鄭志雄（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院泉州分院,福建 泉州 362000）

安全閥在線校驗儀的應用和校驗技術的拓展

鄭志雄
（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院泉州分院,福建 泉州 362000）

摘 要：安全閥:一種自動閥門，它不借助于任何外力而利用介質本身的力來排出一額定數(shù)量的流體，以防止壓力超過額定的安全值。當壓力恢復正常后，閥門再行關閉并阻止介質繼續(xù)流出[1]。離線校驗、在線實跳校驗都真實反映出自動起跳的全過程，而借助于在線校驗儀的起跳過程卻是一種被動的開啟。采用在線校驗儀的關健在于密封直徑如何測取，假如無法準確測算，這種校驗方法根本無法進行，這一問題長期困擾業(yè)內(nèi)人士，筆者長期從事安全閥校驗工作，從專業(yè)的角度與客觀、公正、實事求是的態(tài)度，分析、論述在線校驗技術存在的問題及實際應用，以便更好地為安全閥的校驗工作查找、探索出更為合理有效的檢測途徑和實施方法。

關鍵詞：整定壓力；密封壓力；密封直徑；頻跳；顫振；卡阻

安全閥作為鍋爐、壓力容器、壓力管道等承壓設備的超壓保護裝置，性能上必須達到“準確開啟、適時全開、穩(wěn)定排放、及時關閉、可靠密封”等基本要求，對在役安全閥的校驗，選擇哪種方法來完成只是一種手段問題，校驗過程真正要實現(xiàn)的目的不只要求開啟壓力的準確性，還要檢驗安全閥動作的靈活性、密封件關閉后的密封性。以下我們將分析論述在線校驗方法在什么條件下校驗才能更便捷、更準確和更有效。

1 安全閥在線校驗的思路

目前，鍋爐、壓力容器、壓力管道上廣泛選用且最具代表性的是彈簧直接載荷安全閥，現(xiàn)以該類型全啟式安全閥在動作中閥瓣的受力情況作為分析對象，用（如圖1-1～圖1-4）的開啟狀態(tài)簡圖進行說明。

1.1 在線校驗儀的基本原理

（1）在線校驗儀的基本原理是建立在一個簡化的理想動作模型上，一個處于關閉狀態(tài)且正常運行的安全閥，向下作用有閥瓣的彈簧預緊力P1，預緊力一部分用來抵抗介質作用力p·S，另一部分用來產(chǎn)生閥門密封件之間的相互壓緊力(及密封比壓力Pm)，彈簧預緊力P1足以保持安全閥呈密封狀態(tài)（圖1-1）。隨著介質壓力p·S的提高，密封件間的相互壓緊力Pm隨之減少，當介質壓力達到開啟壓力Ps時，相互壓緊力等于零（及Pm＝0），安全閥開啟，見（圖1-2），此時應滿足

（2）如果安全閥處于正常運行的關閉狀態(tài)，從外部加給安全閥閥瓣一個向上的附加拉力ΔF，則彈簧預緊力P1除抵御介質作用力與密封件間產(chǎn)生的相互壓緊力外，彈簧預緊力還會被附加拉力ΔF抵消（圖1-3）。隨著附加拉力的增加，密封件間的相互壓緊力將逐漸減小。當附加拉力增加到一定值時壓緊力等于零（及Pm＝0），此時安全閥完全喪失了密封而達到被開啟的狀態(tài)，此時介質作用力p·S與附加力ΔF之和剛好克服彈簧預緊力P1（圖1-4）,即：

顯然在提升或改變附加力ΔF時（及閥瓣還沒有產(chǎn)生位移，彈簧壓縮比沒有改變），存在于（1）、（2）公式中，作用在閥瓣上的彈簧預緊力P1＝常數(shù)，則可以得出

