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安全阀在线校验技术与应用
王朋
（神华榆林能源化工有限公司，陕西 榆林 719300）
摘要：安全阀是特种设备重要安全附件，也是保护系统和设备最后一道防线，其广泛应用在电力行业、石化行业以及冶金行业中。安全阀的主要功能在于系统压力大于预定安全值后开启泄压，压力回归正常后自动关闭密封，动作性能要求准确开启、适时全开、稳定排放、及时关闭以及可靠密封。按照TSGZF001-2006《安全阀安全技术监察规程》中的相关条例，安全阀应当每年定期进行至少一次校验。安全阀在线校验指的是在不拆卸状态下直接实施校验的方法。本文分析了安全阀在线校验技术的原理、技术流程以及实际应用。
关键词：安全阀；在线校验；技术应用
中图分类号：TH134 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2017）08（上）-0163-04
1 安全阀在线校验的必要性
安全阀在线校验属于近年来的一种新技术，主要应用于各种锅炉、压力容器设备的各种弹簧直接载荷式安全阀的开启压力测试。由于在线测量安全阀开启压力时，生产装置无需要求设备停车操作，企业生产可以正常运行。因此在在线校验技术成功应用后，引起了工业界特别是现代化流程工业的极大兴趣，也被广泛的应用在化工和电力行业中。相关资料表明，安全阀在线校验技术的推广应用有效处理了其在实际运行过程中一直存在的问题，如不停车现场在线定压等，能够在很大程度上促进整体生产运行的长周期和稳定性，实现安全阀不拆卸直接在线校验，降低校验成本，属于对安全阀离线校验的补充，该技术的推广能够获得很好的经济与社会效益。
按照《安全阀安全技术监察规程》中的相关规定，在安全阀校验遇到困难时应选择辅助开启装置在线校验安全阀。电力行业标准DL/T959-2005《电站锅炉安全阀应用导则》中也针对使用安全阀在线定压仪实施校验进行了规定，纯机械弹簧式安全阀和碟形弹簧安全阀能够选择安全阀在线定压仪实施校验。校验调整能够在机组启动或带负荷运行时开展。根据承压设备安全阀校验过程中可能存在的问题，选择在线校验仪对安全阀实施在线校验属于非常有效的办法。在压力系统中对安全阀进行现场在线校验的主要优势在于经济性与便利性较高，能够随时实施校验，无需对安全阀进行拆卸，另外在现场实施校验也能够在压力系统中没有压力的情况下实施校验，从而防止出现压力系统超压的高风险。
产厂家也有自己的专业在线校验仪器。下面我们简要介绍北京邦备与沙陀设备两家公司所开发的安全阀在线校验仪器。
北京邦备机电技术有限公司研发生产的NSH型安全阀在线定压仪，利用安全阀开启时附加外力变化曲线中出现的两个特征点，来对安全阀整定压力以及回座压力实施测量。这一在线校验办法必须提前输入校验时系统内部压力，同时此内部压力不能用仪器测量。在具体的应用过程中作为测量附加外力的压力传感器属于精密元件，很容易受到环境中温湿度等各种因素的影响，而安全阀在线校验的现场环境相对复杂，所以可能造成测量结果和实验室结果的差异性。NSH型安全阀在线定压仪基本结构如下图1所示。
图1 NSH型安全阀在线定压仪结构图
北京沙陀特检科技有限公司研发生产的ST-2000型在线仪，其液压油缸以及压力传感器都使用立柱框架式安装，机械夹具结构原理与浙江工业大学化工机械设计研究所研究开发的安全阀在线校验机械夹具大致相同，两根立柱的支架设计无法确保液压油缸的垂直度，难以确保附加外力方向以及安全阀拉杆方向位于水平直线，会对测量结果的精准度造成一定程度的影响，同时此仪器的附加装置相对较多，携带起来也不是非常方便。
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2 安全阀在线校验仪器
