周楊飛，封小亮，王熾浩，馬 柯，李星雨

(廣州特種承壓設備檢測研究院，廣州 510663)

0 引言

安全閥是承壓類特種設備(鍋爐、壓力容器、壓力管道等)上最重要的安全保護裝置，廣泛應用于石油化工、電廠、燃氣、危險化學品等企業(yè)[1]。當特種設備內部介質壓力超過安全閥開啟壓力時，安全閥會自動開啟排放介質釋放壓力，當設備內部壓力降低到安全值時，安全閥又會自動關閉，防止介質泄漏，因此安全閥被稱為特種設備的“最后一道防火墻”。由于安全閥的極端重要性，根據(jù)TSG ZF001—2006《安全閥安全技術監(jiān)察規(guī)程》等相關法規(guī)規(guī)程的要求，安全閥每年至少要校驗一次，其中最重要的檢驗項目是整定壓力校驗，即通過調整安全閥的彈簧預緊力來調整安全閥的開啟壓力值，得到精確的安全閥整定壓力值，確保安全閥能準確開啟釋放壓力，防止發(fā)生特種設備爆炸等事故。

安全閥校驗主要包括離線校驗和在線校驗。安全閥離線校驗技術需要將安全閥從被保護設備上拆下后，在專用校驗臺上進行校驗，安全閥離線校驗存在著多種弊端，包括：在安全閥校驗期間，被保護設備和裝置需要停車停產(chǎn)影響生產(chǎn)、安全閥搬運過程容易導致其整定壓力發(fā)生變化、離線校驗為冷態(tài)校驗，未考慮溫度因素對其整定壓力的影響等問題[2]。因此，近幾年國內外各安全閥校驗機構和設備廠商都在大力研發(fā)安全閥在線校驗方法和裝置[3-6]，即在不拆卸安全閥的情況下在線進行安全閥的整定壓力校驗。在線校驗安全閥時，由于裝置不須停車，有效地保證了生產(chǎn)連續(xù)性和運行安全，目前廣泛使用的是采用在線校驗儀輔助開啟安全閥的方式進行安全閥在線校驗。

安全閥在線校驗的基本原理如下：當安全閥在被保護設備上，校驗人員將提升裝置接在安全閥閥桿上，通過油泵或手動加壓的方式施加外部提升力，在外部提升力和介質初始壓力的共同作用下，抵抗施加在閥瓣上的彈簧預緊力，當兩者的力互相抵消時，即閥瓣和閥座的密封應力為零時，閥瓣脫離閥座，檢測到此時外部提升力值，通過安全閥密封面中徑有效面積，換算出安全閥開啟瞬間的整定壓力值。

安全閥整定壓力值是整個在線校驗中的最關鍵指標，國內外相關檢驗機構也陸續(xù)開展了影響整定壓力的相關試驗研究，其主要研究內容圍繞安全閥開啟判定方式等對整定壓力精度影響問題[7-17]，而在其他方面的研究較少。但在實際檢測中，在線校驗整定壓力值受到多種參數(shù)的影響，包括：安全閥密封面中徑有效面積、安全閥初始壓力值、安全閥外加提升力的大小和提升速度、油泵加壓方式和加壓速度等，導致安全閥整定壓力檢測精度偏低，因此，很有必要開展多種因素對安全閥整定壓力的影響規(guī)律研究，實現(xiàn)快速、準確判定安全閥在線校驗整定壓力的目標。

1 安全閥在線校驗原理

為了方便理解安全閥在線校驗的原理，采用簡化圖示的方法進行描述(見圖1)，一開始安全閥處于關閉狀態(tài)且正常運行，安全閥受到向下作用于閥瓣的彈簧預緊力Fd，其一部分用來抵抗介質給閥瓣的作用力P0S；另一部分轉化為安全閥密封面之間的相互壓緊力f，該力足以保持安全閥呈密封狀態(tài)(見圖1(a))，具體公式如下：

圖1 安全閥在線校驗原理示意

Fd=P0S+f

(1)

式中，F(xiàn)d為彈簧預緊力，MPa；P0為安全閥入口壓力，MPa；S為介質作用在閥瓣上的有效面積，m2；f為閥門密封面之間的相互壓緊力，MPa。

隨著設備內部介質壓力的提高，密封件間的相互壓緊力亦隨之減少，當介質壓力達到開啟壓力Ps時，相互壓緊力f=0，安全閥開啟(見圖1(b))，則得到下式：

Fd=PsS

(2)

式中，Ps為安全閥開啟壓力，MPa。

從外部作用給安全閥閥瓣一個向上的提升力ΔF，則除抵抗介質作用力與密封件間產(chǎn)生的相互壓緊力外，彈簧預緊力還需克服該附加拉力(見圖1(c))；隨著提升力的增加，密封件間的相互壓緊力將逐漸減小，當壓緊力等于零時，安全閥密封完全喪失而達到開啟狀態(tài)，此時介質作用力與提升力之和剛好克服彈簧預緊力，這時外部提升力達到最大為ΔFmax(見圖1(d))，得到下式：

