孫 緒

（中國(guó)石油錦西石化公司，遼寧葫蘆島 125000）

0 引言

安全閥是一種不借助任何外力只利用容器或管道內(nèi)部介質(zhì)壓力而排出一定量的氣體或液體、以防止系統(tǒng)內(nèi)部壓力超過(guò)容器或管道設(shè)計(jì)壓力的自動(dòng)閥門，是煉油化工裝置如鍋爐汽包、壓力容器、壓力管道等設(shè)備中的重要安全附件。這種閥門必須在投用前進(jìn)行整定壓力效驗(yàn)合格后才可以安裝使用，保障壓力容器、管道等特種設(shè)備的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行，其中蒸汽安全閥是煉油廠中使用廣泛的閥門。根據(jù)《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》對(duì)鍋爐蒸汽系統(tǒng)的安全閥的規(guī)定，將全啟式彈簧安全閥、杠桿式和控制式安全閥作為優(yōu)先選用的閥門，在石油化工蒸汽系統(tǒng)中全啟式彈簧安全閥使用較為廣泛。這種安全閥由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)優(yōu)良，在蒸汽系統(tǒng)中有著較高的可靠性和安全性。但同時(shí)也是由于其彈簧和閥瓣這種組合密封系統(tǒng)的特點(diǎn)，在中高壓蒸汽系統(tǒng)中由于溫度和內(nèi)部介質(zhì)的影響，經(jīng)常出現(xiàn)閥門密封泄漏的故障，蒸汽的溫度和壓力越高泄漏發(fā)生的故障頻次也越高，這導(dǎo)致全啟式彈簧安全閥在高溫和高壓蒸汽系統(tǒng)中有著較高的故障率。

1 蒸汽系統(tǒng)安全閥泄漏背景

某煉油化工裝置蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)有一蒸汽平衡罐，主要負(fù)責(zé)將熱電公司進(jìn)廠蒸汽與重催中壓蒸汽收集進(jìn)平衡罐再次分配到一加氫、二加氫、烷基化和減溫減壓器等用氣生產(chǎn)裝置，起到平衡全廠中壓蒸汽系統(tǒng)的作用，其頂部原始設(shè)計(jì)有2 個(gè)全啟式彈簧安全閥PSV401/1 及PSV401/2，與蒸汽平衡罐同時(shí)投用（型號(hào)為A48SH-64I/100），原始設(shè)計(jì)整定壓力為3.75 MPa。2012 年安全閥投用后多次發(fā)生安全閥未達(dá)到整定壓力而意外起跳狀況，后經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)原始整定壓力的給定數(shù)值沒(méi)有考慮到蒸汽系統(tǒng)的高溫環(huán)境對(duì)安全閥彈簧的影響，沒(méi)有對(duì)整定壓力進(jìn)行高溫修正。通過(guò)設(shè)計(jì)部門的再次核算，將整定壓力在不超過(guò)容器設(shè)計(jì)壓力基礎(chǔ)上調(diào)整為3.85 MPa，之后安裝至今未發(fā)生過(guò)因蒸汽壓力波動(dòng)意外起跳泄漏狀況。但是由于前幾次安全閥起跳后沒(méi)能迅速自動(dòng)復(fù)位，仍有少了量蒸汽從安全閥出口消音器泄漏。經(jīng)過(guò)安全閥拆解后發(fā)現(xiàn)，閥體密封面存在壓痕及磨損，經(jīng)過(guò)車削并研磨后回裝，發(fā)現(xiàn)閥門出口管線淚孔中經(jīng)常有冷凝水滴出，經(jīng)判斷為安全閥內(nèi)漏。且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，泄漏情況還有不斷惡化趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)多次拆解、檢修、效驗(yàn)仍然無(wú)法將此內(nèi)漏完全處理，冬季閥門出口淚孔下部經(jīng)常冰柱如山。

同時(shí)在蒸汽平衡罐后與減溫減壓器相連，減溫減壓器主要作用是平衡中壓蒸汽壓力，在中壓蒸汽系統(tǒng)壓力高時(shí)通過(guò)減溫減壓后將多余蒸汽送入1.0 MPa 低壓蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)，在減溫減壓器出口有兩臺(tái)彈簧式安全閥分別為PSV402/1 及PSV402/2，保證減溫減壓器安全的將蒸汽送入低壓系統(tǒng)。由于原始設(shè)計(jì)安全閥型號(hào)為A48H-25/150，彈簧與閥座間無(wú)散熱器，自2013 年10 月投用后，多次因?yàn)闇p溫減壓器運(yùn)行狀況不穩(wěn)定造成安全閥內(nèi)部蒸汽溫度波動(dòng)，安全閥彈簧受到高溫影響，閥門密封壓力下降，致使安全閥泄漏，閥門出口淚孔漏氣滴水。發(fā)現(xiàn)這種狀況后經(jīng)過(guò)與廠家及設(shè)計(jì)單位溝通，于2017年3 月將此安全閥更新為A48SH-25I 形式。并在彈簧與閥體之間還加裝散熱器結(jié)構(gòu)，運(yùn)行至今狀況良好，未發(fā)生蒸汽泄漏情況。