等式兩邊同時除以S,得到安全閥在線定壓的基本公式：

安全閥在線調校技術就是根據(jù)這個理想公式設想出來的。

由此可知，在線調校技術的核心問題是如何測量和記錄外力以及如何判別安全閥呈開啟狀態(tài)。不同的調校裝置采用不同的辦法但原理都是一樣的，作用在閥瓣上的外加力通過延伸到閥外的閥桿提拉，施加外力的方式采用油壓千斤頂（油缸）或機械式螺紋千斤頂。外加力測量一般為電阻應變片式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)、微機系統(tǒng)等。

式中用來計算開啟壓力的外加力ΔF是安全閥開啟時的瞬間值。因此，在施加外力過程中應該緩慢均衡地增加，過快加載很容易超過瞬間值，并應嚴格監(jiān)視安全閥開啟瞬間的狀態(tài)，以便適時撤掉外加力使安全閥及時回座關閉。

在利用公式求解開啟壓力時，有兩個重要的參數(shù)：介質壓力p與密封面積S的計量和測算問題需要解決。

1.2 介質壓力p

確切地說，介質壓力p應指安全閥入口處測得的表壓力。測量用表精度要高于百分之一（≥1.0級）[1]，要能正確反映安全閥入口壓力值，測點距安全閥較遠或者測點與安全閥之間局部阻力損失較大時均會影響最終的校驗結果，必須從誤差傳遞角度考慮對安全閥入口壓力測量的準確性要求。

1.3 密封面積S

密封面積S并非簡單地指閥瓣內(nèi)徑所包圍的介質作用面積，密封件接觸表面上的質點不可能百分之百地絕對接觸，事實上存在著許多微觀溝通，介質不停地從內(nèi)部向外沿進行著微觀流動，也就是存在邊界層的問題，越靠近內(nèi)徑的地方密封面越容易被介質所浸潤（圖2），很多專著對這方面都有詳細的論述[6]，本文在此不再展開分析。從安全閥校驗角度來講，在對安全閥進行泄漏率檢測時所計量的每分鐘氣泡數(shù)，即屬這種微觀流動的宏觀表征，（圖2）所示為典型的金屬平面對平面式密封結構示意。

通常密封面的寬度2-8mm，在這樣狹窄的區(qū)間里可以假設密封面里的壓力分布是線性分布，許多專著從理論上探討過這個問題，得出同樣的結論。根據(jù)上述看法我們可求得介質作用在閥瓣上的等效直徑，即密封直徑。在安全閥入口處介質向上作用于閥瓣的力P為：

式中P為入口處表壓力，So為等效密封面積，r1為閥瓣內(nèi)徑，r2為閥瓣外徑，p為密封面內(nèi)部介質壓力。按照前述邊界條件和壓力分布的線性假設和推導，最終可得出等效密封面積為：

在線調校技術通常使用所謂的平均面積S來計算開啟壓力，即：

，等效密封面積So與平均面積S的相對偏差為：

根據(jù)有關資料的分析[7]及安全閥密封件的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果表明：平均面積S對應的直徑就叫中徑（r1+ r2）/2，這樣給現(xiàn)實測量帶來了可操作性。

1.4 判開準則

安全閥在線調校裝置的判開準則是指在施加連續(xù)外力的過程中，判別閥瓣已達到開啟狀態(tài)的事實依據(jù)。實踐表明，最常用的方法是用聽覺感知安全閥的開啟，即以開始聽到介質的連續(xù)排放聲為判開準則。

1.5 安全閥在線助跳技術的優(yōu)點

（1）在線助跳技術最大且最突出的優(yōu)點就是可以對在役的安全閥做在線校驗，并且能在設備運行情況下對離線校驗結果進行熱態(tài)復驗，這是校驗站做離線校驗無法實現(xiàn)的功能。

