李 岳 溫殿江 宋 晨 姜一昌 張興和

（1.大連理工大學(xué)化工學(xué)院；2.大連理工安全技術(shù)與控制工程研究中心有限公司；3.大連理工安全裝備有限公司）

承壓設(shè)備在運(yùn)行中由于內(nèi)部或外部的原因經(jīng)常存在壓力升高的情況，如果壓力升高超過(guò)了設(shè)備的許用壓力，則稱為超壓。引起設(shè)備內(nèi)部壓力升高的有外部原因和內(nèi)部原因，通常將外部因素引起的設(shè)備超壓，稱為物理超壓過(guò)程［1］；由設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的設(shè)備超壓，稱為化學(xué)超壓過(guò)程。根據(jù)設(shè)備安全設(shè)計(jì)規(guī)定：不管何種原因引起的設(shè)備內(nèi)壓力升高，凡是出現(xiàn)壓力升高可能超過(guò)設(shè)備允許壓力（通常為設(shè)備設(shè)計(jì)壓力或最大允許工作壓力），均需安裝超壓泄放裝置，并根據(jù)壓力升高速度不同，選擇安全閥類或爆破片類泄壓裝置。一般對(duì)于物理超壓過(guò)程，大多升壓速度較慢，可選擇安全閥類泄壓裝置；而對(duì)于化學(xué)超壓過(guò)程，如果發(fā)生可燃?xì)怏w或粉塵類的爆炸超壓，則必須選擇爆破片類泄壓裝置［2］。

1 傳統(tǒng)安全閥的結(jié)構(gòu)與原理

目前安全閥作為超壓泄放裝置，在工程上得到了廣泛應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是：能自動(dòng)打開和關(guān)閉復(fù)位，可重復(fù)使用，保存部分物料。缺點(diǎn)是：容易泄漏，不適合粘性介質(zhì)、顆粒、易結(jié)晶物料和有嚴(yán)重腐蝕的場(chǎng)合；對(duì)于彈簧結(jié)構(gòu)類安全閥，彈簧力隨開啟高度增大，彈簧壓縮大，閥瓣上的力也大，閥不能迅速開啟，對(duì)急速超壓泄壓滯后明顯，不能用于壓力急速升高的場(chǎng)合［3，4］。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前市場(chǎng)上應(yīng)用最多的是直接載荷的彈簧類安全閥，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其特點(diǎn)是：利用彈簧力實(shí)現(xiàn)閥座與閥瓣之間的密封，通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧壓縮量來(lái)調(diào)整安全閥的整定壓力和排放壓力。該結(jié)構(gòu)輕便緊湊，安裝方位不受嚴(yán)格限制，廣泛應(yīng)用在壓力容器上。但長(zhǎng)期高溫或長(zhǎng)時(shí)間使用，彈簧剛度可能減小，密封力減小，閥容易泄漏，開啟壓力降低［5］。

圖1 傳統(tǒng)彈簧直接載荷式安全閥結(jié)構(gòu)

由于彈簧式安全閥的彈簧剛度可能隨時(shí)間而發(fā)生變化，從而影響密封效果和排放壓力，所以國(guó)家規(guī)定對(duì)安全閥進(jìn)行定期校驗(yàn)和檢查。2004年以前的《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》要求：安全閥應(yīng)每年校驗(yàn)。2004年以后發(fā)布的TSGR 7001—2013［6］《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》和TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定：“對(duì)于彈簧直接載荷式安全閥，當(dāng)滿足條件時(shí)，經(jīng)過(guò)使用單位技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)，可以適當(dāng)延長(zhǎng)校驗(yàn)周期”。規(guī)范中給出了校驗(yàn)周期延長(zhǎng)至3年甚至5年的安全閥制造要求，但一些安全閥仍要求每年校驗(yàn)。安全閥的校驗(yàn)方法允許離線校驗(yàn)，也允許在線校驗(yàn)。對(duì)于離線校驗(yàn)，工作量十分巨大，特別是安裝在高塔上的安全閥，需要?jiǎng)佑么笮偷踯嚕ｒ?yàn)成本高、工期長(zhǎng)。目前逐漸采用在線校驗(yàn)方法，工程技術(shù)人員發(fā)明了多種在線校驗(yàn)方法［7～9］，這些方法大幅降低了校驗(yàn)成本，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了校驗(yàn)周期，對(duì)目前已有結(jié)構(gòu)的安全閥是適合的，但仍存在一些問(wèn)題，如檢驗(yàn)人員還需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行較繁瑣的操作，并且檢驗(yàn)時(shí)設(shè)備內(nèi)部壓力的穩(wěn)定性對(duì)整定壓力判斷和檢測(cè)精度存在影響，并且還是間斷周期性檢驗(yàn)，無(wú)法對(duì)安全閥的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和檢驗(yàn)。

