李確，郭善剛，汪朝陽

（1.北京航天動(dòng)力研究所；2.北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176）

1 研究背景

安全閥廣泛應(yīng)用于石油、化工、電站、冶金、核電、國防等國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，為各類裝置的壓力管道和壓力容器等承壓設(shè)備提供超壓保護(hù)。整定壓力準(zhǔn)確性是安全閥重要性能指標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)超壓保護(hù)功能的基礎(chǔ)。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12243及美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)鍋爐及壓力容器規(guī)范ASME BPVC安全閥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均明確了不同工況下安全閥整定壓力的極限偏差指標(biāo)：如壓力容器和管道用安全閥的整定壓力極限偏差（GB/T12243-2021）（表1）。

表 1

彈簧直接載荷式安全閥是安全閥中應(yīng)用最廣泛的一類，彈簧是其關(guān)鍵元件之一，其性能好壞對(duì)安全閥能否“準(zhǔn)確開啟、適時(shí)全啟、及時(shí)回座”有決定性的影響。彈簧失效帶來的異常開啟、回座壓力過低等問題是安全閥的常見故障。此類故障的發(fā)生往往是突發(fā)、不可預(yù)測(cè)的，而故障的消除往往需要生產(chǎn)裝置停車將安全閥拆除處理，直接影響生產(chǎn)活動(dòng)的正常進(jìn)行。因此，開展彈簧工作狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)及診斷研究，對(duì)于提升安全閥的可預(yù)測(cè)維護(hù)性，進(jìn)一步開發(fā)智能化的安全閥產(chǎn)品，保障生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

2 彈簧失效分析

實(shí)際應(yīng)用工況中，安全閥的工作環(huán)境往往比較復(fù)雜，如腐蝕性介質(zhì)、變化的溫度、頻繁的動(dòng)作都會(huì)造成彈簧性能的變化，導(dǎo)致彈簧剛度下降甚至斷裂。安全閥彈簧失效形式主要包括疲勞、腐蝕、斷裂及塑性變形（圖1）。

圖1 彈簧主要失效形式

彈簧失效原因總體可以分為兩類，一類是自身缺陷，主要包括原材料、加工等因素，具體如圖2所示。

圖2 彈簧失效原因（自身缺陷）

另一類是環(huán)境影響，主要包括工作負(fù)載、介質(zhì)腐蝕等引述，具體如圖3所示。

圖3 彈簧失效原因（使用環(huán)境）

通過分析安全閥彈簧失效原因及失效形式可以發(fā)現(xiàn)，所有失效形式都會(huì)帶來彈簧壓縮力的顯著變化。本文探討了基于彈簧壓縮力這一關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量實(shí)現(xiàn)彈簧工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警的技術(shù)方案。

3 技術(shù)方案

3.1 系統(tǒng)方案

安全閥彈簧在線失效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由安全閥主體、測(cè)力傳感器、壓力變送器、輸入電源、信號(hào)輸入引線、信號(hào)輸出引線、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等零部件組成。測(cè)力傳感器安裝在安全閥本體上，通過輸入信號(hào)引線與壓力變送器相連接；輸入電源與壓力變送器連接，負(fù)責(zé)壓力變送器及測(cè)力傳感器供電；測(cè)力傳感器將測(cè)量信號(hào)傳輸至壓力變送器，經(jīng)過信號(hào)放大后，通過輸出信號(hào)引線輸出至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。安全閥彈簧失效在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理示意如圖4所示。

圖4 安全閥彈簧失效在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理示意圖

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

為提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，測(cè)力傳感器應(yīng)最大程度接近彈簧，避免摩擦力、側(cè)向力等因素對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響。本方案對(duì)安全閥局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 安全閥及測(cè)力傳感器連接結(jié)構(gòu)示意圖

依據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)彈簧座結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，將傳統(tǒng)彈簧座結(jié)構(gòu)一分為二，分別為上彈簧座、壓環(huán)。測(cè)力傳感器上端面與壓環(huán)相連，下端面與上彈簧座相連。彈簧力通過上彈簧座直接傳遞給測(cè)力傳感器，能夠保證彈簧力測(cè)量準(zhǔn)確性。同時(shí)，上彈簧座及壓環(huán)共同實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向?qū)χ凶饔?，最大程度減少結(jié)構(gòu)變更對(duì)安全閥影響，確保安全閥動(dòng)作順暢，實(shí)現(xiàn)測(cè)力傳感器工作穩(wěn)定。

