安全閥在線校驗中密封面積的計算方法探討

姚 杰，阮受唱

（中廣核核電運營有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

目前安全閥在線校驗技術已運用于諸多電站的安全閥整定值工作，主要用于安全閥整定值的在線標定，其優點是整個校驗過程是在接近真實的系統條件下進行的，最終校驗結果較離線校驗結果更準確。

在線校驗的基本原理是：利用液壓提升力克服閥門彈簧力，施加的提升力被測力元件測量下來，除以密封面積，得出來的壓力值（壓強）等效成提升壓力，加上當時的系統壓力，得到該安全閥的壓力整定值（圖1）。在線校驗中，安全閥閥瓣受力可以用式（1）表達：

式中 Pt——壓力整定值，Pa

Pv——試驗時的系統壓力，Pa

Fw——液壓裝置提供的提升力，N

S——安全閥密封面積，mm2

由上式可知，只要通過測力元件準確地測定提升力Fw，就可以根據密封面積S 和系統壓力Pv，求得安全閥的壓力整定值Pt。而提升力可以通過液壓裝置的力傳感器測得，試驗時的系統壓力可以通過壓力傳感器或壓力表讀數獲得，只有密封面積缺乏精確有效的測量手段。

1 密封面積的計算方法

安全閥在線校驗中的密封面積沒有直接的測量手段來精確測量，只有采用間接方法計算得到，故一般把該面積稱為等效密封面積。

目前比較常用的等效密封面積計算方法有4 種：中徑計算法，壓力線性分布計算法，壓力差異計算法和整定值差異計算法。

1.1 中徑計算法

中徑計算法認為密封面的中徑對應的面積即為等效密封面積，實際操作時分別測量閥瓣的內徑、外徑與閥座的內徑、外徑，然后選取內徑大值和外徑小值，作為閥瓣、閥座接觸面積的內徑和外徑，則等效密封面積計算如下：

圖1 在線校驗過程中安全閥閥瓣的受力

式中 S——等效密封面積，mm2

d——等效密封中徑，mm

d1——閥瓣內徑與閥座內徑兩者中的大值，mm

d2——閥瓣外徑與閥座外徑兩者中的小值，mm

r1——閥瓣內半徑與閥座內半徑兩者中的大值，mm

r2——閥瓣外半徑與閥座外半徑兩者中的小值，mm

1.2 壓力線性分布計算法

對于背壓平衡式安全閥，閥瓣、閥座接觸密封面內側邊界的壓力為系統壓力，而外側邊界的壓力僅為大氣壓（即未受到系統壓力），且通常接觸密封面的寬度很小，則在這狹窄的區間里可以假設接觸密封面上的壓力分布為線性分布（圖2）。因此可以得到式（3）：

圖2 系統壓力線性分布示意

式中 Pv——系統壓力，Pa

S——等效密封面積，mm2

r1——閥瓣內半徑與閥座內半徑兩者中的大值，mm

r2——閥瓣外半徑與閥座外半徑兩者中的小值，mm

Pr——半徑在r1和r2之間微型積分區域的壓力，Pa

Sr——半徑在r1和r2之間微型積分區域的面積，mm2

根據前述邊界條件和壓力線性分布的假設，可推導出：

1.3 壓力差異計算法

該計算法在兩個不同的系統壓力條件下，分別對安全閥進行校驗，得到相應的提升力和壓力整定值。根據在線校驗的基本原理可得：Pv1+Fw1/S=Pt1；Pv2+Fw2/S=Pt2。

其中，Pv1與Pv2為兩個不同的系統壓力；Fw1與Fw2分別對應兩個系統壓力需要的提升力；Pt1與Pt2分別對應兩個系統壓力得到的壓力整定值。

由于安全閥整定值未做調整，則Pt1=Pt2，所以S=（Fw2-Fw1）/（Pv1-Pv2）。

1.4 整定值差異計算法

對于調整性能較好的安全閥，由于其調節螺釘的轉動角度對應整定值的變化量為常數（該值和彈簧性能相關，一般由閥門生產廠家提供），故可用整定值差異計算法來計算等效密封面積。

該計算方法在系統壓力不變的情況下，改變安全閥的整定值（通過旋轉調節螺釘實現），得到相應的提升力。根據在線校驗的基本原理可得：Pv+Fw1/S=Pt1；Pv+Fw2/S=Pt2。

