具有柔性阀瓣的弹簧式安全阀在线整定技术

2019-09-28 15:01 来源：钢铁世界网作者：dengys

1．1弹簧式安全阀的工作原理
安全阀弹簧的预紧力FT通过阀杆传递给阀瓣上方，而系统内介质的压力作用在阀瓣下方，在FT的作用下阀瓣的密封面与喷嘴密封面紧紧结合，从而起到密封作用。当系统的介质的作用力Fx与FT平衡时，阀门开始起跳，即安全阀开始起座。起跳压力等于，其中f表示阀门内部零件的机械摩擦力。当安全阀起跳排放降压，直至锅炉容器内的介质的压力降低到作用于阀瓣上的力小于弹簧的作用力时，安全阀才能回座关闭，其结果是保证锅炉设备在规定的压力范围内工作。
1．2 Crosby柔性阀瓣的弹簧式安全阀的结构特点
由于Crosby具有柔性阀瓣的弹簧式安全阀是在阀瓣密封面背侧加工了一道环形的凹槽，这就使阀瓣的密封面具有一定的弹性，所以这类阀瓣叫做“柔性阀瓣”。
从结构上比较，柔性阀瓣对于普通平面阀瓣的优点在于：
①降低了阀杆力的作用点，密封性能提高。普通平面阀瓣的阀杆力作用点不但高于密封面，而且非直接作用在阀瓣上。对于柔性阀瓣的阀门，阀杆力作用点降低到密封面以下，而且直接作用在阀瓣上。这种结构上的改进使阀门的抗震动能力大幅提高，也就是密封稳定性大幅提高。换句话说，在阀门存在相同程度震动的情况下，柔性阀瓣阀门更不容易发生泄漏。这种性能已在安全阀实际运行中得到验证。
②“柔性阀瓣”结构不但提高了运行密封性能，而且提高了保持密封性的运行压力值。对于设计普通平面阀瓣，当运行于压力升高到阀门设定压力(即整定压力的95％)时阀门会出现“预泄”。对于弹簧式安全阀来说，“预泄”的存在是正常现象，而“预泄”的存在在一定程度上可以帮助弹簧式安全阀起跳。因此克罗斯比公司将弹簧式安全阀的设计压力与最大运行压力的差值定为5%以上。“柔性阀瓣”结构将系统压力导入阀瓣密封面背侧的环形的凹槽并作用在与阀瓣密封面相对的环形斜面上，由于密封面具有一定的弹性，随着系统内介质压力的升高，阀瓣密封面被系统的压力向下推压产生微小变形，并与喷嘴密封面紧密结合，从而使阀门预泄点推迟。在保证阀门整定压力准确的前提下、“柔性阀瓣”结构可以使阀门在运行压力达到设定压力96％以上仍然无泄漏。通过我们对Crosby弹簧式安全阀整定校验的结果统计表明，柔性阀瓣的安全阀的预泄点可以达到了整定压力的98.5％甚至99％，而且起跳准确、回座干脆、无泄漏现象。
2．柔性阀瓣的弹簧式安全阀的在线整定技术分析与探讨
依据《电力工业锅炉压力容器监察规程》（DL 612-1996）的有关要求，锅炉安装和大修完毕及安全阀经检修后，都应校验安全阀的起座压力。纯机械弹簧式安全阀可采用液压装置进行校验调整，一般在75%～80%额定压力下进行。经液压装置调整后的安全阀，应至少对最低起座值的安全阀进行实际起座复核。安全阀应定期进行放汽试验。锅炉安全阀的试验间隔不大于一个小修间隔[1]。
仪器在线测量方式是目前较为先进且普遍采用的方法。弹簧式安全阀的在线仪表测量装置的种类较多。如英国FURMANITE公司于八十年代研制的TREVITEST安全阀检测系统和Crosby公司生产的便携式液压压力整定装置（HSPD）等。但它只能校验出厂前或检修后预定的起跳压力是否准确，并不能检验起跳时间的长短、起跳回座压力的高低、启闭压差的大小及动作过程中出现的问题。所以用此类装置校验的安全阀动作的准确性，最终还要实际升压加以验证。
2．1弹簧式安全阀在线测量整定装置的设计原理
弹簧式安全阀的开启、关闭动作是依靠其进口端的介质压力变化和弹簧预紧力来使阀瓣自动开启及关闭。当介质压力（内压）升高至其所产生的提升力比弹簧预紧力大时，阀瓣克服弹簧预紧力自动开启，泄放多余的介质，随着系统内介质的压力降低，又由于弹簧力的作用，当内压降至安全值时，阀瓣自动关闭，泄放停止根据这个原理，可以设想，在线（又称热态）测量或调整安全阀时，如果由外部提供一个向上的附加力，则当介质压力与这个附加力的总和刚刚克服弹簧预紧力时，阀瓣同样也会开启，甚至在没有介质作用的离线（又称冷态）条件下，单独由外部附加力克服弹簧预紧力时，阀瓣也可开启动作，图1清楚地表示了这种力的平衡关系。
很明显，我们可以看出，此时阀瓣开启动作的条件为：
式中 FT——弹簧预紧力，N；
FW——安全阀起跳时加在阀杆上的外附加力，N；
PX——系统内介质的压力，MPa；
S ——密封面积，mm2；
冷态时开启动作压力Ｐ为：
则在热态时开启动作压力Ｐ为：
显然，在一般情况下，如果能够准确地测定附加外力FW，就可以根据已知的阀瓣面积S和系统内介质的工作压力PX，很容易地求得安全阀的开启压力P。这即为安全阀在线整定技术的设计依据和原理。