2 安全閥泄漏原因分析

蒸汽系統(tǒng)安全閥泄漏有多種原因。一般情況下存在由于蒸汽系統(tǒng)壓力過(guò)高導(dǎo)致安全閥起跳泄漏以及安全閥使用一段時(shí)間后莫名其妙出現(xiàn)滴水、冒氣泄漏的情況，但是這些泄漏的安全閥送至定壓機(jī)構(gòu)在定壓中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯泄漏，而回裝到工位后又發(fā)生泄漏，泄漏程度輕時(shí)滴水、嚴(yán)重時(shí)冒汽。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)安全閥安裝位置以及內(nèi)部介質(zhì)的情況不盡相同，安全閥的整定壓力選取以及在檢修時(shí)的整定壓力的調(diào)試和密封面的修理方法受多種因素影響，造成安全閥泄漏的原因多種多樣。

2.1 安全閥附屬管線結(jié)構(gòu)對(duì)泄漏的影響

在蒸氣系統(tǒng)中，安全閥的連接方式通常為入口與容器或管道分支法蘭相連，安全閥出口與管線和消音器相連。在安全閥安裝過(guò)程中，由于施工質(zhì)量原因造成管線焊接應(yīng)力沒(méi)有及時(shí)消除導(dǎo)致出入口管線對(duì)安全閥產(chǎn)生應(yīng)力；或者由于設(shè)計(jì)原因，沒(méi)有考慮高溫蒸汽對(duì)安全閥及附屬管線造成熱膨脹，管線內(nèi)通入蒸汽后熱應(yīng)力沒(méi)能得到消除傳導(dǎo)至安全閥體。這兩種應(yīng)力通過(guò)出入口法蘭傳導(dǎo)至閥門密封系統(tǒng)和彈簧及導(dǎo)向系統(tǒng)，造成閥門整定壓力和密封壓力發(fā)生變化，造成安全閥泄漏。

2.2 安全閥的起跳對(duì)泄漏的影響

蒸汽系統(tǒng)安全閥主要作用是保護(hù)鍋爐、壓力容器等設(shè)備不超壓，但是由于生產(chǎn)原因或者安全閥整定壓力選取過(guò)低，偶爾會(huì)造成安全閥超壓起跳，雖然蒸汽超壓造成安全閥起跳概率較低，但是一旦發(fā)生起跳后多數(shù)會(huì)造成閥瓣不能及時(shí)回座引起安全閥泄漏，主要原因有兩個(gè)。

（1）安全閥在長(zhǎng)期運(yùn)行中，由于在生產(chǎn)蒸汽的水中存在鹽類結(jié)晶物或蒸汽管線內(nèi)壁的鐵銹等無(wú)法隨蒸汽排出，在安全閥密封面附著，導(dǎo)致閥瓣無(wú)法回座到閥瓣上造成泄漏。

（2）安全閥在多年運(yùn)行中，由于室外環(huán)境影響造成導(dǎo)向套等運(yùn)動(dòng)零件與靜止零件之間產(chǎn)生銹蝕，導(dǎo)致安全閥起跳后回座過(guò)程中動(dòng)靜部件出現(xiàn)卡澀或偏移，使閥瓣無(wú)法正確回到閥座上，造成密封面偏移錯(cuò)位引起安全閥泄漏。

2.3 安全閥結(jié)構(gòu)及效驗(yàn)方式對(duì)泄漏的影響

蒸氣系統(tǒng)中的安全閥，由于閥門入口直接與蒸汽相接觸，入口管線的蒸汽溫度通過(guò)閥座與閥瓣直接傳導(dǎo)至閥桿和彈簧處，如果閥門結(jié)構(gòu)選型或材質(zhì)選擇錯(cuò)誤導(dǎo)致閥體散熱能力不足，都會(huì)導(dǎo)致彈簧溫升過(guò)高，影響彈簧的剪切模量，致使彈簧對(duì)閥瓣的作用力不足，引起安全閥整定壓力發(fā)生變化。熱網(wǎng)裝置減溫減壓器安全閥更新前后對(duì)比見表1（環(huán)境溫度為31）。

表1 現(xiàn)場(chǎng)安全閥外壁檢測(cè)結(jié)果

蒸汽溫度相同而安全閥結(jié)構(gòu)形式不同，導(dǎo)致彈簧受熱溫度不同，其中新安裝有散熱器結(jié)構(gòu)的安全閥彈簧溫度相對(duì)較低，原來(lái)無(wú)散熱器結(jié)構(gòu)的安全閥彈簧溫度較高。

查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》2016 年3 月第六版，當(dāng)工作溫度超過(guò)60時(shí)，應(yīng)對(duì)彈簧的剪切模量進(jìn)行修正（表2）。

表2 不同工作溫度對(duì)彈簧剪切模量的影響

因此，在蒸汽系統(tǒng)中全啟式彈簧安全閥應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)彈簧剪切模量進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)修正，從而修正蒸汽安全閥的整定壓力，保證整定壓力的準(zhǔn)確性。