（2）在線助跳技術對在役焊接式安全閥可以實現(xiàn)每年至少一次的在線校驗[1]，這一優(yōu)勢是離線校驗技術無法替代的。筆者所經(jīng)歷過的校驗項目有：福建省鴻山熱電有限公司1期、2期電站鍋爐，晉江天然氣發(fā)電有限公司1期、2期電站鍋爐、晉江熱電有限公司電站鍋爐、福建省東南電化有限公司自備電站鍋爐，福建省三安鋼鐵有限公司自備電站鍋爐，創(chuàng)冠（惠安、晉江）有限公司電站鍋爐，福建聯(lián)合石化有限公司設備，福建省嘉龍石化有限公司設備等企業(yè)安全閥的在線檢測，他們的共同之處是企業(yè)管理規(guī)范，安全閥使用狀態(tài)良好，有定期檢查和手動排放記錄能確保閥瓣不至于“粘死”或卡阻，有安全閥維修記錄和歷次校驗報告整定值可參照，安全閥銘牌上有出廠整定值，大修時有拆解閥瓣準確測量“中徑”的機會，有實施在線實跳復驗后的記錄，企業(yè)也建立了完備的安全閥基礎數(shù)據(jù)，現(xiàn)場實施在線校驗有可參照的銘牌上的整定值，具備可靠的現(xiàn)場檢測條件，出現(xiàn)偏差有諸多參照和對比可控性強，最終校驗結果符合標準規(guī)范上的要求[1-5]。對于良好狀態(tài)、具備校驗條件的安全閥，采用在線儀進行校驗還是有其獨特的優(yōu)勢所在。

1.6 安全閥在線助跳技術的缺點或不足

在線校驗儀校驗前必須輸入兩個重要參數(shù)①被測安全閥進口處表壓力；②安全閥密封直徑，假如無法準確測得進口壓力和密封直徑，在線校驗便無法實施，這就是在線助跳技術的軟肋所在，因此實際操作中必須嚴謹、認真，來不得半點馬虎。

（1）進口處表壓力的讀取存在的不足：檢測現(xiàn)場很多時候安全閥進口處表壓力的獲取是由“中控系統(tǒng)”的遠程傳感器所得的數(shù)據(jù)通過通信手段通知現(xiàn)場人員，或校驗人員從被校安全閥附近安裝的壓力表讀取，偏差較大。讀取的結果同校驗儀要求的精度相距甚遠，采集或現(xiàn)場讀取時要慎之又慎，一定要經(jīng)過再三確認后才能錄用，如果把握不準校驗結果往往偏差較大，這是現(xiàn)場校驗的難點之一。 在無法確保準確獲取安全閥進口表壓力的情況下，整定出來的結果只能做為參考，最終必須通過在線實跳來進一步驗證其結果的準確性。

（2）現(xiàn)場測量“中徑”存在的不足：在線助跳技術最重要的參數(shù)之二就是校驗前必須預先得知密封直徑，很多專著論證過密封直徑接近或基本等于閥瓣或閥座的“中徑”[7,8]，用“中徑”來代替密封直徑進行校驗前的參數(shù)輸入。同時也存在很多論著提出必須現(xiàn)場測量安全閥的“中徑”或內(nèi)、外徑，但現(xiàn)場又哪來的機會讓你測得“中徑”這一關健數(shù)值，假如無法準確測得在線檢測就無法進行。當今很多電站安全閥多選用進口閥門，要國外廠家提供安全閥“中徑”成為不可能的現(xiàn)實，即使是國產(chǎn)安全閥，銘牌上或說明書上都很少標明“中徑”這一參數(shù)。運行中的系統(tǒng)現(xiàn)場如果要測量？只有等待停產(chǎn)或在線檢修的時候，待安全閥拆解開拿出閥瓣時才有機會測量得到，這種檢測“中徑”的提法簡直等同于“殺雞取蛋”，如果是這樣在線校驗還能叫在線校驗嗎？“中徑”問題是業(yè)內(nèi)人士不愿意提及的內(nèi)傷，想要解決這一難題，必須建立相關的安全閥大數(shù)據(jù)庫。

