門之間短節(jié)處的介質(zhì)放空后，在引壓接口處接通注氮裝置進(jìn)行校驗。

此隔斷裝置設(shè)計簡化了安全閥校驗操作程序，不再需要校驗前后的彈簧式安全閥拆卸與重裝，僅用梯子輔助即可完成隔斷閥門的開關(guān)操作。此隔斷裝置設(shè)計還降低了人身安全風(fēng)險，校驗人員無需高空作業(yè)，在地面就能完成安全閥的操作，可以有效降低安全閥與被保護(hù)裝置連接密封損傷或密封性能下降的風(fēng)險。隔斷裝置采用高等級球閥作為安全閥和承壓設(shè)備，在整個線檢測過程中對安全閥與被保護(hù)裝置連接密封處沒有任何操作，只需拆裝校驗加壓用儀表接口。

2.2.2多參數(shù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)

安全閥在線檢測數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)由硬件和軟件2部分組成，見圖1。

圖1 安全閥在線檢測數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)組成示圖

安全閥在線檢測數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)硬件部分主要包括壓力源及壓力傳輸系統(tǒng)、壓力傳感器、檢測記錄儀和測量變送儀等設(shè)備和儀器。標(biāo)準(zhǔn)配置的壓力源為便攜式鋁質(zhì)氣瓶，氣瓶的最高氣壓力可達(dá)15 MPa。如遇特殊情況，也可根據(jù)現(xiàn)場情況指定委托檢測的企業(yè)提供氣源。

安全閥在線檢測數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的檢測軟件采用高精度壓力和位移傳感器作為測量元件，可以完整地記錄安全閥檢測全過程中壓力和閥桿位移的變化，并且能夠在檢測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，智能化判定安全閥的主要性能指標(biāo)，為安全閥的進(jìn)一步調(diào)試和評定提供依據(jù)。安全閥在線檢測軟件的編制，完全依照的是GB/T 12241—2005《安全閥一般要求》[15]和GB 12242—89《安全閥性能試驗方法》[16]中關(guān)于安全閥性能檢測的規(guī)定和描述，為安全閥在線檢測系統(tǒng)專用程序，是安全閥在線檢測技術(shù)的核心組成部分，在系統(tǒng)硬件配合下，可以完成安全閥工作性能的在線或者離線調(diào)試。

安全閥校驗現(xiàn)場空間有限，數(shù)據(jù)記錄不方便，傳統(tǒng)的安全閥校驗方式必須將安全閥從被保護(hù)設(shè)備上拆下，放置在專用的校驗臺上進(jìn)行，校驗過程只能依靠檢驗人員直接讀取壓力表的方式，這種方式?jīng)Q定了校驗精度不會太高，安全閥的各項參數(shù)的記錄無法實現(xiàn)實時過程數(shù)據(jù)采集，性能評定必然粗略而模糊。在線校驗系統(tǒng)可對多參數(shù)測量方法提出較高要求。本文所采用的數(shù)據(jù)自動采集操作系統(tǒng)可以完成自動記錄校驗過程，同時還能完成對安全閥起跳壓力、密封壓力和閥桿起跳高度的實時數(shù)據(jù)采集，具有輕便、易于攜帶等特點(diǎn)。

3 安全閥在線檢測系統(tǒng)應(yīng)用[17]

在某壓氣站選擇1臺安全閥(設(shè)定壓力為1.1 MPa)進(jìn)行改造，在安全閥和承壓設(shè)備之間加裝隔斷裝置，見圖2。

圖2 安全閥在線檢測裝置現(xiàn)場圖片

試驗前，按照安全閥校驗要求檢查安全閥的外觀和附件，采用壓縮空氣對安全閥排氣口部分進(jìn)行吹掃，隨后連接試驗裝置。試驗時，先打開氣瓶控制閥，加壓至安全閥的設(shè)定壓力pset。待安全閥在設(shè)定壓力點(diǎn)起跳停止加壓并且安全閥的閥瓣(因氣體泄壓)回座時，繼續(xù)打開氣瓶控制閥加壓至安全閥的密封壓力(0.9pset)，保壓5～10 min觀察壓力是否降低，確認(rèn)安全閥性能正常。該安全閥現(xiàn)場校驗的試驗數(shù)據(jù)曲線見圖3。

圖3 安全閥實時校驗曲線

圖3a是現(xiàn)場在線校驗系統(tǒng)升壓至整定壓力，安全閥在設(shè)定的整定壓力值處正常起跳泄壓、閥瓣回座后保壓在密封壓力的過程記錄，可以檢查安全閥的整定壓力和密封性能。圖3b則是校驗系統(tǒng)通過連續(xù)2次升壓，觀察安全閥連續(xù)起跳泄壓時其起跳壓力變化的情況。現(xiàn)場通過對該臺安全閥反復(fù)試驗，對照多次試驗記錄，實施校驗曲線可以準(zhǔn)確直觀地反映安全閥性能等情況，證明該系統(tǒng)完全可靠。

4 結(jié)語

安全閥的定期校驗是保證安全閥能否準(zhǔn)確可靠工作的重要措施。隨著安全生產(chǎn)要求的不斷提高，安全閥在線檢測技術(shù)既是離線校驗的一種有效補(bǔ)充，又能很好解決生產(chǎn)要求和安全要求之間的矛盾。本文開發(fā)的安全閥在線檢測系統(tǒng)軟件主要具備以下功能。

(1)建立受試安全閥數(shù)字化技術(shù)文檔，可同時對多臺安全閥的校驗過程進(jìn)行實時監(jiān)控和管理。

(2)在程序控制下對安全閥檢測的全過程，包括整定試驗前密封性能測試、整定壓力試驗、整定試驗后的密封性能測試、閥桿起跳位移(需增加位移傳感器)測試等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、存儲、分析和整理。

(3)在分析試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，智能化判斷安全閥的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，特別是開啟壓力的準(zhǔn)確判定以及密封性能的準(zhǔn)確評定。

(4)可自動生成符合國家標(biāo)準(zhǔn)的檢測或校驗報告，包括試驗曲線、關(guān)鍵數(shù)據(jù)和檢測結(jié)果。