其中，Pv為試驗時的系統壓力；Pt1與Pt2分別表示改變前后不同的整定值；Fw1與Fw2分別對應兩個整定值需要的提升力。

假設調節螺釘的轉動角度對應整定值的變化量為常數ΔP，則Pt2=Pt1+ΔP，可得S=（Fw2-Fw1）/ΔP。

2 4 種密封面積計算方法的優缺點

上述介紹的4 種密封面積的計算方法各有優缺點，選用合理的等效密封面積計算方法直接決定了安全閥壓力整定值的準確性。

2.1 中徑計算法和壓力線性分布計算法的優缺點

中徑計算法和壓力線性分布計算法適用的前提條件是必須知道安全閥閥瓣、閥座的內外徑尺寸（r1值和r2值）。該尺寸可以由閥門生產廠家提供，也可以自行解體閥門進行測量。無論使用哪種方法獲得，該尺寸均為在常溫常壓下的零件尺寸（簡稱為“離線尺寸”），但是安全閥的工作環境均在高溫或高壓條件下，考慮由溫差引起的尺寸差異，及由壓差引起的結構變形和應力變化，造成了實際密封面積和等效密封面積形成差異。該種差異相對于剛性閥瓣影響非常小（通常只有材料因溫差影響而形成的輕微尺寸變形），但是相較于柔性閥瓣，由于其結構的獨特性，在不同的溫度和壓力環境下產生差異性的柔性變形，導致其密封面積在不同工況下產生巨大的變化。

通過式（2）和式（3）可以看出，兩種算法的假設條件是閥瓣、閥座接觸形成的接觸密封面是一個完整的環形面，且系統壓力在接觸密封面上呈規律性分布（中徑計算法假設了系統壓力在接觸密封面內半環上呈無壓降均勻分布，壓力線性分布計算法假設了系統壓力在整個接觸密封面上的壓降呈線性分布），但實際情況是，由于加工精度、裝配精度、溫差變化、壓差變化、系統擾動、雜質干擾等因素的影響，閥瓣、閥座間形成的接觸密封面并不是一個完整環形面，從而真實密封面積和等效密封面積有所差異。為了降低這些因素的影響，則需要降低假設條件中接觸密封面積相對于等效密封面積的比值，因此閥瓣、閥座的尺寸越大（r1、r2越大），接觸面積越窄，則兩種算法的精度越高。

此外，中徑計算法和壓力線性分布計算法之間也存在一定的偏差。假設中徑計算法得出的等效密封面積為S1，壓力線性分布計算法得出的等效密封面積為S2，得出兩者間的偏差為：

由式（5）可以得出，閥瓣、閥座的尺寸越大，接觸面積越窄，則兩種算法的偏差就越小；反之，尺寸越小、接觸面積越寬，則兩種算法的偏差就越大。

中徑計算法和壓力線性分布計算法作為帶有剛性閥瓣安全閥校驗比較常用的密封面積計算方法，優點在于操作簡便，尺寸測量工作完全離線進行，因此對系統或設備沒有額外的要求，因此也不會對安全閥上下游設備產生影響。

2.2 壓力差異計算法和整定值差異計算法優缺點

壓力差異計算法和整定值差異計算法的優點在于，可在閥瓣、閥座尺寸未知的情況下進行等效密封面積的測算及安全閥的在線校驗。同時，由于這兩種算法均是在接近閥門實際工況的情況下進行，因此基本排除了閥瓣結構、加工精度、裝配精度、溫差變化、壓差變化、系統擾動、雜質干擾等因素的影響，測算得到的等效密封面積與真實密封面積非常相近。

壓力差異計算法的缺點在于需要在短時間內進行系統壓力的改變，同時需要系統壓力的改變達到一定的精度并維持穩定。系統壓力的調整往往牽涉到諸多設備的調整和運行工況改變，存在一定的系統性風險。

整定值差異計算法雖然不要改變系統的壓力，但是在校驗過程中需要改變安全閥整定值，可能會導致安全閥因整定值超差而短時不可用，因此需要根據實際工況進行評估，或者具有冗余設備來代替整定值被改變的安全閥。其次，該計算法的使用還必須滿足一個重要的前提條件，即安全閥在調整區間內具有良好的調節性能（即調節螺釘轉動固定的角度對應的安全閥整定值的變化量為常數）。

中徑計算法和壓力線性分布計算法均可以通過多次試驗取平均值的方法來提高密封面積的測算精度。但是多次動作安全閥，具有一定的潛在風險，例如：在閥門開關過程中密封面夾雜異物造成內漏，彈簧過熱造成短時定值漂移影響測算精度等。

3 結束語

根據本文論述的安全閥在線校驗時4 種密封面積的計算方法及優缺點對比分析，中徑計算法和壓力線性分布計算法操作簡單，對系統沒有特殊要求，但是精度略低，只適用于剛性閥瓣的安全閥；壓力差異計算法和整定值差異計算法的測算精度高，不受閥瓣結構、壓力變化等因素的干擾，但是對系統要求或閥門性能有特殊要求。選取合適的計算方法，對于確保安全閥整定值的精度、提高安全閥的可靠性至關重要。