2．2 弹簧式安全阀在线测量整定的技术依据
根据对弹簧式安全阀开启动作特性的分析[2]，可以得出：在外加力FW的作用下，一个安全阀从关闭到开启，再由开启到关闭的全过程中，外附加力FW的变化规律
统内介质的作用力之和正好为弹簧预紧力FT时，阀门微启，增大了介质作用面积Ｓ，使得用来克服弹簧预紧力FT的系统介质的作用力急剧增大，其结果在瞬间减小了外附加力FW。从而出现第一个特征拐点Ａ。当外附加力FW逐渐减小而达到关闭点时，由于介质作用面积忽然减小，为保持力的平衡关系，此时，外附加力会出现瞬间回升现象，即第二个特征拐点Ｂ。上述两个特征拐点Ａ和Ｂ是在线条件下检测弹簧式安全阀开启压力、回座压力的技术依据。
图2（ｂ）为冷态环境时的测试过程曲线，当安全阀未开启之前，外附加力FW克服阀瓣静态刚性力，当达到开启点以后，外附加力改为克服弹簧的弹性力，两者随时间变化的斜率不同，从而出现第一个特征拐点C，同样情况，在安全阀回座时也会出现另一个特征拐点D。这两个特征拐点分别对应安全阀的开启和回座动作位置点，这是作为冷态条件下测试弹簧式安全阀开启、回座压力的技术依据。
从以上分析可以看出，弹簧式安全阀在线测试技术的关键在于如何正确迅速地找到对应其开启动作的特征点。
2.3柔性阀瓣的弹簧式安全阀的在线整定技术分析与探讨
①人为因素影响对测量整定值的影响
目前，宝二发电公司现场采用的Crosby公司生产的便携式液压压力整定装置（HSPD），该测量装置均须由操作者人工判别安全阀起跳的特征点和活塞的瞬时压力值，通过手工计算出最终结果，整个测量过程均需多人密切协作参与，故测量结果的一致性受人为因素影响很大，测量精度难以确保。此类产品仅适用于自己厂家生产的安全阀，对国产和其他厂家安全阀就显得无能为力。九十年代起，国内也出现部分仿制型，在技术上并无太大突破，仍然存在测量一致性差、测量精度低的缺点。
NSH系列安全阀在线定压仪系由北京邦备机电技术有限公司及北京劳动安全技术装备中心研制开发的新型便携式仪器，其基本工作原理等同于英国FURMANITE的TREVITEST安全阀检测系统和Crosby公司的便携式液压压力整定装置（HSPD），但在设计和工艺上有重大突破。NSH系列安全阀在线校验仪可在机组停运或运行的情况下，仅需2-5秒开启时间即可完成对安全阀进行在线性能检测和工作参数检测，也可对经检测不合格的安全阀进行在线整定，可以测量和记录安全阀的开启压力和安全阀所在位置系统介质压力等参数。 ② 柔性阀瓣的密封面积S对整定值的影响
“柔性阀瓣”结构是在阀瓣的密封面背侧加工有一道环形的凹槽，使密封面具有一定的弹性，将系统压力导入阀瓣密封面背侧的环形凹槽，并作用在与阀瓣密封面相对的环形斜面上。随着运行压力的升高，阀瓣密封面被系统的压力向下推压产生微小变形并与喷嘴密封面紧密结合，随着压力的增加，阀瓣密封面会由其外径对应的面积向其内径对应的面积变化，从而使阀门预泄点推迟。
因此，引起柔性阀瓣的弹簧式安全阀的密封面积S的变化的因素主要有以下两个方面。
其一，随着具有柔性阀瓣的弹簧式安全阀的解体研磨检修，使得阀瓣的密封面积S逐渐增大，系统内的介质压力PX对阀瓣所产生的作用力Fx逐渐增大，势必造成柔性阀瓣的弹簧式安全阀的开启压力P的测量结果偏小。所以，如长期不加以修正，可能引起安全门的拒动。
其二，由于柔性阀瓣结构使得密封面具有一定的弹性，随着系统介质的压力和温度的升高，阀瓣密封面一方面在系统介质所产生的向下推压力的作用下发生微小变形，另一方面阀瓣的密封面随其温度的升高发生膨胀变形，其结果是引起柔性阀瓣的密封面积S发生变化。
在大多数安全阀在线整定装置的设计中，安全阀的密封面积S被视为定值，
安全阀的密封面积计算的一个近似公式，它是综合考虑了各种因素而提出的，它与理论计算和实际整定过程中的安全阀的密封面积均存在有一定的差距。
经过计算分析可以得出，如果仅不考虑系统内介质的工作压力PX变化对柔芯阀瓣的密封面积S的影响的条件下。具有柔芯阀瓣的弹簧式安全阀开启压力在线测量的相对误差值已大于2％，远远超出了安全阀整定的起座压力允许范围为整定压力值的1%的规定[3]。
由此可见，在弹簧式安全阀在线测量整定过程中，系统内介质的工作压力PX对柔性阀瓣的密封面积S的影响还是相当严重的，如不加以考虑，就势必造成安全阀的拒动或误动，严重威胁着设备的安全。

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