Fd=P0S+ΔFmax

(3)

式中，ΔFmax為最大提升力，MPa。

顯然在式(2)和式(3)中，作用在閥瓣上的彈簧預緊力Fd=常數(shù)，則可以得出：

PsS=P0S+ΔFmax

(4)

將式(4)兩邊同時除以S，得到安全閥在線校驗整定壓力值的基本公式如下：

(5)

2 試驗過程和數(shù)據(jù)分析

從式(5)可知，安全閥整定壓力受到設備初始壓力P0、外部提升力ΔF和安全閥密封面積S的共同影響，為研究其各自的影響規(guī)律，分別對三個不同參數(shù)情況進行對比試驗。

2.1 油泵加壓速度和安全閥密封面積對在線校驗整定壓力值的影響

2.1.1 試驗設備和方法

試驗采用某研究所ZYJ系列在線安全閥在線校驗裝置，如圖2、圖3所示。該裝置的測量范圍為0～50 kN，裝置系統(tǒng)的測量準確度為1%FS，被測安全閥通徑適用范圍為DN16～DN400，壓力適用范圍為0.3～35 MPa。

圖2 安全閥在線校驗曲線

圖3 安全閥在線校驗檢測裝置操作界面

被測安全閥為彈簧式安全閥，型號為A48-16C，包含DN40,DN50,DN65,DN80四個不同通徑規(guī)格，該安全閥具體參數(shù)見表1。油泵總共有5個速度檔位，通過調節(jié)油泵檔位來調整液壓升壓速度，觀察油泵加壓速度對試驗值的影響；安全閥開啟判定方式采用壓力拐點法。

表1 油泵加壓速度和安全閥密封面積對整定壓力影響的相關參數(shù)及試驗結果

2.1.2 試驗過程

首先對每種規(guī)格的安全閥均進行3次連續(xù)的離線校驗(見圖4)，得到安全閥整定壓力真實值。為了分析油泵對在線校驗整定壓力值的影響，設置試驗初始壓力為0 MPa，在每個油泵檔位下進行安全閥在線校驗整定壓力試驗(見圖5)，得到3次連續(xù)的整定壓力試驗值。

圖4 安全閥離線校驗試驗現(xiàn)場

圖5 安全閥在線校驗試驗現(xiàn)場

2.1.3 數(shù)據(jù)分析

通過試驗得到每種安全閥的整定壓力真實值、安全閥密封面中徑有效面積和5種油泵檔位下安全閥在線校驗整定壓力試驗值，具體數(shù)據(jù)如表1和圖6所示。

圖6 油泵加壓速度與試驗壓力標準差關系

由圖6可以看出，在油泵低檔位狀態(tài)下(6檔及以下)，安全閥在線校驗整定壓力試驗值穩(wěn)定性較好，隨著油泵速度的提高，部分數(shù)值離散化程度明顯加劇。分析其原因為：油泵速度的變化程度代表著外加提升力提升速度的變化程度，即 ΔF/t，當外部提升速度較低時，儀器對于外部提升力的捕捉會更加準確，因此安全閥整定壓力值更加接近，數(shù)值穩(wěn)定性較好；反之，當外部提升速度較高時，儀器對于外部提升力的捕捉會更加困難，容易導致人為通過拐點法判定帶來的誤差，造成多次檢測的結果重復性差等問題。

考慮到油泵速度的變化對安全閥在線校驗整定壓力值離散程度的影響，因此，在實際操作中，應采用低油泵速度緩慢升壓來施加安全閥外部提升力，確保在線校驗整定壓力值的良好重復性。

圖7示出油泵加壓速度與在線校驗整定壓力相對誤差的關系?？梢钥闯觯S著安全閥密封面中徑有效面積的增大，安全閥在線校驗整定壓力值的相對誤差值整體呈增大趨勢，且均為負偏差。分析其原因為：相對誤差是反映測量可信度的參數(shù)，說明隨著安全閥密封面有效面積的增大，其整定壓力值的可信度越低，且存在負偏差。因此，當校驗有效密封面積較大的安全閥時，應考慮其負偏差。

圖7 油泵加壓速度與在線校驗整定壓力相對誤差的關系

2.2 設備初始壓力對安全閥在線校驗整定壓力值的影響

為了分析設備初始壓力安全閥在線校驗整定壓力值的影響，分別采用額定壓力占比為0%，10%～90%的初始壓力，觀察設備初始壓力對整定壓力試驗值的影響情況，整定壓力的開啟判定方法采用壓力拐點法。

