(國(guó)家閥門產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(福建)， 福建 泉州 362800)

引言

先導(dǎo)式安全閥是一種非直接作用式安全閥，由一個(gè)主閥和導(dǎo)閥組成，依靠從導(dǎo)閥排出介質(zhì)來(lái)驅(qū)動(dòng)或控制主閥啟閉，適用于高背壓、大口徑、大流量和安裝位置緊湊的工況，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金和核電等領(lǐng)域[1-4]。在工況系統(tǒng)中，安全閥應(yīng)該具備開啟準(zhǔn)確、排放穩(wěn)定、回座及時(shí)和密封可靠等性能[5-6]。若安全閥回座壓力過(guò)高，啟閉壓差太小，會(huì)使閥門發(fā)生頻跳，不利于關(guān)閉后重新建立密封；若回座壓力過(guò)小，啟閉壓差太大，則會(huì)使系統(tǒng)或設(shè)備的介質(zhì)和能量損失過(guò)多，給系統(tǒng)或設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行帶來(lái)諸多困難[7-10]。

先導(dǎo)式安全閥常見的故障包括：主閥導(dǎo)閥泄漏、導(dǎo)閥超壓不動(dòng)作、主閥未隨導(dǎo)閥動(dòng)作[6]。主閥導(dǎo)閥泄漏失效原因：密封面臟污或損傷，零部件卡阻、密封墊圈老化變形；導(dǎo)閥超壓不動(dòng)作失效原因：導(dǎo)閥密封面銹蝕粘合或材料變形、導(dǎo)閥彈簧過(guò)緊或卡阻、導(dǎo)閥下導(dǎo)管堵塞；主閥未隨導(dǎo)閥動(dòng)作失效原因： 主閥運(yùn)動(dòng)卡阻、導(dǎo)閥排氣量過(guò)小。然而， 安全閥起跳不回座故障在試驗(yàn)過(guò)程及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)也是非常常見的，國(guó)內(nèi)對(duì)于先導(dǎo)式安全閥起跳不回座失效分析的相關(guān)研究較少。本研究以某公司生產(chǎn)的AF46Y-25型先導(dǎo)式安全閥為研究對(duì)象，研究導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)并分析其動(dòng)作過(guò)程。在對(duì)其開展動(dòng)作性能試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)該安全閥實(shí)際回座壓力遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求[11]，排放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，回座失效。因此，對(duì)其進(jìn)行受力分析，以探討回座失效的原因。

1 導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)及動(dòng)作過(guò)程分析

1.1 導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)

AF46Y-25型先導(dǎo)式安全閥如圖1所示，其導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 AF46Y-25型先導(dǎo)式安全閥

圖2 先導(dǎo)式安全閥結(jié)構(gòu)圖

1.2 動(dòng)作過(guò)程分析

當(dāng)被保護(hù)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀況時(shí)，導(dǎo)閥閥腔內(nèi)的堵頭密封面處于開啟狀態(tài)，系統(tǒng)壓力從主閥進(jìn)口通過(guò)下導(dǎo)管、導(dǎo)閥閥腔和上導(dǎo)管傳入主閥閥瓣(活塞)上方氣室，此時(shí)上方氣室氣體壓力等同于主閥進(jìn)口的系統(tǒng)壓力。導(dǎo)閥密封面處于密封狀態(tài)，確保主閥上方氣室的氣體無(wú)法從導(dǎo)閥泄放口排出。此時(shí)主閥閥瓣受彈簧預(yù)緊力、上方氣室氣體對(duì)閥瓣向下作用力以及主閥入口對(duì)閥瓣向上的作用力合力的作用，該合力方向向下，使主閥處于關(guān)閉、密封狀態(tài)。

當(dāng)系統(tǒng)壓力升高達(dá)到整定壓力時(shí)，氣體在導(dǎo)閥密封面處向上頂起導(dǎo)閥的閥芯，使導(dǎo)閥密封面處于開啟狀態(tài)，同時(shí)導(dǎo)閥閥腔內(nèi)的堵頭向上移動(dòng)，堵頭密封面處于密封狀態(tài)。主閥閥瓣上方氣室的介質(zhì)經(jīng)由打開的導(dǎo)閥密封面排出，使主閥閥瓣上方壓力降低。主閥閥瓣在進(jìn)口壓力的推動(dòng)下打開而使系統(tǒng)卸壓。