按照《彈簧直接載荷式安全閥》（GB/T 12243—2005）規(guī)定，蒸汽系統(tǒng)用安全閥應(yīng)采用飽和蒸汽作為校驗(yàn)介質(zhì)，以達(dá)到校驗(yàn)環(huán)境與工作環(huán)境的接近溫度，但目前大部分效驗(yàn)機(jī)構(gòu)沒(méi)有把飽和蒸汽作為效驗(yàn)介質(zhì)的條件，多數(shù)還是采用壓縮空氣或氮?dú)庾鳛樾?yàn)介質(zhì)來(lái)進(jìn)行安全閥的整定壓力的調(diào)試，但是這種效驗(yàn)方式勢(shì)必會(huì)對(duì)蒸汽安全閥整定壓力產(chǎn)生誤差。

通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外多篇相關(guān)資料，蒸汽安全閥內(nèi)部介質(zhì)實(shí)際溫度越高，冷態(tài)效驗(yàn)造成的誤差越大。根據(jù)國(guó)外安全閥制造商試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，因?yàn)榘踩y屬于非標(biāo)設(shè)備，制造安全閥的供應(yīng)商又沒(méi)有形成行業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，因此造成購(gòu)買的安全閥幾何尺寸和材質(zhì)處理都不盡相同，只有同一制造廠對(duì)同一種型號(hào)規(guī)格安全閥進(jìn)行大量的高溫試驗(yàn)比較后，才能對(duì)該廠該型號(hào)規(guī)格提出經(jīng)驗(yàn)參考修正數(shù)據(jù)，用于冷態(tài)校驗(yàn)修正。但目前國(guó)內(nèi)安全閥生產(chǎn)、校驗(yàn)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)均沒(méi)有給出比較準(zhǔn)確的修正系數(shù)，從而使蒸汽安全閥冷態(tài)校驗(yàn)合格但是安裝到工況位置就會(huì)發(fā)生泄漏。

2.4 檢修對(duì)蒸汽安全閥泄漏的影響

在蒸汽安全閥泄漏后需要送至檢定單位進(jìn)行修理，在閥門修理的過(guò)程中，一般首先需要將閥門安裝到試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行首次打壓，確定安全閥整定壓力變化情況和閥門泄漏狀況，如只是輕微臟物附著密封面可采取快速充壓使安全閥連續(xù)起跳方式通過(guò)爆破氣流將臟物吹出，如此法無(wú)效則可能是密封面損傷造成泄漏則需將安全閥拆解進(jìn)行檢查、清理和密封面的研磨，在這些工序中最主要就是閥門密封面的研磨工作。一般在檢定單位，如果密封面損傷不是很嚴(yán)重，經(jīng)常采取使用專用工具蘸取研磨膏進(jìn)行手工研磨，這種修理方式則需要技術(shù)人員多年的經(jīng)驗(yàn)累積和手法的掌控，研磨精度受個(gè)人技術(shù)水平的影響較大。因?yàn)殚y門密封面的研磨質(zhì)量決定了安全閥投用后的密封性能和整定壓力的精確度，因此手工研磨極大影響了密封面之間的粗糙度和平整度，增加了安全閥投用后泄漏的可能性。

3 建議

（1）建議在安全閥檢定修理時(shí)，效驗(yàn)人員與使用單位人員共同對(duì)安全閥泄漏原因進(jìn)行分析，確定泄漏原因是閥門本體問(wèn)題還是安全閥附屬管線結(jié)構(gòu)影響，從根本上解決泄漏問(wèn)題。

（2）建議中高壓蒸汽系統(tǒng)在安全閥選用時(shí)盡量選取帶散熱器式結(jié)構(gòu)的安全閥，或采用耐高溫優(yōu)質(zhì)彈簧，盡量減少介質(zhì)溫度對(duì)彈簧的影響，保證安全閥的整定壓力和密封壓力。

（3）冷態(tài)效驗(yàn)影響蒸汽系統(tǒng)安全閥整定壓力和密封壓力，建議在安全閥效驗(yàn)中，盡量采用飽和蒸汽作為效驗(yàn)介質(zhì)，避免溫度對(duì)整定壓力的影響。如擔(dān)心在線校驗(yàn)對(duì)蒸汽系統(tǒng)壓力造成波動(dòng)或者蒸汽系統(tǒng)能源浪費(fèi)也可以選擇“冷態(tài)垣熱態(tài)”結(jié)合的校驗(yàn)方式，對(duì)需要效驗(yàn)的安全閥，在冷態(tài)效驗(yàn)時(shí)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)初調(diào)整定壓力，然后在運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行升壓實(shí)跳復(fù)驗(yàn)，減小能源消耗和工作危險(xiǎn)性。

（4）在安全閥檢修中，密封面研磨這種重要工序建議增加自動(dòng)化設(shè)備，采用機(jī)械研磨方式，提高安全閥閥瓣和閥座的研磨專業(yè)化水平，提高密封面結(jié)合精度。