2.2.1 試驗過程

首先對每種規(guī)格的安全閥都進行3次連續(xù)的離線校驗，得到安全閥整定壓力真實值。為了分析設備初始壓力對整定壓力值的影響情況，分別取設備初始壓力為額定壓力的0%，10%～90%，得到3次連續(xù)的設備初始壓力值和外部提升力值。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

通過試驗得到每種安全閥的整定壓力真實值，以及設備初始壓力為額定壓力的0%，10%～90%情況下的油泵外部提升力值，具體試驗結果如表2和圖8所示。

表2 設備初始壓力對整定壓力影響的試驗結果

圖8 設備初始壓力與整定壓力試驗值的關系

根據(jù)圖8所示，4種規(guī)格的安全閥都呈現(xiàn)以下規(guī)律：開始時，安全閥在線校驗整定壓力試驗值低于整定壓力真實值；隨著設備初始壓力的提高，安全閥在線校驗整定壓力試驗值越來越接近真實值，當達到40%～50%的額定壓力之后，試驗值與真實值非常接近，而達到70%時，試驗值和真實值幾乎相同。

其原因為：設備初始壓力與外部提升力之間呈反比關系，因此，隨著設備初始壓力占比的提高，對應的外部提升力占比越來越小。由于在線校驗儀存在設備系統(tǒng)誤差、試驗誤差等因素，因此提升力占比越小，則整定壓力的試驗值精度越高，在線校驗整定壓力值越準確。此結果與文獻[18]提出的“安全閥入口壓力P0越接近整定壓力P整定，安全閥結構尺寸對整定壓力誤差的影響越小”相互印證，見下式：

(6)

式中，μB(S)為有效密封面積的B類標準不確定度，MPa；F為安全閥外部提升力，MPa；b為密封面寬度，mm；d為密封面中徑，mm；P整定為安全閥整定壓力，MPa。

考慮到在線校驗儀設備系統(tǒng)誤差、試驗誤差等因素對安全閥在線校驗整定壓力值的影響，為減少在線校驗整定壓力偏差，要確保有足夠的設備初始壓力，而當設備初始壓力達到70%及以上，整定壓力的實測值與真實值最接近，同時該結果也能滿足國家電力標準DL/T 959—2020《電站鍋爐安全閥技術規(guī)程》第8.4.4條中規(guī)定“安全閥應使用安全閥在線定壓儀進行校驗調整。校驗調整可以在機組啟動或帶負荷運行的過程中(宜在75%～80%額定壓力下)進行”的要求。而且根據(jù)試驗結果，甚至在額定壓力的40%～50%的情況下，其整定壓力的試驗值的精確度也較高，這樣為特殊情況(當設備初始壓力達不到標準規(guī)定的75%～80%額定壓力)下進行在線校驗時的結果精確度提供了一定的技術參考。

圖9示出設備初始壓力與整定壓力試驗值相對誤差的關系?？梢钥闯?，4種規(guī)格的安全閥都出現(xiàn)以下兩種情況：(1)隨著設備初始壓力的提高，安全閥在線校驗整定壓力試驗值相對誤差越來越小，試驗值的可信度越來越高，該情況與公式(6)相互印證；(2)在較低設備初始壓力(低于20%)的情況下，隨著安全閥密封面中徑有效面積的增大，安全閥在線校驗整定壓力值的相對誤差值也隨之增大，且均為負偏差。該結果與圖7的情況也基本相符。

圖9 設備初始壓力與整定壓力試驗值相對誤差的關系

3 結論

本文對多種因素對安全閥在線校驗整定壓力值的影響規(guī)律進行研究，包括給定出不同的安全閥密封面中徑有效面積、安全閥初始壓力值、安全閥油泵外加提升力、提升速度等，對上述試驗結果進行分析，得出如下結論。

(1)隨著油泵速度的提高，安全閥在線校驗整定壓力數(shù)值慢慢趨于離散化，因此，在實際校驗中，應采用低油泵速度緩慢升壓，來施加安全閥外部提升力，確保在線校驗整定壓力值的良好重復性。

(2)不同油泵速度下的安全閥整定壓力試驗值無明顯變化，整定壓力值受油泵速度的影響很小，整定壓力值與外部提升力的大小有關，而與提升速度程度無明顯關系。

(3)隨著設備初始壓力的提高，安全閥在線校驗整定壓力試驗值越來越接近真實值，當初始壓力達到額定壓力的40%～50%之后，整定壓力試驗值與真實值非常接近，而達到70%時，整定壓力的試驗值和真實值幾乎相同，試驗結果滿足DL/T 959—2020的相關規(guī)定，同時也為特殊情況(當設備初始壓力達不到標準規(guī)定的75%～80%額定壓力)下進行在線校驗時的結果精確度提供一定的技術參考。