當(dāng)系統(tǒng)壓力降低到一定值時(shí)，導(dǎo)閥閥芯在彈簧的作用下向下回座，導(dǎo)閥密封面關(guān)閉，導(dǎo)閥閥腔的堵頭密封面打開，系統(tǒng)壓力再次通過(guò)導(dǎo)閥閥腔傳入主閥閥瓣上方氣室，并推動(dòng)主閥閥瓣關(guān)閉。在安全閥生產(chǎn)調(diào)試以及安裝使用中通常忽略響應(yīng)時(shí)差，導(dǎo)閥開始開啟排放，就認(rèn)為主閥也已經(jīng)開啟，導(dǎo)閥一旦回座，則認(rèn)為主閥也回座。

2 動(dòng)作試驗(yàn)及受力計(jì)算分析

2.1 動(dòng)作試驗(yàn)

安全閥冷態(tài)試驗(yàn)裝置(見圖3)主要由壓縮氣源、儲(chǔ)氣罐、節(jié)流控制閥、試驗(yàn)罐、閥門和管道、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，可對(duì)公稱壓力PN≤20 MPa，公稱通徑DN≤150 mm的安全閥進(jìn)行整定壓力試驗(yàn)、排放壓力試驗(yàn)、回座壓力試驗(yàn)、開啟高度試驗(yàn)、排量及排量系數(shù)試驗(yàn)，檢測(cè)參數(shù)和自動(dòng)化程度達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

圖3 安全閥冷態(tài)試驗(yàn)裝置原理圖

運(yùn)用安全閥冷態(tài)試驗(yàn)裝置對(duì)該先導(dǎo)式安全閥進(jìn)行動(dòng)作性能試驗(yàn)，將試驗(yàn)容器內(nèi)的介質(zhì)壓力卸放到整定壓力以下，開啟試驗(yàn)容器和安全閥進(jìn)口端的球閥，關(guān)閉流量計(jì)管路閥門，開啟主測(cè)試管路截止閥，開啟儲(chǔ)氣容器通向試驗(yàn)容器的節(jié)流閥，逐漸加壓，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，被試安全閥開啟，繼續(xù)升高壓力，直至被試安全閥保持全開啟(排放)狀態(tài)，然后關(guān)閉儲(chǔ)氣容器通向試驗(yàn)容器的閥門，被試安全閥亦逐漸關(guān)閉。計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成試驗(yàn)過(guò)程的壓力、位移曲線，試驗(yàn)人員記錄采集開啟壓力、排放壓力、回座壓力、開啟高度等數(shù)據(jù)。重復(fù)上述試驗(yàn)至少3次，得到相應(yīng)壓力-位移-時(shí)間曲線，見圖4。左縱坐標(biāo)為位置，右縱坐標(biāo)為壓力，其中上部曲線代表導(dǎo)閥位移，下部曲線代表壓力變化。當(dāng)導(dǎo)閥位置發(fā)生變化，代表導(dǎo)閥開始開啟動(dòng)作，此時(shí)的壓力為該先導(dǎo)式安全閥的開啟壓力，即整定壓力；當(dāng)導(dǎo)閥位置回到原點(diǎn)代表導(dǎo)閥已經(jīng)回座，此時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力即為回座壓力。

Ⅰ.位移曲線 Ⅱ.壓力曲線 A.開啟時(shí)刻 B.回座時(shí)刻 C.開啟壓力 D.回座壓力

2.2 技術(shù)要求

安全閥啟閉壓差為整定壓力與回座壓力之差，即：

Δpb1=ps-ph

根據(jù)GB/T 28778-2012的規(guī)定，對(duì)于可壓縮性介質(zhì)的安全閥，其啟閉壓差最小值為2.0%整定壓力，最大值為15%整定壓力或0.03 MPa中的較大值。對(duì)于該先導(dǎo)式安全閥，其整定壓力1.6 MPa，則啟閉壓差、回座壓力應(yīng)分別滿足：

