呂國鋼等

摘 要：為了保障制氧機組安全閥的工藝性和安全性得到有效、可靠的保證，通過安全閥在線校驗技術(shù)的應(yīng)用，既可以保持機組連續(xù)運行，又可以節(jié)省大量人力、物力，較少校驗成本，檢測得到符合實際工況條件下的整定壓力值，因此，具有同等條件的制氧機組的安全閥采用安全閥在線校驗技術(shù)是可行和可靠的。

關(guān)鍵詞：制氧機 安全閥 在線校驗

中圖分類號：TH134 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0125-02

本鋼氧氣廠作為本鋼集團公司內(nèi)易燃易爆重點?；飞a(chǎn)單位，承壓類特種設(shè)備較多，相應(yīng)的安全閥數(shù)量也多，全廠各類安全閥總計200余只，其中大部分為空分冷箱系統(tǒng)所用。該廠主力運行機組6、7、8號制氧機組為德國林德公司制造生產(chǎn)，設(shè)備常年運行，偶爾停機，而冷箱系統(tǒng)并不停，但是需要保持正壓，防止?jié)窨諝膺M(jìn)入塔內(nèi)。安全閥校驗只能在設(shè)備中修（5年一次）和大修（10年一次）期間進(jìn)行，不符合的安全閥每年至少進(jìn)行一次校驗的周期要求。為解決這一問題，本鋼特種設(shè)備檢驗檢測站建議采用安全閥在線校驗技術(shù)。結(jié)合制氧機運行狀況復(fù)雜，介質(zhì)狀態(tài)不同，運行壓力變化大，檢測部位落差大等特點，由本鋼特檢站編制確實可行的校驗方案。經(jīng)廠方領(lǐng)導(dǎo)及設(shè)備、安全等相關(guān)部門確認(rèn)后，為盡最大程度降低校驗工作可能對設(shè)備運行造成影響，安全閥在線校驗均安排于機組臨檢修前，甚至停機（設(shè)備充氣保護）時進(jìn)行。自2012年10月份起陸續(xù)開展安全閥在線校驗工作，試驗性對后備系統(tǒng)20只安全閥在工況條件下進(jìn)行在線校驗，效果良好。2013年3月～9月安全閥在線校驗總數(shù)146只，安全閥在線校驗占比為73%。2014年5月—10月安全閥在線校驗總數(shù)177只，安全閥在線校驗占比為88.5%。2015年5月7、8號機校驗94只。其余安全閥由于結(jié)構(gòu)形式（閥桿不外露）和安裝位置不適宜（工藝管道與安全閥太近，夾具的框架無法安裝）安全閥在線校驗，因此只能在停機狀態(tài)下進(jìn)行離線校驗。

1 安全閥在線校驗應(yīng)用

1.1 安全閥在線校驗的概念

所謂安全閥的在線校驗就是在使用狀態(tài)下對安全閥的開啟壓力進(jìn)行檢測、整定的過程。

1.2 安全閥在線校驗應(yīng)具備的條件

（1）合格、準(zhǔn)確、專業(yè)的校驗設(shè)備；（2）配備專職的校驗人員；（3）完善的安全閥在線校驗作業(yè)規(guī)程；（4）安全閥在線校驗所需要的輔助條件。

1.3 安全閥在線校驗基本原理

彈簧安全閥的開啟、關(guān)閉動作是依靠其進(jìn)口端的介質(zhì)壓力變化和彈簧預(yù)緊力來使閥芯自動開啟及關(guān)閉。當(dāng)介質(zhì)壓力（內(nèi)壓）升高到提升力比彈簧預(yù)緊力大時，閥芯克服彈簧預(yù)緊力自動開啟，泄放多余的介質(zhì)，使內(nèi)壓下降，又由于彈簧力的作用，當(dāng)內(nèi)壓降至安全值時，閥芯自動關(guān)閉，泄放停止。我們先了解下列的符號：Fd —彈簧預(yù)緊力；P0 —安全閥入口壓力（系統(tǒng)介質(zhì)壓力）；S —介質(zhì)作用在閥瓣上的有效密封面積；f —閥門密封件（閥瓣與閥座）之間的相互壓緊力；Ps —安全閥的開啟壓力；Δ F —作用于安全閥閥瓣一個向上的附加提升力。為簡化起見，我們來考察一個處于關(guān)閉狀態(tài)且正常運行的安全閥的受力狀況（圖1a）。