（3）反推法測算“中徑”存在的不足：通常采用兩種較為有效的方法： 1）通過改變系統(tǒng)壓力計算閥座有效面積；2）通過改變調整螺母計算閥座有效面積，相關論著都已經(jīng)做了較詳細的說明[9]。但凡有在線校驗經(jīng)歷的人員都很清楚，第一種辦法靠系統(tǒng)本身穩(wěn)定在兩個壓力值下來反推測算“中徑”值，確實讓人勉為其難，如果是在實驗室穩(wěn)定氣源的條件下確實是很容易做到的，我們曾經(jīng)試圖采用這種辦法測算“中徑”， 都因系統(tǒng)壓力波動，每次所測出的值偏差多遠超出實際值的5%以上，這種不可控的檢測值誰敢采用？即使采用了，整定出來的壓力值能靠譜嗎？第二種依靠改變彈簧壓縮量來獲取兩個開啟壓力值，反推測算出“中徑”的方法：首先必須預先知道彈簧的壓縮比（就是旋松或旋緊調整螺母一圈所改變的彈簧預緊力），相關論著中[9]強調這一參數(shù)必須由彈簧制造廠提供，這對現(xiàn)場校驗人員來說也是很難做到的事情。但如果系統(tǒng)壓力穩(wěn)定或預先能得知彈簧的壓縮比，采用這兩種方法校驗出來的整定壓力值還是有參考價值的，由于諸多的不確定性，但凡這樣其整定結果都必須通過在線實跳來進一步驗證。

（4）對“柔性密封結構形式”的安全閥校驗的不足：當今很多電站鍋爐選用的安全閥都是進口品牌，相對于國產(chǎn)安全閥進口安全閥選用的彈簧剛性好、熱穩(wěn)定性高、反復壓縮變形量少，特別是閥瓣結構采用“柔性密封結構形式”如（圖3），其密封面積隨預緊力的增大或減少而增大減少，用“中徑”測量法或反推測算法是無法測算出有價值的數(shù)據(jù)的。國內(nèi)多種在線儀都無法校驗“柔性密封結構形式”的安全閥，而必須依賴國外安全閥生產(chǎn)廠家提供的專業(yè)檢測設備進行校驗，這也是在線校驗人員必須特別注意的事項。

（5）安全閥開啟后排放狀態(tài)的檢查存在不足：從(圖4）我們清楚地看到，①上彈簧座、②彈簧、③閥桿、④下彈簧座、⑤導向套、⑥閥瓣、⑦閥座，彈簧的預緊力是靠被壓縮的彈簧把力傳遞到閥桿使之下壓，再把力傳遞到閥瓣密封面上，使閥瓣與閥座形成密封比壓，最后起到密封的作用。但是有過在線校驗經(jīng)驗的人士都非常清楚，在線助跳技術是通過向上提拉閥桿，此時的閥瓣是在介質內(nèi)壓力的作用下被動抬起的，假如閥瓣卡阻或銹死在導向套內(nèi)，而校驗前未能發(fā)現(xiàn)，此時的閥桿雖然被提拉上來，但閥瓣可能沒有緊跟閥桿被頂起，這將造成安全閥開啟的假象，這時雖然安全閥閥瓣有微啟并泄放出少量的介質，但這種微啟特征并不明顯，終將導致儀器的誤讀、誤判，更別說在吵雜環(huán)境下依賴聲音判別法來判開捕捉開啟瞬間的可能性了，這種現(xiàn)象的發(fā)生也是現(xiàn)場校驗非常擔心的事情，給整定值帶來很多不確定的因素。同時，只靠微啟得出校驗合格結論的做法也是很不靠譜的，安全閥能否適時全開、足量排放更是確保系統(tǒng)安全的關鍵，不能僅憑微啟就判定安全閥會開啟，但凡這樣其整定結果都必須通過在線實跳來進一步驗證。