彈簧直接載荷式安全閥的動(dòng)作原理為：內(nèi)部介質(zhì)對(duì)閥瓣產(chǎn)生的向上力作用在彈簧上，當(dāng)介質(zhì)對(duì)閥瓣產(chǎn)生的向上力與彈簧產(chǎn)生的向下力相等時(shí)，安全閥閥座上密封比壓為零，安全閥處于開啟與關(guān)閉的臨界狀態(tài)，理論上只要內(nèi)壓再輕微增加一點(diǎn)，安全閥就會(huì)出現(xiàn)連續(xù)泄漏氣泡，則此時(shí)壓力即安全閥整定壓力，所以整定壓力也可認(rèn)為是安全閥處于臨界狀態(tài)時(shí)的壓力；內(nèi)部壓力再增加，安全閥起跳，閥瓣達(dá)到額定高度時(shí)，彈簧受壓縮產(chǎn)生的向下力與內(nèi)部介質(zhì)壓力產(chǎn)生的向上力相等，此時(shí)內(nèi)部壓力為排放壓力。彈簧直接載荷式安全閥，內(nèi)部介質(zhì)產(chǎn)生的向上力都作用在調(diào)節(jié)螺母上。筆者從彈簧直接載荷式調(diào)節(jié)螺母的受力大小決定安全閥的整定壓力和排放壓力出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種通過(guò)力傳感器來(lái)控制和監(jiān)測(cè)安全閥整定壓力的新結(jié)構(gòu)安全閥，對(duì)新結(jié)構(gòu)安全閥通過(guò)力傳感器來(lái)控制和監(jiān)測(cè)安全閥的整定壓力和排放壓力方法進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲得了滿意結(jié)果，該研究結(jié)果申請(qǐng)了發(fā)明專利［10］。

2 新安全閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于是彈簧力通過(guò)閥瓣壓緊在閥座上實(shí)現(xiàn)密封，當(dāng)設(shè)備內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的向上力等于彈簧產(chǎn)生的向下力時(shí)，安全閥開啟，所以理論上對(duì)整定壓力一定的安全閥，其彈簧力是恒定的，而彈簧力又全作用在調(diào)節(jié)螺母上（圖1）。本設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)螺母端部與力傳感器接觸，這樣使彈簧力傳遞到力傳感器上，由力傳感器監(jiān)測(cè)彈簧力的大小，即可監(jiān)測(cè)安全閥的整定壓力，新安全閥的結(jié)構(gòu)如圖2所示。與傳統(tǒng)安全閥結(jié)構(gòu)相比，新安全閥結(jié)構(gòu)的改變主要是：安全閥上閥體結(jié)構(gòu)改變，將原調(diào)節(jié)螺母改為一端不通的中空結(jié)構(gòu)，便于閥桿在調(diào)節(jié)套中運(yùn)動(dòng)，不通的一端與力傳感器接觸；另設(shè)計(jì)與上閥體端部螺紋連接的新型調(diào)節(jié)螺母，方便對(duì)彈簧進(jìn)行壓緊與松開，調(diào)節(jié)安全閥的開啟壓力，調(diào)節(jié)套、力傳感器和鎖緊螺母安裝在新結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)螺母內(nèi)。新安全閥調(diào)試方法為：根據(jù)整定壓力和閥瓣密封面尺寸，預(yù)先計(jì)算彈簧密封壓緊力，通過(guò)調(diào)節(jié)螺母壓緊彈簧，使力傳感器顯示讀數(shù)與計(jì)算值相等；對(duì)安全閥進(jìn)行整定壓力和排放壓力調(diào)試，根據(jù)試驗(yàn)的開啟壓力對(duì)調(diào)節(jié)螺母進(jìn)行輕微調(diào)節(jié)，得到穩(wěn)定的整定壓力和排放壓力及兩者對(duì)應(yīng)的力傳感器顯示值，完成安全閥的壓力校驗(yàn)。新安全閥實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或定期校驗(yàn)方法為：安全閥現(xiàn)場(chǎng)安裝后，連接力傳感器顯示儀表，即可監(jiān)測(cè)力值是否改變，如果沒(méi)有改變，則可認(rèn)為安全閥整定壓力未改變；安全閥使用后，可與力的顯示儀表長(zhǎng)期連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)彈簧力變化，也可定期監(jiān)測(cè)彈簧力是否改變，由此判斷整定壓力是否改變，如果改變，則通過(guò)調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)力傳感器顯示值，使之與安全閥整定壓力所對(duì)應(yīng)的力值相等。

圖2 新安全閥結(jié)構(gòu)

