安全閥彈簧在線失效監測方法初探

李確，郭善剛，汪朝陽

（1.北京航天動力研究所；2.北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100176）

1 研究背景

安全閥廣泛應用于石油、化工、電站、冶金、核電、國防等國民經濟各個領域，為各類裝置的壓力管道和壓力容器等承壓設備提供超壓保護。整定壓力準確性是安全閥重要性能指標，是實現超壓保護功能的基礎。國家標準GB/T12243及美國機械工程師學會鍋爐及壓力容器規范ASME BPVC安全閥標準規范均明確了不同工況下安全閥整定壓力的極限偏差指標：如壓力容器和管道用安全閥的整定壓力極限偏差（GB/T12243-2021）（表1）。

表 1

彈簧直接載荷式安全閥是安全閥中應用最廣泛的一類，彈簧是其關鍵元件之一，其性能好壞對安全閥能否“準確開啟、適時全啟、及時回座”有決定性的影響。彈簧失效帶來的異常開啟、回座壓力過低等問題是安全閥的常見故障。此類故障的發生往往是突發、不可預測的，而故障的消除往往需要生產裝置停車將安全閥拆除處理，直接影響生產活動的正常進行。因此，開展彈簧工作狀態在線監測及診斷研究，對于提升安全閥的可預測維護性，進一步開發智能化的安全閥產品，保障生產裝置的安全穩定運行具有重要的意義。

2 彈簧失效分析

實際應用工況中，安全閥的工作環境往往比較復雜，如腐蝕性介質、變化的溫度、頻繁的動作都會造成彈簧性能的變化，導致彈簧剛度下降甚至斷裂。安全閥彈簧失效形式主要包括疲勞、腐蝕、斷裂及塑性變形（圖1）。

圖1 彈簧主要失效形式

彈簧失效原因總體可以分為兩類，一類是自身缺陷，主要包括原材料、加工等因素，具體如圖2所示。

圖2 彈簧失效原因（自身缺陷）

另一類是環境影響，主要包括工作負載、介質腐蝕等引述，具體如圖3所示。

圖3 彈簧失效原因（使用環境）

通過分析安全閥彈簧失效原因及失效形式可以發現，所有失效形式都會帶來彈簧壓縮力的顯著變化。本文探討了基于彈簧壓縮力這一關鍵參數的測量實現彈簧工作狀態監測和預警的技術方案。

3 技術方案

3.1 系統方案

安全閥彈簧在線失效監測系統由安全閥主體、測力傳感器、壓力變送器、輸入電源、信號輸入引線、信號輸出引線、數據處理系統等零部件組成。測力傳感器安裝在安全閥本體上，通過輸入信號引線與壓力變送器相連接；輸入電源與壓力變送器連接，負責壓力變送器及測力傳感器供電；測力傳感器將測量信號傳輸至壓力變送器，經過信號放大后，通過輸出信號引線輸出至數據處理系統。安全閥彈簧失效在線監測系統原理示意如圖4所示。

圖4 安全閥彈簧失效在線監測系統原理示意圖

3.2 優化設計

為提高監測數據準確性，測力傳感器應最大程度接近彈簧，避免摩擦力、側向力等因素對監測數據的影響。本方案對安全閥局部結構進行重新優化設計，如圖5所示。

圖5 安全閥及測力傳感器連接結構示意圖

依據傳感器結構尺寸對彈簧座結構進行調整，將傳統彈簧座結構一分為二，分別為上彈簧座、壓環。測力傳感器上端面與壓環相連，下端面與上彈簧座相連。彈簧力通過上彈簧座直接傳遞給測力傳感器，能夠保證彈簧力測量準確性。同時，上彈簧座及壓環共同實現導向對中作用，最大程度減少結構變更對安全閥影響，確保安全閥動作順暢，實現測力傳感器工作穩定。

3.3 傳感器原理及選擇

在力學測量中，壓電力傳感器和應變力傳感器占據著主導地位。兩種傳感器原理如下。

應變力傳感器原理：施加的力是作用在一個彈性體上的。負載將會使彈性體產生微小的變形。安裝在彈性體上的應變片將會產生延展，應變片的電阻值將會變化。4個應變片組成一個惠斯通電橋，產生的輸出電壓將會正比于施加的力。

壓電傳感器原理：采用兩個晶體盤，并在兩者之間安裝一個電極箔。在施加力時，將產生電荷變化，其可通過電荷放大器獲得。電荷將和施加的力呈正比。分別從監控時間和測量精度方面對兩類傳感器特點進行比較。

（1）靜態監控。應變傳感器幾乎沒有漂移，因此，非常適合長期靜態監控任務。通過選擇合適的應變片，恒定的負載導致的輸出信號變化非常小。壓電力傳感器具有一個漂移，在工作狀態下大約為1牛/分鐘。由于其值保持不變，當長期進行較小力測量時，其將會產生較大的測量誤差。

（2）高精度測量。現代力傳感器都具有很高的精度，應變傳感器的誤差僅有0.2%。壓電傳感器具有稍高的線性誤差，一般為滿量程的0.5%。其限制主要來自漂移，通過對整個量程的標定，可以使其獲得更高的精度。

根據測力傳感器以上類型特點，應選擇應變式傳感器進行彈簧壓縮力的長期監測。

3.4 判定算法

安全閥工作過程中，測力傳感器依據所受彈簧力實時輸出電壓信號，經過變送器放大、濾波等處理，將有效電壓信號轉換為彈簧力數值信號并傳輸至數據處理系統。數據系統實時將采集彈簧力數據與初始彈簧力設定值等指標進行比對，當彈簧力下降到達設定偏差時，系統判定彈簧可能發生在線失效，向用戶發出預警信號。彈簧力監測值與初始值相比，上升超過規定數值時，認為安全閥發生起跳，數據處理系統提示用戶進行閥門狀態檢查并進行初始值重置。結合安全閥應用工況需求，功能設置如下。

初始值：安全閥上線穩定運行后進行1小時連續監測，獲得的平均值為測力傳感器初始值。

預警：彈簧壓縮力監測值與初始值相比，下降到達3%時，發出信號，實現預警。

重置：彈簧壓縮力監測值與初始值相比，上升超過3%時，認為安全閥發生起跳，提示進行閥門狀態檢查并進行初始值重置。

3.5 特殊工況應用

測力傳感器一般適用工作溫度為-20～80℃，超出以上溫度范圍的工況可定制開發特殊材質、結構測力傳感器，滿足工況要求；本方案中測力傳感器引線通過安全閥閥蓋側孔引出，對于安全閥存在出口背壓的工況，可采用對安全閥增加波紋管的技術路線，避免出口介質泄漏，保證安全閥正常工作。

4 結語

本文結合彈簧載荷式安全閥工作原理，分析了彈簧失效原因及失效形式，提出了一種安全閥彈簧在線失效監測方法，選取彈簧壓縮力作為在線失效可測量的關鍵表征，在安全閥內應用適當傳感器對彈簧失效關鍵表征進行監測，明確了判定算法，可以實現彈簧失效的在線監測。