（6）準確的判開是捕捉整定壓力值的關鍵其存在的不足是：根據(jù)不同裝置可采用聲音判別法、觸點探針法和在線儀顯示的校驗曲線特征峰值點的方法來判定安全閥開啟。把握好安全閥的開啟時機是準確獲取整定值的關鍵，但凡有現(xiàn)場校驗經(jīng)歷的人員都很清楚，現(xiàn)場工作場景是一個非常吵雜的地方，也許到處都有泄漏的聲音或震動的聲音、特別是處于高空作業(yè)的地方風的聲音特別大，工作人員相互交流對話都很難聽見，還有排放口引致高空或裝有消聲器的安全閥，靠聲音判開法誤判的可能性很大，必須多人密切配合；觸點探針法由于儀器本身間隙的預消除或環(huán)境震動帶來的誤差也會影響到校驗的準確性；而采用曲線特征點法判開同樣受到安全閥起跳動作靈活性和儀器精準度的影響、閥瓣與導向套粘死或卡阻直接影響曲線特征點的出現(xiàn)或特征點漂移造成的誤判，這些同樣影響判開的準確性，這些問題的存在不得不讓人擔心校驗結果的有效性。有關專家的論著里描述到：對電站鍋爐的11臺安全閥在做完在線助跳之后，還謹慎地再次對每一個安全閥進行在線實跳驗證[8]，這是非常負責任的一種工作態(tài)度，但也從另一側面反映出編者對模擬被動開啟的校驗方式的可靠性多留了一份心思，但凡這樣最終還是要借助于在線實跳來進一步驗證[2]。

（7）在線助跳儀自身的校準及有效性的驗證存在的不足：每種儀器都有校驗有效期，在線助跳儀本身是否精準，以及儀器上用的壓力表、傳感器等是否在有效期內(nèi)，都必須有明確的要求與規(guī)定，不能因儀器自身的偏離造成校驗結果的無效。在線助跳儀自身的檢定還必須從頂層設計上做進上步的規(guī)范。

2 安全閥在線助跳技術的應用與離線校驗、在線實跳的互補關系

筆者無意對某一種校驗方法做過份的褒貶，每一種校驗方法都有其優(yōu)勢和不足，作為長期從事安全閥校驗的專業(yè)人員，我們以客觀、公正、實事求是的態(tài)度來分析對待每一件事。

（1）安全閥離線校驗風險小、成本低，其校驗結果為在線實跳和在線助跳提供了真實、可參照的依據(jù)和支承，隨著材料技術和裝備制造技術的提高，冷態(tài)校驗值與熱態(tài)校驗值產(chǎn)生的偏差越來越小，對于電站鍋爐經(jīng)常選用的敞開結構形式的安全閥，彈簧散熱效果良好，運行過程中彈簧強度、剛性、彈性變形量冷、熱態(tài)偏差變化不會太大，且如今大項目大設備配套的安全閥都是直接從安全閥專業(yè)生產(chǎn)廠訂購來的，不僅在質量上有保證，而且安全閥出廠前都經(jīng)過了嚴格的測試過程和必要的熱態(tài)修正，更方便的是安全閥整定值都刻在了銘牌上方便參照。安全閥在裝配到設備上之前，用戶還會委托有安全閥校驗資質的單位或機構進行離線校驗或委托進行現(xiàn)場在線助跳校驗，取得合格的校驗報告。有的用戶在設備試運行初期，擔心離線校驗因運輸?shù)跹b造成的偏離，為了慎重還會要求做在線實跳來進行最后的驗證，層層的把關為安全閥整定結果打下了堅實的基礎。倒是工業(yè)鍋爐或設備上用的安全閥，因使用的安全閥價低質次冷態(tài)校驗值與熱態(tài)校驗值常常會出現(xiàn)較大的偏差，如工業(yè)鍋爐上的安全閥也經(jīng)常采用在線實跳，這樣校驗結果更有保證。