向下作用于閥瓣的彈簧預(yù)緊力Fd，一部分用來抵抗介質(zhì)作用力P0·S，另一部分產(chǎn)生閥門密封件之間的相互壓緊力f，該力足以保持安全閥呈密封狀態(tài)。隨著介質(zhì)壓力的提高，密封件間的相互壓緊力亦隨之減少，當(dāng)介質(zhì)壓力達(dá)到開啟壓力Ps時，相互壓緊力f等于零，安全閥開啟（圖1b）。

此時滿足：Fd = Ps · S （1），這個開啟狀況也就是安全閥離線校驗的原理。

如果從外部作用給安全閥閥瓣一個向上的附加拉力ΔF（該文所指的在線調(diào)校技術(shù)是在安全閥入口帶壓情況下，借助外加力將安全閥開啟，以便測量其開啟壓力），則除抵抗介質(zhì)作用力與密封件間產(chǎn)生的相互壓緊力外，彈簧預(yù)緊力還需克服該附加拉力（圖1c）。

隨著附加拉力的增加，密封件間的相互壓緊力將逐漸減小。當(dāng)壓緊力f等于零時，安全閥密封完全喪失而達(dá)到開啟狀態(tài)，此時介質(zhì)作用力與附加力之和剛好克服彈簧預(yù)緊力（圖1d）。

安全閥開啟，此時滿足：Fd=P0·S +ΔF （2）

顯然在（1）（2）公式中，作用在閥瓣上的彈簧預(yù)緊力Fd=常數(shù)，則可以得出：Ps·S = P0·S +ΔF，等式兩邊同時除以S，就得到安全閥在線校驗的基本公式：Ps = P0 +。安全閥在線調(diào)校技術(shù)就是根據(jù)這個公式實現(xiàn)的。

1.3.1附加拉力的確定

在線校驗技術(shù)核心問題是如何施加外力，如何測量和記錄外力，以及如何判別安全閥呈開啟狀態(tài)。不同的調(diào)校裝置在解決這些問題時采用不同的辦法。作用在閥瓣上的外加力是通過延伸到閥外的閥桿施加的，這就保證了在線測量時裝置完全不接觸介質(zhì)，不受介質(zhì)壓力、溫度影響。施加外力的方式采用油壓千斤頂（油缸）。外加力測量一般為電阻應(yīng)變片式拉壓力傳感器，配以各種二次計量儀器，如快速電子記錄器、單片機系統(tǒng)、微機等來實現(xiàn)的。

1.3.2有效密封直徑的測量

現(xiàn)場校驗時閥體不能拆解， 閥門密封直徑數(shù)據(jù)無法進(jìn)行實際測量。通常采用兩種方法。

⑴憑經(jīng)驗曲線查找。現(xiàn)場校驗的安全閥為德國CROSBY閥，通常銘牌標(biāo)注喉徑，在前期準(zhǔn)備工作中對該品牌的多種規(guī)格備用閥或報廢閥通過解體測量密封直徑，建立密封直徑與喉徑關(guān)系曲線。因此，可以利用插入法在曲線上查找相應(yīng)喉徑的密封直徑。

⑵壓差法。利用壓差法確定有效密封直徑，即通過改變系統(tǒng)工作壓力，計算安全閥的整定壓力有效密封直徑。壓差法基本原理如下。

通過Ps = P0 +ΔF/S公式可發(fā)現(xiàn)，P0、S一般是已知的，ΔF可以通過安全閥在線調(diào)校儀測出，這時就可以計算出Ps。假設(shè)我們把S看作未知數(shù)，設(shè)：X=1/S，則Ps = P0 +ΔF/S可變?yōu)椋?

Ps-P0-ΔF·X=0，式中Ps、X為未知數(shù)，P0、ΔF為系數(shù)。為了計算出Ps、X，分別在工作壓力為P01、 P02時在線開啟安全閥，這時外加提升力分別是ΔF1、ΔF2，此時ΔF1、ΔF2 單位是千克，要轉(zhuǎn)換成牛（1Kg=9.8N）。

把以上系數(shù)代入Ps-P0-ΔF·X=0得方程組為：Ps-P01-ΔF1·X=0；Ps-P02-ΔF2·X=0

這時，如果

則可解方程得：X= （P02-P01）/（ΔF1-ΔF2）； Ps=（ΔF1· P02-ΔF2· P01）/（ΔF1-ΔF2）；S=（ΔF1-ΔF2）/（P02-P01）； 再由S=πd2/4得出：d= √4S/π.