目前国内主流安全阀在线校验仪器研发生产企业有两家，一是北京邦备，二是沙陀。同时国外安全阀生
Research and Exploration 研究与探索·工艺与技术
3 安全阀在线校验技术的原理
对弹簧式安全阀来说，开启和闭合的操作基本上都是凭借其中进口端的介质压力变动，加之基本的弹簧预紧力，让其中的阀芯进行开启或者闭合动作。未开启之前，安全阀预紧力和系统截止压力保持平衡。在系统内压持续上升至提升力超出弹簧预紧力的情形下，阀芯会随之克服弹簧预紧力自动开启，排出系统的介质，使得系统内压持续降低。而由于弹簧力所造成的影响，在系统内压下降到安全值的时候（等于小于弹簧预紧力），阀芯又随之关闭，系统介质泄放停止，弹簧预紧力和系统介质内压又达到一个新的平衡。根据上述机理我们可以假设，进行在线测量和调整时，如果外界存在对应的向上附加力，则系统介质内压和附加力之和能够克服弹簧预紧力的状态下，阀芯也能够跟随进行开启操作，从而在不存在介质作用的离线状态下，仅仅凭借有关的附加力而克服预紧力，阀芯也可以实现开启操作，能够看到，如果能对其中的附加力实施准确的测定，就可以根据已知的阀芯和工作压力，更准确的得到开启压力数据，这就是在线校验技术的设计机理。
向下作用于阀瓣中的对应弹簧预紧力为Dd，用于对抗相关的介质作用力PO·S，另外一些则应用于对抗密封件压紧力f之中，可以保证安全阀保持密封状态（如下图1a）。而随着介质压力的逐渐增加，f慢慢降低，在实际压力数值达到对应开启压力Ps的状态下，f为零，此时安全阀开启，满足：
Fd=Ps·S
详细信息如下图2的标识。
a b
c d图2 在线调校原理
图2中Fd为弹簧预紧力，PO为安全阀入口压力，
1
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S为介质作用在阀瓣上的有效面积，f为阀瓣与阀座之
间的相互压紧力，Ps为开启压力，∆F为安全阀阀瓣一
个向上的附加拉力。
如果凭借外部作用，而为相关阀瓣提交对应的附加拉力∆F，那么除开抵抗相关介质作用力和压紧力，有关预紧力还应当克服对应的附加拉力（详细信息如图2c所示）。随着实际附加拉力的逐渐增加，实际存在压紧力逐渐缩减。在压紧力接近于零的状态下，密封阀会逐渐抵达开启状态，此时实际作用和附加力的总和，正好能够克服对应的预紧力（详细信息如图2d），即：
Fd=PO·S+∆F在以上公式中，对应的预紧力Fd为常数，由此我们能够计算得到：
Ps·S=PO·S+∆F以上等式两侧同时除以S，可以得到在线定压公式：Ps=PO+∆F/S4 安全阀在线校验关键技术
（1）安全阀在线校验判开准则。对安全阀实施在线校验时，在线校验装置所带来的附加外力逐渐增加，当附加外力和系统自身介质作用力总和与弹簧预紧力相同时，阀瓣微微打开，因为介质作用面积即刻增加，造成系统自身介质作用第一时间增加，附加外力瞬时降低，当阀瓣达到关闭点后，因为介质作用面积瞬间减小，导致系统自身介质作用力第一时间减小，为确保阀瓣受力平衡，附加外力瞬间反弹，进而产生第二特征点B。如下图3所示，特征点判开法按照安全阀开启时附加外力产生的A与B两个特征点对整定压力实施测量。选择特征点法来实施安全阀在线校验需要承压设备中存在一定的介质，对处在整修或是内部不存在介质的设备，在线校验过程中附加压力变化曲线一般不存在特征点A与B，所以特征点判开法在应用过程中依旧会存在局限性，同时不具备统一的标准认可。
阀瓣微动法按照国家相关标准中关于安全阀整定压力的定义来判定安全阀开启，即是附加外力作用下阀瓣逐渐上升，开始有可测量的开启高度，另外系统中高压介质因为阀瓣微动存在音频激荡，此时能够判定安全阀处在开启状态。
