孫 琦 謝青延

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院 深圳 518029）

關(guān)于電站鍋爐安全閥型式試驗(yàn)排放性能測試方法的討論

孫 琦 謝青延

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院 深圳 518029）

安全閥的排放性能是安全閥產(chǎn)品質(zhì)量重要考核指標(biāo)之一，電站鍋爐安全閥由于壓力高、排量大無法通過實(shí)際工況模擬來測試其排放性能，本文通過對拉法爾噴嘴氣體穩(wěn)定流動的質(zhì)量流量展開分析，說明采用排量系數(shù)法評估安全閥排放性能具有很高的可靠性、操作性。

噴嘴 穩(wěn)定排放 開啟高度 質(zhì)量流量 排放系數(shù)法

安全閥型式試驗(yàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目分為：動作性能測試、排放性能測試。

安全閥排放性能的測試一直是安全閥型式試驗(yàn)的難點(diǎn)，由于測試設(shè)備能力的局限性，國內(nèi)對電站鍋爐安全閥排放性能（熱態(tài)）的測試一直未開展。為加強(qiáng)電站鍋爐的安全管理，提高安全閥產(chǎn)品質(zhì)量安全，電站鍋爐安全閥排放性能（熱態(tài)）測試勢在必行。

在測試方法上目前有兩種模式：一種是模擬測試法；另一種是實(shí)際工況測試法。前者是通過低參數(shù)工況模擬測試閥門的性能；后者是在閥門工作的實(shí)際工況下進(jìn)行閥門性能測試。顯然，前者可操作性強(qiáng)，但試驗(yàn)方法的可靠性需進(jìn)一步討論；后者試驗(yàn)方法的可靠性不容置疑，但必須配備滿足超高壓參數(shù)的鍋爐機(jī)組，該機(jī)組的參數(shù)甚至要超過安全閥的參數(shù)范圍，這樣，既不經(jīng)濟(jì)、也不可行，可操作性不強(qiáng)。

目前，根據(jù)全球范圍內(nèi)開展安全閥型式試驗(yàn)最先進(jìn)、最權(quán)威的國家之一美國，NB官方網(wǎng)站公布及現(xiàn)場考察學(xué)習(xí)了解，其試驗(yàn)?zāi)芰Φ膮?shù)也較低，僅有兩家實(shí)驗(yàn)室具有蒸汽介質(zhì)裝置，具體單位與參數(shù)見表1。

表1 NB網(wǎng)站公布兩家實(shí)驗(yàn)室參數(shù)

從表1可以看出，蒸汽介質(zhì)試驗(yàn)裝置的壓力、流量能力有限，安全閥試驗(yàn)方法多采用模擬測試法。

為解決電站鍋爐安全閥排放性能（熱態(tài)）的測試，從安全閥排放過程的流體理論、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的研究出發(fā)，建立一個(gè)既滿足安全閥排放測試本質(zhì)要求、又滿足法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的方法。

1 排放過程的流體理論討論

1.1 干飽和蒸汽的理論

排量計(jì)算

根據(jù)GB/T 12241-2005《安全閥 一般要求》相關(guān)規(guī)定，當(dāng)壓力為0.1MPa至11MPa時(shí)：

Wts=5.25APd

當(dāng)壓力大于11MPa至22MPa時(shí)：

式中：

W——理論排量，kg/h；

A——流道面積，mm2；

Pd——實(shí)際排放壓力，MPa。

這里干飽和蒸汽是指最小干度為98%或最大過熱度為10℃的蒸汽。

由此，可以得出結(jié)論：當(dāng)安全閥喉徑及排放壓力確定的情況下，其排放量是確定的。

1.2 排放系數(shù)與臨界壓力比的關(guān)系

當(dāng)安全閥閥座（噴管）出口（背壓）、進(jìn)口（實(shí)際排放壓力）壓力比低于或等于噴管臨界壓力比時(shí)，出口截面（喉部截面）可以達(dá)到音速流，進(jìn)、出口壓力的擾動不會影響噴管內(nèi)的流動，相對排量維持不變，此時(shí)，噴管處于臨界流動狀態(tài)。

