淺談在用安全閥的在線校驗技術及應用

李國華，李華壯

（廣西壯族自治區特種設備檢驗研究院，廣西 南寧 530299）

1 安全閥作用及工作原理

隨著我區工業化的發展，特種設備的安全運行也越來越受關注，為了保證特種設備的安全，必須對特種設備進行定期檢驗。安全閥作為相關承壓設備的保護裝置，其主要承擔承受介質壓力過大的作用，從而確保設備能夠正常運行，最大限度的保障工作人員的人身安全。安全閥的工作特點使其不需要借助任何外部能源來進行工作，因此常被用作設備當中承接壓力保護的最后一道屏障。從這個意義上來說，其他壓力保護或調解裝置不能夠替代安全閥的角色。當承壓設備中介質的壓力由于某種原因導致異常升高，達到預先的壓力設定值時，安全閥將會自動開啟，排放介質，降低系統壓力，以防止設備系統內壓力繼續升高；在安全閥進行介質排放的過程中，設備內的壓力必然會有不同程度的降低，當達到一定限度時，安全閥的密封件此時自動降落并關閉，阻止介質的繼續排除。也就是說安全閥的密封件會在系統內介質壓力處在安全值以下時保持密封狀態，確保介質能夠達到設備運行所需的壓力。

2 安全閥在線校驗的必要性及特點

由于安全閥的定期檢驗周期為每年最少一次，因此很多企業在安全閥到期時，不得不停止運行設備裝置，將安全閥拆卸下來進行送檢。安全閥在線校驗技術的引進及意義就顯得非常重大了，利用在線校驗儀，可以在裝置運行的狀態下，對安全閥進行在線檢測，免去了企業由于停機校驗安全閥而造成的損失。針對于石油化工、鋁業、電力等大中型企業，有許多安全閥的安裝方式是焊接式的，這類安全閥是無法拆卸下來進行離線定期檢驗的，因此，安全閥在線校驗也解決了這類安全閥定期檢驗的問題。在線校驗技術操作不僅高效便捷，同時還有著較高的校驗精度。在線校驗可在設備運行的過程中操作，這不會影響生產的正常運行，且能夠將溫度、運輸、安裝等不必要的外部因素排除，有效避免離線校驗帶來壓力不確定等危險因素。該校驗技術不但不會影響企業的正常經營，且校驗成本較低。此外該校驗技術還具有較高的安全性，避免了利用升壓實跳的校驗方式造成的不準確性。但該技術也存在一定的局限，如不確定因素較多，不能夠實現對安全閥密封性的實時監測且不能夠監測回座壓力等。

3 安全閥在線校驗儀器

目前從事在線校驗儀器生產研發的國內企業競相發展，國外也有很多企業使用這些在線校驗儀器。下面我們簡要介紹德國L-Plan 閥門檢測技術公司所開發生產的LEGATEST 型安全閥在線檢測裝置。

LEGATEST 型安全閥在線檢測裝置，該裝置的檢測原理借助模擬曲線（安全閥開啟時附加外力變化曲線和行程變化曲線）中的兩個特征點進行判斷，實現對安全閥整體壓力的實際測量。在線校驗時須輸入校驗時系統內的基礎壓力，此壓力可以用壓力傳感器測量，也可以通過讀表獲取。該檢測裝置中提升外力的力傳感器屬精密元件，使用過程中極易受到溫度、濕度等外界條件的干擾，因此安全閥的在線校驗過程中對于現場環境的要求較高，若現場操作環境比較復雜，會導致在線校驗測量的結果和實驗校驗的結果存在差異性。LEGATEST 型安全閥在線檢測裝置基本結構圖1 所示。

圖1 LEGATEST 型安全閥在線檢測裝置結構

4 安全閥在線校驗技術的原理

以彈簧式的安全閥為例，使用過程中安全閥閉合、開啟動作的完成通常是依賴于進口端介質壓力的變化來實現的，加上彈簧的預緊力，使得閥瓣處于開啟或者閉合狀態。在未開啟之前，安全閥彈簧預緊力大于或等于系統內壓力。當工作系統內的介質壓力不斷上升直至超過彈簧的預緊力，閥瓣便脫離彈簧預緊力實現自動開啟，將系統內的介質排出，使得系統內壓力降低。當壓力降低到一定程度，閥瓣又受到彈簧壓力的作用隨之關閉，形成密閉空間，阻止介質的進一步泄露，從而實現了彈簧預緊力與系統內壓力的動態平衡。因此在進行安全閥在線校驗的過程中，若外部存在一定相應的向上附加外力，使得系統內壓力和附加力之和能夠超過彈簧預緊力，此時閥芯也能夠進行開啟動作。由此能夠看到，如果能精準的測定外部附加力，就能夠結合已知的閥瓣密封面有效面積和壓力，得到安全閥的開啟壓力值。

將向下作用于閥瓣的彈簧預緊力設為Fd，大部分用于對抗系統內介質作用力Po·S，另外一些則應用于對抗密封件壓緊力f，從而確保安全閥在密封狀態［圖2（a）］。當系統內的介質壓力不斷增加，f 慢慢降低，在實際壓力數值達到對應開啟壓力Ps的狀態下，f 為零，此時安全閥開啟，滿足式（1）：

若借助外力對閥瓣施加一個相應的附加拉力ΔF，除抵抗系統內介質的作用力與壓緊力，預緊力還需要對抗相應的附加壓力［圖2（c）］。壓緊力會隨著實際附加拉力的增加而逐漸減小。當壓緊力無限接近零時，此時安全閥密封將逐漸開啟，介質的實際作用力與附加外力的總和，剛好可以克服相應的彈簧預緊力［圖2（d）］，如式（2）所示：