這樣，就可以計算出安全閥的有效密封直徑，這種方法適用于系統(tǒng)壓力可變，尤其是系統(tǒng)開車過程中壓力逐漸上升時，具體實施時可讀現(xiàn)場壓力表。

安全閥在線調(diào)校中有效密封直徑的推算法，可避免要預(yù)知有效密封直徑，解決了無有效密封直徑不能在線校驗安全閥的實際問題，提高了在線調(diào)效的工作效率。

1.3.3 判開準(zhǔn)則

安全閥在線調(diào)校裝置的判開準(zhǔn)則是指在施加連續(xù)外力的過程中，判別閥瓣已達(dá)到開啟狀態(tài)的事實依據(jù)。安全閥開啟壓力的科學(xué)定義為“安全閥閥瓣在運行條件下開始升起時的進(jìn)口壓力，在該壓力下，開始有可測量的開啟高度，介質(zhì)可呈現(xiàn)由視覺或聽覺感知的連續(xù)排放狀態(tài)”。實踐表明，對于工業(yè)應(yīng)用，最常用的方法是用聽覺感知安全閥的開啟，即以開始聽到介質(zhì)的連續(xù)排放聲為判開準(zhǔn)則。

校驗裝置采用音頻和位移（觸點）兩種方法，分別代表開啟壓力術(shù)語中聽覺、視覺兩種判開依據(jù)，通過這兩種方法都可以完成對安全閥開啟壓力的測量。

2 安全閥在線校驗的優(yōu)點

（1）在線校驗免去安全閥拆、裝和運輸環(huán)節(jié)，也可以避免安全閥回裝過程中接口發(fā)生泄漏的情況，提高可靠性提高。經(jīng)過多方詢問和嘗試，該廠已經(jīng)建立起來安全閥在線校驗的收單；

（2）對于氧氣介質(zhì)，在線校驗可以免去安全閥校驗后的脫脂去油工作，安全性提高；

（3）在線校驗可在設(shè)備不停機狀態(tài)下運行，不占用生產(chǎn)時間，能夠化解生產(chǎn)與檢驗二者時間上的矛盾，避免了因停機造成的不必要的經(jīng)濟損失。

（4） 雖然在費用方面在線校驗比離線校驗稍高，但考慮包含人工費、運輸費、機械費用和停工損失等，則比在線校驗費用明顯偏低，且閥門越大性價比越高，如8號機粗氬塔安全閥，口徑DN300，在線校驗費用為6190元，如果按離線校驗進(jìn)行，需要用300噸吊車，臺班費加人工費用不少于4萬元。綜合起來看在線校驗可以減少校驗的間接成本。

（5）不受背壓影響，檢測出實際工況條件下安全閥整定壓力值。

3 結(jié)語

制氧機的工藝介質(zhì)多樣如氧氣、液氧、氮氣、液氮及空氣等均是潔凈的，而且制氧機具有適宜的檢測平臺，閥門結(jié)構(gòu)合理，這些是安全閥能否進(jìn)行在線校驗的必要條件。反之，該廠3、4號機沒有適宜的檢測平臺，5號機閥桿不外露，因而無法實現(xiàn)安全閥在線校驗。通過近三年來對本鋼氧氣廠6、7、8號制氧機安全閥在線校驗，結(jié)合歷次檢測結(jié)果的對比，同一位號的安全閥幾次的檢測結(jié)果相差不大，均在誤差許可的3%范圍內(nèi)，在使用周期內(nèi)沒有發(fā)生突跳、泄漏等異常情況，檢測數(shù)據(jù)真實可靠；安全閥的在線校驗在保證安全的前提下為企業(yè)節(jié)省了大量的人力和物力，關(guān)鍵是減少了因設(shè)備停機所造成的經(jīng)濟損失。因此，我們認(rèn)為安全閥在線校驗技術(shù)對制氧機安全閥的應(yīng)用是可行和可靠的。

參考文獻(xiàn)

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[2] GB/T12241-2005，安全閥一般要求[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.