（2）附加外力的施加。安全阀在线校验时因为设备中介质压力没有达到安全阀开启压力，必须要附加外力让安全阀开启，同时对安全阀开启瞬间时附加外力进行准确测量。施加的附加外力方向应当和安全阀阀杆方向保持一致，若出现偏差必然会造成安全阀开启的力仅仅是附加外力沿阀杆方向上的一个分力，导致测量所获得的附加外力比真实情况下偏高，对安全阀在线校验测量精度产生影响。所以必须要尽快的研发出一套相匹配的支撑设备来给附加外力创造一个相对稳定和可靠的环
图3 附加外力变化曲线
境，我们把这套支撑设备称为安全阀在线校验机械夹具。因为目前化工电力等行业所使用到的安全阀类型较多，结构尺寸各不相同，所以机械夹具应当具备一定的通用性，可以满足各种型号的安全阀。
（3）阀瓣有效面积。当我们准确获得安全阀开启瞬间的附加外力之后，必须要按照公式Ph=Fs/Ay把附
加外力转化成为和设备中介质压力相等同的工作压力。公式中Ay指的是阀瓣面积，但针对安全阀的国家标准中并未对阀瓣结构给出较为清晰的定义，各个安全阀生产厂家所生产的安全阀阀瓣结构尺寸也可能存在一定的差异。所以现阶段市场中对安全阀实施在线校验时基本上都按照过去的经验把安全阀流道直径加上3.5mm作
为阀瓣直径予以计算，即根据公式A(R1+3.5)2
y=π
/4，而对应的国家标准规定中针对安全阀流道直径做出了非
常清楚的定义，流道直径大小能够直接按照生产企业设置在安全阀上的铭牌中读取，阀瓣直径和流道直径如下图4所示。
1.阀座 2.阀瓣图4 阀瓣直径与流道直径
5 安全阀在线校验技术的基本流程
安全阀在线校验基本流程为：第一，对作业人员实施安全教育培训，查看作业人员的安全防护设备是否正常；第二，对检测仪器进行查看，确保其处于正常运行状态；第三，及时和调度人员取得联系，保证远传压力能够和现场压力相同，若出现偏差第一时间通知仪表人员实施校验，校验准确后应当以现场压力为准；第四，对安全阀在线校验仪实施安装作业，详细步骤为：①安装机械夹具，拉力位移传感器以及限位强关器；②将液
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压控制系统和各组信号线进行连接；③开机查看各个组件的配合，同时设置好最大开启高度；第五，安装工作结束之后，输入数据信息，由设备员和调度中心取得联系之后对系统实际运行压力进行核对，上报到安全阀校验人员同时输入主机；第六，对安全阀实施在线校验，详细步骤如下：①确定检测方式；②选择液压提示系统提升阀杆；③显示开启压力读数；④进行反复三次检测，取平均数作为开启数据；⑤对不满足开启压力的安全阀，
选择调压螺母实施调整；⑥调整后再检测，以符合规定开启压力为准；⑦对相关数据信息予以记录；第七校验结束后，作业人员应当对接受在线校验的安全阀实施铅封，由使用车间设备员上报调度中心，结束校验。
6 安全阀在线校验技术优点及相关问题
（1）安全阀在线校验技术优缺点。安全阀在线校验的主要优点包含了：首先是准确度较高，在安全阀的正常使用过程中进行校验，不需要考虑温度、背压等其他环境影响因素，能够有效避免在进行离线校验过程中对整定压力造成的影响；其次是经济性较高，在线校验不会对设备的正常工作造成影响，能够避免安全阀停用后所带来的产值成本损失；最后是安全性较好，在线校验能够确保达到安全阀每年定期检测一次的标准，防止系统压力升压实跳的高风险。
而安全阀在线校验的缺点主要为：一方面在线校验依旧存在一部分不确定性因素，危险性相对来说比离线校验要大；另一方面是在线校验无法对安全阀密封性能进行测试，无法校验回座压力。