由于安全閥結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，很難測定安全閥最小流道截面積處氣流流速，從而無法根據(jù)最小流道截流面積處是否達(dá)到音速而準(zhǔn)確確定安全閥臨界壓力比。目前，判斷安全閥是否達(dá)到臨界流動狀態(tài)的方法是測定安全閥的排量系數(shù)，只要排量系數(shù)不隨壓力變化，就認(rèn)為該型號安全閥的排量不受結(jié)構(gòu)形式影響，安全閥就達(dá)到臨界流動狀態(tài)。

在實(shí)際操作過程中按標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，針對同一安全閥選用3種以上不同整定壓力安全閥作為樣品進(jìn)行排放系數(shù)的測定，各個(gè)排放系數(shù)最終試驗(yàn)結(jié)果對其算術(shù)平均值的偏差都不超過士5%，這時(shí)，認(rèn)為該安全閥在實(shí)際工況中能達(dá)到臨界狀態(tài)，該全系列安全閥閥座符合噴嘴相關(guān)要求，可以通過理論計(jì)算對該型號全壓力系列安全閥進(jìn)行理論排量計(jì)算；同時(shí)，此排放系數(shù)就為該安全閥的排量系數(shù)。

2 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的討論

目前，涉及安全閥型式試驗(yàn)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)有：

TSG ZF001-2006《安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[1]；

GB/T 12241-2005（ 等 同 于 ISO 4126-1：1991）《安全閥 一般要求》[2]；GB/T12242-2005（等同于ASME PT25-1994）《安全閥壓力釋放裝置 性能實(shí)驗(yàn)規(guī)范》[3]；GB/T12243-2005（等同于 JIS B；1994）《彈簧直接載荷式安全閥》[4]。文獻(xiàn)[4]規(guī)定：安全閥排放性能測試項(xiàng)目為排量或排量系數(shù)。

排量系數(shù)Kd可按式（1）計(jì)算：

式中：

W——試驗(yàn)所得實(shí)際排量；

Wt——計(jì)算所得理論排量，其計(jì)算公式在文獻(xiàn)2具體規(guī)定。

文獻(xiàn)[1]中D2的第3項(xiàng)規(guī)定：相同名稱、型號或者相同結(jié)構(gòu)和作用原理（必要時(shí)也包括材料）的安全閥，其型式試驗(yàn)的覆蓋范圍如下：

（1）DN*≤2DN；

（2）PN≥10MPa時(shí)，PN*≤PN。

注：PN，DN分別為樣品的公稱壓力、公稱通徑，PN*，DN*分別為覆蓋產(chǎn)品的公稱壓力、公稱通徑。

從以上規(guī)定可以看出，這里的壓力覆蓋范圍是指公稱壓力，不是試驗(yàn)壓力及彈簧整定壓力。當(dāng)安全閥公稱壓力一定時(shí)，其噴嘴（閥座）、閥瓣、閥瓣座、閥瓣芯在達(dá)到設(shè)定開高后，其形成的流動狀態(tài)就類似于一個(gè)拉法爾噴嘴流動狀態(tài)，且在更換彈簧改變整定壓力后，安全閥運(yùn)行中達(dá)到設(shè)定開高后，該噴嘴的幾何形狀是不變的，根據(jù)文獻(xiàn)[2]規(guī)定的理論排量計(jì)算公式，其排量只與進(jìn)口壓力有關(guān)。

文獻(xiàn)[2]同時(shí)在相關(guān)條款中規(guī)定：

蒸汽用安全閥，在以蒸汽為試驗(yàn)介質(zhì)確認(rèn)其動作性能符合要求后，允許用蒸汽、空氣或其他性質(zhì)已知的氣體為介質(zhì)進(jìn)行排量試驗(yàn)。當(dāng)用蒸汽以外的介質(zhì)來測定排量時(shí)，應(yīng)以機(jī)械方法使閥瓣保持在用蒸汽作試驗(yàn)時(shí)所達(dá)到的同樣開啟高度。