（2）由于在線助跳技術的發(fā)展，解決了焊接式安全閥實現(xiàn)每年至少一次的校驗，既符合了標準規(guī)范的要求，重要的是確保系統(tǒng)的安全運行。另一方面由于在線助跳技術的應用，為離線冷態(tài)校驗的修正帶來了便捷的途徑，人們不再擔心使用在線實跳帶給用戶和現(xiàn)場校驗人員的風險。

（3）在線助跳技術的應用給人們帶來了便捷，也帶來了煩惱和隱憂：在線助跳“中徑”數(shù)據(jù)的測量方法和數(shù)據(jù)庫還是要盡快建立和落實到位，才能為在線助跳方法的普及和發(fā)展打開一扇便捷之門，才能給在線助跳技術的應用增強信心和可信度。不同廠家安全閥“中徑”數(shù)據(jù)的收集和大數(shù)據(jù)的建立勢在必行。否則在線助跳技術的應用不只帶來煩惱、還隱隱約約地埋下了安全隱患，極個別校驗員因為對安全閥出廠前都校準過的情況太過了解，而且安全閥銘牌上都標明整定壓力值，校驗時用戶還會提供歷次安全閥檢定報告，因此在實施在線助跳時，由于查找“中徑”一時帶來的困難，而采取極端的校驗方法，隨便輸入一些參數(shù)或撮數(shù)據(jù)進行校驗，或干脆把安全閥直接提開當做開啟；還有個別檢測公司被利益所驅使承諾什么閥他們都能校。這種極不負責任的行為將給設備的運行埋下嚴重的安全隱患，市場的開放帶來了便捷的服務同時也為不法之徒打開了一扇門。因此，安全閥校驗市場必須得到有效的監(jiān)管和規(guī)范。

3 建立大數(shù)據(jù)勢在必行

安全閥銘牌上只標明：產(chǎn)品型號、公稱通徑、整定壓力、啟閉壓差、工作溫度、基準流體的額定排量或額定排量系、流道直徑、開啟高度、制造廠名、制造日期、出廠編號[1]。但對在線定壓來說很重要的中徑或密封面內(nèi)、外徑尺寸卻沒有標明，給安全閥現(xiàn)場校驗的人員帶來很大的不便，甚至在人員進場后也無法進行現(xiàn)場校驗。隨著大工程大項目的上馬，裝備上引進和配套進口安全閥的工程項目越來越多，對于必須預先知道安全閥校驗中徑值的在線定壓方法，確實處于兩難的境地，這一瓶頸是安全閥校驗人士都很清楚而且不愿意表白的內(nèi)傷。當今網(wǎng)絡發(fā)展迅猛，因此，從頂層設計上必須提倡和建立大數(shù)據(jù)的概念，從國內(nèi)安全閥生產(chǎn)廠家自身開始，要求其建立起大數(shù)據(jù)庫，或從標準規(guī)范上進行要求，要求廠家在安全閥銘牌上和說明書里進行標明，提供可參照的中徑或密封面內(nèi)、外徑尺寸數(shù)據(jù)，建立可查詢的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫。企業(yè)、用戶、檢測公司或檢測機構也應該不斷收集，積極參與大數(shù)據(jù)的建立，破除行業(yè)壟斷和技術壁壘，建立起數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，有了技術數(shù)據(jù)的支撐，誰還愿意去冒天下之大不違，大數(shù)據(jù)的建立將進一步推動在線助跳技術的應用與發(fā)展，安全閥校驗市場也將得到不夠好的拓展。

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作者簡介：鄭志雄（1963-）,男,福建泉州人，大連理工大學化工機械系畢業(yè)，鍋爐檢驗師、容器檢驗師、管道檢驗師，長期從事鍋爐、壓力容器檢驗及安全閥校驗工作。