圖2 安全閥在線校驗原理

5 安全閥在線校驗關鍵技術

（1）安全閥在線校驗判開準則。安全閥進行在線校驗的過程中，若校驗裝置施加的附加外力逐漸增加，在彈簧預緊力與附加外力和介質本身對安全閥作用力的總和相當時，閥瓣微微打開，壓力曲線上升階段出現拐點，而行程曲線也開始出現上升的拐點，此時安全閥處于開啟狀態，則可以測出安全閥的開啟壓力；當慢慢釋放附加外力，安全閥閥瓣逐漸閉合，當附加外力為零時，閥門回復到原始狀態，此時行程曲線回到零點（圖3）。

圖3 附件外力-行程曲線

（2）附加提升外力的施加。當介質壓力未達到安全閥開啟所需的壓力值時，需外部施加一個提升的附加外力讓安全閥打開從而完成在線校驗工作。當安全閥在開啟的瞬間，需要對該附加的提升外力有一個準確的測量。附加的提升力對于方向有特定的要求，需要與安全閥閥桿的方向保持一致。若果附加提升外力有沿閥桿方向上的分力，會使測量獲得的附加提升外力比實際值偏高，對于測量精度也必然會有一定影響。

（3）閥瓣有效面積。當我們能夠準確測量出安全閥開啟瞬間的附加提升外力之后，按照公式Pd=Fs/S 把附加提升外力轉化成為和設備中介質壓力相等同的工作壓力。公式中S 指的是閥瓣有效面積，但各個不同安全閥生產廠家所生產的安全閥，其安全閥閥瓣結構尺寸也存在一定的差異，因此，準確的測量或計算閥瓣有效面積，是準確測量安全閥在線校驗結果的重要因素之一。如果可以直接取得安全閥生產廠家的技術資料，那是計算有效密封面（S）的最理想、最有效的方法。以上數據很難通過生產廠家直接獲得，需要我們自行測量。注意事項有以下4 點：①閥瓣比閥座寬，測量閥座的內外徑。②閥瓣比閥座窄，測量閥瓣的內外徑。③閥瓣的內外徑＞閥座的內外徑，測量閥瓣的內徑與閥座的外徑。④閥瓣的內外徑＜閥座的內外徑，測量閥座的內徑與閥瓣的外徑。

（4）定期校驗。作為精密元件的力傳感器至少要做到每年的定期校準，確保外力測量時的準確性，從而保證安全閥在線校驗的精度。

6 安全閥在線校驗技術的優缺點及相關的技術問題

（1）優缺點。主要優點：①準確度較高，在設備正常運行中對在用安全閥進行在線校驗，可以忽略使用溫度、使用介質、出口背壓等使用環境因素造成的影響，也能夠有效避免因離線校驗過程中介質溫度、安全閥的搬運、安裝等因素給整定壓力帶來的影響。②經濟效益較高，在線校驗的過程不會干擾設備的正常操作，且校驗成本較低。③安全性較好，該校驗技術要求對安全閥進行至少每年一次的定期校驗，防止安全閥失效而造成安全事故的風險。當然，安全閥在線校驗也是存在缺點的，安全閥在線校驗的缺點主要有兩方面，一方面在線校驗過程中仍然存在一定的不確定因素；另一方面是在線校驗無法對安全閥密封性能進行測試，無法校驗安全閥的回座壓力。

（2）安全閥在線校驗技術應用中的相關技術問題[3]。首先，配套多功能閥桿卡具，因為閥桿是安全閥必不可少的一個配件，目前安全閥型號規格較多，其安全閥閥桿的形狀與尺寸大小也各不相同，有螺紋的、也有光桿的，因此為促進安全閥在線校驗設備適用性的不斷提升，應當盡快研制出更有效的配套閥桿的多功能卡具。其次，安全閥有效密封面面積的計算，閥座尺寸是計算安全閥有效密封面的重要依據，需要在校驗前對不同規格型號的安全閥閥座尺寸有充分的了解，只有充分掌握不同規格型號的尺寸，才能夠保障在線校驗結果的準確性。

7 安全閥在線校驗技術的應用及前景

安全閥在線校驗技術在近幾年來有著廣泛的應用[1]，因其檢測不需要停止設備運行的特點，使其適用于鍋爐、壓力容器以及壓力管道等特種設備上的彈簧式安全閥開啟壓力檢測，實現生產作業與安全閥定期校驗作業的同步進行。該校驗技術目前在石油化工、電力、冶金、鋼鐵等行業中都有了進一步的普及應用，我院采用安全閥在線校驗技術進行校驗的彈簧式安全閥累計已經接近10000 余個，大大降低了閥門拆裝和吊裝的運輸成本，有效避免了不必要的安全隱患，在各個領域取得了巨大的經濟效益。同時對部分安全閥實施升壓實跳驗證[2]，獲得的重復性誤差結果不超過1%。

8 結語

綜上所述，安全閥的在線校驗技術改變了以往的煩瑣、低效的校驗手段，提高了校驗檢測的準確度，也使得整定值更為可靠，操作更加規范，有效降低了勞動成本，也節省了企業的經濟成本，在提高企業經濟效益和保障安全方面的性能非常優越。但該項檢測技術也有自身的局限性，受安裝方式與原件尺寸不同等因素的影響，目前不能夠實現對沒有閥桿的安全閥、重錘式安全閥和先導式安全閥等閥門的在線校驗。但隨著科學技術的不斷發展，安全閥的在線校驗技術與設備也會不斷更新與發展，數據的采集將更趨自動化、檢測的結果也將更加直觀準確。