用于排量試驗(yàn)的安全閥應(yīng)是用于動作性能試驗(yàn)同一些的閥門，或是同樣的閥門。閥門的狀況應(yīng)與進(jìn)行動作性能試驗(yàn)時(shí)的閥門相同，即閥門的開啟高度相一致。

以上可以看出，相關(guān)條款強(qiáng)調(diào)開啟高度，也就是要求被試閥門閥座具有同樣的幾何形狀。

3 試驗(yàn)過程

根據(jù)以上分析，采用以下試驗(yàn)方法：

按樣品的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)文獻(xiàn)2中規(guī)定采用3種有較大差別的彈簧進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中應(yīng)驗(yàn)證開高達(dá)到設(shè)定值。

在達(dá)到設(shè)定開高情況下，按文獻(xiàn)[2]的5.2.3中規(guī)定在不同進(jìn)口壓力情況下測定安全閥排放量，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為排量系數(shù)，各個(gè)最終試驗(yàn)結(jié)果對基算術(shù)平均值的偏差都不得超過士5%，這樣便得到其排量系數(shù)。

試驗(yàn)閥門如圖2所示，參數(shù)： A68Y P54 100V，DN60/150見表2。

圖2 試驗(yàn)閥門

表2 試驗(yàn)閥門參數(shù)

整定壓力設(shè)定(MPa)：2.5，3.2，4.0，4.5。

流量計(jì)類型：標(biāo)準(zhǔn)孔板

試驗(yàn)介質(zhì)：蒸汽、空氣

蒸汽介質(zhì)測試結(jié)果見表3。蒸汽介質(zhì)測試結(jié)果計(jì)算該閥排量系數(shù)為0.920。空氣介質(zhì)測試結(jié)果見表4，測試結(jié)果計(jì)算該閥排量系數(shù)為0.921。

表3 蒸汽介質(zhì)測試結(jié)果

表4 空氣介質(zhì)測試結(jié)果

從以上分析可以看出，無論是蒸汽測試還是空氣測試，當(dāng)安全閥閥桿達(dá)到規(guī)定開高時(shí)，安全閥達(dá)到穩(wěn)定排放狀態(tài)，排放量只與進(jìn)口壓力有關(guān)，而排量系數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 總結(jié)

通過以上分析可以看出：當(dāng)閥座幾何形狀一定，不論其工作工況，其排量系數(shù)是一定的。這樣，我們可以通過低壓力工況排量系數(shù)的測定來完成該安全閥排量系數(shù)的測定，即：在規(guī)定的公稱壓力條件下，安全閥噴嘴的幾何條件一定的情況下，通過更換低工作壓力彈簧，進(jìn)行排量測試，完成電站鍋爐安全閥排量系數(shù)的測試。

1 TSG ZF001-2006安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

2 GB/T 12241-2005 安全閥 一般要求[S].

3 GB/T12242-2005安全閥壓力釋放裝置 性能實(shí)驗(yàn)規(guī)范[S].

4 GB/T12243-2005 彈簧直接載荷式安全閥[S].

Discussion on Discharge Performance Test of Boiler Safety Valve Type Testing

Sun Qi Xie Qingyan
(Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test Shenzhen 518029)

the discharge performance is one of the important assessment indicators of the safety valve’s quality. Because of the high pressure and large capacity, discharge performance of boiler safety valve cannot be tested out through actual working conditions simulation. This paper analyses the gas steady fow theory of Rafael nozzle to explain that using discharge coeffcient method to assess discharge performance of safety valve is with high reliability and operability.

Nozzle Discharge stably Lift Mass fow Discharge coeffcient

X933.4

B

1673－257X(2014)11－10－03

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.12.003

孫琦(1973～)，男,檢驗(yàn)師,主要研究方向?yàn)槌袎侯愄胤N設(shè)備檢驗(yàn)與安全閥型式試驗(yàn)。

2014-05-05）