2%ps≤Δpb1≤15%ps

85%ps≤ph≤98%ps

通過(guò)計(jì)算，可得知：

0.32 MPa≤Δpb1≤0.24 MPa

1.36 MPa≤ph≤1.57 MPa

由圖4曲線可知，該先導(dǎo)式安全閥回座壓力僅為0.312 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，安全閥排放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，能量和資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

2.3 受力計(jì)算分析

忽略重力和摩擦力因素的影響，對(duì)導(dǎo)閥的動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行受力分析[12]，導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)如圖5所示。

當(dāng)系統(tǒng)壓力升高達(dá)到整定壓力時(shí)，氣體在導(dǎo)閥密封面處克服導(dǎo)閥彈簧預(yù)緊力向上頂起導(dǎo)閥的閥芯，此時(shí)應(yīng)滿足：

F1=ps·S1

因此，可得出：

圖5 導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)圖

其中：G為彈簧材料切變模量，彈簧材料為60Si2MnA，G=78.5×103MPa；d為彈簧材料直徑，d=4 mm；D為彈簧中徑，D=25 mm；n彈簧有效圈數(shù)，n=6；ps為整定壓力，ps=1.6 MPa；d1為導(dǎo)閥密封面直徑，根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣，d1=13 mm；f為導(dǎo)閥彈簧初始變形量，通過(guò)計(jì)算可得，f=7.9 mm。

當(dāng)系統(tǒng)壓力降低到回座壓力時(shí)，導(dǎo)閥彈簧要克服堵頭密封面處的密封力將其打開，此時(shí)應(yīng)滿足：

F2=ph·S2

因此，可得出：

其中：h為導(dǎo)閥閥芯開啟高度，由圖4可知，h=0.8 mm；

回座壓力與整定壓力滿足：

d2堵頭密封面平均直徑，通過(guò)計(jì)算可得，13.8 mm≤d2≤14.8 mm。

通過(guò)對(duì)導(dǎo)閥開啟和回座進(jìn)行受力計(jì)算分析，可知：堵頭密封面平均直徑d2應(yīng)在13.8～14.8 mm范圍內(nèi)才能滿足其回座壓力的要求。而實(shí)際堵頭密封面直徑d2=27 mm，無(wú)法滿足要求。

2.4 排放時(shí)間長(zhǎng)原因分析

對(duì)于啟閉壓差不可調(diào)節(jié)的先導(dǎo)式安全閥，其導(dǎo)閥2個(gè)密封面的面積的比值直接影響了啟閉壓差的大小。導(dǎo)閥密封面面積與堵頭密封面面積應(yīng)滿足：

通過(guò)計(jì)算，該先導(dǎo)式安全閥導(dǎo)閥密封面與堵頭密封面面積比為0.23，比值相對(duì)較小，造成回座壓力過(guò)小，低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，回座失效。而系統(tǒng)壓力必須降至回座壓力下，導(dǎo)閥的閥瓣才能回座，并驅(qū)動(dòng)主閥閥瓣關(guān)閉，使安全閥停止排放。由于安全閥啟跳壓力為整定值，回座壓力過(guò)小，必然使安全閥啟跳壓力與回座壓力差值增大，安全閥排放時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)。

3 結(jié)論

通過(guò)研究分析可知，導(dǎo)閥密封面與堵頭密封面面積比太大或太小都會(huì)導(dǎo)致回座失效，若面積比太大，則回座壓力過(guò)高，啟閉壓差太小，容易使閥門發(fā)生頻跳；反之，面積比太小則會(huì)使回座壓力過(guò)小，啟閉壓差太大，安全閥排放時(shí)間太長(zhǎng)，使系統(tǒng)或設(shè)備的介質(zhì)和能量損失過(guò)多。因此在安全閥設(shè)計(jì)階段就應(yīng)給予充分的考慮，選擇合適的密封面配比，提高先導(dǎo)式安全閥的性能。

下一步將在該先導(dǎo)式安全閥的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)加工堵頭和導(dǎo)閥零件，改變2個(gè)密封面的面積配比，并通過(guò)試驗(yàn)分析，找出最佳的密封面配比，驗(yàn)證以上理論計(jì)算分析結(jié)果。