3.3 傳感器原理及選擇

在力學(xué)測(cè)量中，壓電力傳感器和應(yīng)變力傳感器占據(jù)著主導(dǎo)地位。兩種傳感器原理如下。

應(yīng)變力傳感器原理：施加的力是作用在一個(gè)彈性體上的。負(fù)載將會(huì)使彈性體產(chǎn)生微小的變形。安裝在彈性體上的應(yīng)變片將會(huì)產(chǎn)生延展，應(yīng)變片的電阻值將會(huì)變化。4個(gè)應(yīng)變片組成一個(gè)惠斯通電橋，產(chǎn)生的輸出電壓將會(huì)正比于施加的力。

壓電傳感器原理：采用兩個(gè)晶體盤，并在兩者之間安裝一個(gè)電極箔。在施加力時(shí)，將產(chǎn)生電荷變化，其可通過電荷放大器獲得。電荷將和施加的力呈正比。分別從監(jiān)控時(shí)間和測(cè)量精度方面對(duì)兩類傳感器特點(diǎn)進(jìn)行比較。

（1）靜態(tài)監(jiān)控。應(yīng)變傳感器幾乎沒有漂移，因此，非常適合長期靜態(tài)監(jiān)控任務(wù)。通過選擇合適的應(yīng)變片，恒定的負(fù)載導(dǎo)致的輸出信號(hào)變化非常小。壓電力傳感器具有一個(gè)漂移，在工作狀態(tài)下大約為1牛/分鐘。由于其值保持不變，當(dāng)長期進(jìn)行較小力測(cè)量時(shí)，其將會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。

（2）高精度測(cè)量?，F(xiàn)代力傳感器都具有很高的精度，應(yīng)變傳感器的誤差僅有0.2%。壓電傳感器具有稍高的線性誤差，一般為滿量程的0.5%。其限制主要來自漂移，通過對(duì)整個(gè)量程的標(biāo)定，可以使其獲得更高的精度。

根據(jù)測(cè)力傳感器以上類型特點(diǎn)，應(yīng)選擇應(yīng)變式傳感器進(jìn)行彈簧壓縮力的長期監(jiān)測(cè)。

3.4 判定算法

安全閥工作過程中，測(cè)力傳感器依據(jù)所受彈簧力實(shí)時(shí)輸出電壓信號(hào)，經(jīng)過變送器放大、濾波等處理，將有效電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為彈簧力數(shù)值信號(hào)并傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)將采集彈簧力數(shù)據(jù)與初始彈簧力設(shè)定值等指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)彈簧力下降到達(dá)設(shè)定偏差時(shí)，系統(tǒng)判定彈簧可能發(fā)生在線失效，向用戶發(fā)出預(yù)警信號(hào)。彈簧力監(jiān)測(cè)值與初始值相比，上升超過規(guī)定數(shù)值時(shí)，認(rèn)為安全閥發(fā)生起跳，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提示用戶進(jìn)行閥門狀態(tài)檢查并進(jìn)行初始值重置。結(jié)合安全閥應(yīng)用工況需求，功能設(shè)置如下。

初始值：安全閥上線穩(wěn)定運(yùn)行后進(jìn)行1小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，獲得的平均值為測(cè)力傳感器初始值。

預(yù)警：彈簧壓縮力監(jiān)測(cè)值與初始值相比，下降到達(dá)3%時(shí)，發(fā)出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警。

重置：彈簧壓縮力監(jiān)測(cè)值與初始值相比，上升超過3%時(shí)，認(rèn)為安全閥發(fā)生起跳，提示進(jìn)行閥門狀態(tài)檢查并進(jìn)行初始值重置。

3.5 特殊工況應(yīng)用

測(cè)力傳感器一般適用工作溫度為-20～80℃，超出以上溫度范圍的工況可定制開發(fā)特殊材質(zhì)、結(jié)構(gòu)測(cè)力傳感器，滿足工況要求；本方案中測(cè)力傳感器引線通過安全閥閥蓋側(cè)孔引出，對(duì)于安全閥存在出口背壓的工況，可采用對(duì)安全閥增加波紋管的技術(shù)路線，避免出口介質(zhì)泄漏，保證安全閥正常工作。

4 結(jié)語

本文結(jié)合彈簧載荷式安全閥工作原理，分析了彈簧失效原因及失效形式，提出了一種安全閥彈簧在線失效監(jiān)測(cè)方法，選取彈簧壓縮力作為在線失效可測(cè)量的關(guān)鍵表征，在安全閥內(nèi)應(yīng)用適當(dāng)傳感器對(duì)彈簧失效關(guān)鍵表征進(jìn)行監(jiān)測(cè)，明確了判定算法，可以實(shí)現(xiàn)彈簧失效的在線監(jiān)測(cè)。