（2）安全阀在线校验技术应用中的关键问题。首先，配套阀杆多功能卡具安全阀在线校验设备的基本原理一般是在安全阀阀杆上给予液压拉力，进而让阀门弹簧力降低，实现校验目标。所以安全阀阀杆是十分关键的配置，现阶段所采用的安全阀包含了诸多类型，其安全阀阀杆具体形状与尺寸大小也各不相同，即便现阶段依旧有很多不同类型的阀杆，但为促进安全阀在线校验设备适用性的不断提升，还应当尽快研制出现代化的配套阀杆多功能卡具。其次，对不同类型安全阀的阀座尺寸应当有充分的了解。安全阀阀座尺寸是实施在线校验工作必须的数据信息，应当在实施在线校验之前就应当有全面的了解，唯有充分掌握不同类型的安全阀阀座尺寸，才可以确保在线校验所得到的结果具备较高的准确性。唯有处理好上述两方面的问题，才可以保证安全阀在线校验技术具备更高的适应性，才可以为在线校验数据信息的准确性带来较高的保障，才可以把传统的安全阀拆卸下转运到校验设备实施校验所存在的问题予以优化和改善，才可以降低安全阀在线校验过程中所消耗的人力物力财力，确保安全生产，实现安全阀在线校验的最佳效益。
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表4比较项目/方案变频装置组成电机要求电缆要求系统谐波系统电压降散热维护可靠性造价
方案一（6kV高压变频）
移相整流变压器、变频单元及控制系统成套集成为成套设备
普通6kV电机普通中压电缆无输出谐波0.15%
方案二（0.69kV变频）
变频单元及制动电阻等元器件设置
690V变频电机1.8/3kV专用变频电缆
整体谐波量较大，需增加滤波装置。
1.7%
功率单元及隔离变压器，功率单元较多，总发热量较大；集成
主要需散热为制动电阻发热较大；分散布置散热效果好
设计散热效果差整套装置设置在变电所内；功率单元模块化设置，维护工程量户外箱变，需专门维护；系统组成元件技术成熟，
少，维护较为简便维护简单
元器件少，整体可靠性较高
740万元
元器件较多，但总体可靠性比较高
656万元
注：造价含高压柜以下包括变压器、变频器功率单元、变频器室，电缆、通风及电机等设备材料
变频驱动方案为全高压变频启动，变频设备设置在变电所的空间以满足散热要求。参考文献：
[1]白霞等.变频器原理及实训，清华大学出版社，2012，07.
[2]西门子（中国）有限公司，满足最高要求的变频器选择，中压变频器样本.
[3]姚青.变频驱动技术在上海港罗泾矿石码头皮带输送系统中的运用[J].港口科技，2009，8.
[4]张敏.谈变频技术在皮带运输系统中的意义[J].价值工程，2012，4.
（上接165页）
7 安全阀在线校验技术的应用及前景
安全阀在线校验技术是近年来应用较为广泛的技术，它适用于锅炉以及压力容器等设备的弹簧式安全阀开启压力检测，这是因为对开启压力实施在线测量时，装置无需停止运行，生产作业能够与测量作业共同进行。安全阀在线校验设备目前在石油化工、电力、冶金等行业中都有了进一步的普及应用，比如说北京邦备机电公司研发生产的NSH型在线仪目前在很多电厂的安全阀校验作业中普及应用；而北京沙陀石化公司研发生产的ST-2000型在线仪目前在中石化茂名分公司的安全阀校验作业中得以应用；目前北京某电厂的汽机与锅炉的大小修和日常维护保养过程中，采用安全阀校验技术进行调试的弹簧式安全阀已经接近1000余个，同时对部分安全阀实施升压实跳验证，得到的装置重复性误差以及测量误差都不大于1%。这一指标与《电力工业锅炉压力容器监察规程》中的相关标准相符合。与此同时神华集团榆林能源化工有限公司正利用北京邦备公司技术，针对其装置的1490台安全阀进行在线校验，有效的降低了阀门拆装以及吊装运输成本，对安全阀事故隐患实现了有效控制，获得了巨大效益。
8 结语
综上所述，选择安全阀在线测试装置对安全阀实施校验与整定，在很大程度上转变了传统的校验手段，让安全阀调试与测量准确度有进一步的提升，也让获得的整定值更为可靠，操作更加规范，有效降低了劳动强度，也节省了大量的燃料与蒸汽，其安全性能与经济效益非常明显，为各企业的持续健康发展带来了坚实的保障。参考文献：
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