新安全閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也考慮了對(duì)力傳感器的方便更換，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：在上閥體頂部對(duì)稱設(shè)置4個(gè)M10mm左右的螺紋孔，當(dāng)需要更換力傳感器時(shí)，對(duì)稱擰入4個(gè)螺栓與彈簧座接觸，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈簧座的支撐，逐漸加大扭矩，當(dāng)力傳感器顯示力的值為零時(shí)，松開傳感器鎖緊螺母，取出傳感器進(jìn)行校驗(yàn)或更換新的傳感器；將校驗(yàn)過(guò)的力傳感器原位裝入，輕輕擰緊傳感器的鎖緊螺母，然后對(duì)稱松開彈簧座的支撐螺栓，使彈簧力完全作用到傳感器上，檢驗(yàn)傳感器顯示值是否與整定壓力對(duì)應(yīng)的受力值相等，如果不等，則通過(guò)調(diào)節(jié)螺母壓緊或松開彈簧，保證力傳感器顯示值與整定壓力所對(duì)應(yīng)的力值相等。

3 新安全閥在線校驗(yàn)與監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)用安全閥型號(hào)為A42-25C，入口公稱直徑DN40mm，出口DN50mm，安全閥的喉徑為27mm，閥座密封面直徑32mm，試驗(yàn)用彈簧特征參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用彈簧特征參數(shù)

試驗(yàn)內(nèi)容如下：

a.試驗(yàn)一，在設(shè)定排放壓力下，力傳感器的顯示值與計(jì)算值的比較試驗(yàn)；

b.試驗(yàn)二，安全閥多次動(dòng)作所測(cè)的力傳感器顯示值變化對(duì)比研究；

c.試驗(yàn)三，力傳感器顯示值的重復(fù)性試驗(yàn)。3.1 試驗(yàn)一

試驗(yàn)研究了在設(shè)定排放壓力下，力傳感器顯示值與由排放壓力和受壓面積計(jì)算得到的向上力的比較（表2）。

表2 力傳感器顯示值與由排放壓力和受壓面積計(jì)算得到的向上力的對(duì)比

表1顯示在設(shè)定排放壓力下，力傳感器的測(cè)量值與計(jì)算得到的向上力值基本吻合，計(jì)算值略小于實(shí)測(cè)值，這與理論分析相符，因?yàn)榻橘|(zhì)利用反沖盤對(duì)彈簧產(chǎn)生的壓縮力 （即力傳感器顯示值）一定大于介質(zhì)壓力對(duì)閥瓣的作用力，這樣安全閥才能實(shí)現(xiàn)全開啟泄放。

介質(zhì)對(duì)閥瓣產(chǎn)生的向上力F的計(jì)算方法為：

式中d——閥瓣密封面內(nèi)徑，mm；

p——試驗(yàn)容器內(nèi)壓力，MPa。

安全閥開啟壓力測(cè)量需要精確地判斷氣泡連續(xù)泄漏，在試驗(yàn)中直接測(cè)量排放壓力，即安全閥全開啟壓力。

3.2 試驗(yàn)二

本試驗(yàn)研究了兩種絲徑安全閥在不同排放壓力下經(jīng)過(guò)5次起跳，力傳感器的顯示值 （表3、4）。

表3 7mm絲徑安全閥兩種排放壓力下5次起跳的力傳感器顯示值

表4 8mm絲徑安全閥兩種排放壓力下5次起跳的力傳感器顯示值

由表3、4可知，相同排放壓力下力傳感器顯示值偏差極小，測(cè)得的力值非常穩(wěn)定，一旦試驗(yàn)中確定了安全閥排放壓力所對(duì)應(yīng)的力傳感器顯示值，則該值基本恒定，可以作為安全閥排放壓力的校正標(biāo)準(zhǔn)值。

3.3 試驗(yàn)三

在一定排放壓力下，通過(guò)調(diào)節(jié)螺母對(duì)彈簧壓縮一定量，獲得排放壓力和力傳感器顯示值，然后再恢復(fù)到原來(lái)的壓縮量，測(cè)量此時(shí)力傳感器顯

示值和排放壓力，試驗(yàn)重復(fù)了3次，結(jié)果見(jiàn)表5。本試驗(yàn)顯示對(duì)彈簧反復(fù)壓縮松開相同量，力傳感器顯示值與試驗(yàn)得到的排放壓力有很好的重復(fù)性。

表5 彈簧壓緊與松開后力傳感器顯示值重復(fù)性對(duì)比

4 結(jié)論

4.1 提出的適合在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和校驗(yàn)的新安全閥結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在保持安全閥總體結(jié)構(gòu)不變的情況下，通過(guò)對(duì)上閥體、調(diào)節(jié)螺母等部件的輕微改變，安裝了力傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)安全閥彈簧力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而對(duì)安全閥的開啟壓力或排放壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該方法操作方便、簡(jiǎn)單，特別適合在重要、潔凈場(chǎng)合對(duì)安全閥的監(jiān)測(cè)和校驗(yàn)。

4.2 通過(guò)對(duì)新安全閥的不同試驗(yàn)表明，采用力傳感器對(duì)安全閥排放壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在排放壓力相同的情況下，各次試驗(yàn)所得力傳感器測(cè)量值基本相同，偏差很小，并且測(cè)量值重復(fù)性很好，與理論計(jì)算值基本一致。