安全阀在线校验阀瓣位移法可行性研究

朱海清，汪爱涛，张茂力( 江南大学机械工程学院，无锡 214122)

摘要: 针对安全阀在线校验判开过程过于复杂而导致校验结果精度不高及不稳定的问题，对安全阀在线校验判开方式和安全阀在在线校验过程中的动作原理进行了研究，提出“阀瓣位移法”作为安全阀在线校验判开方法。通过介绍“阀瓣位移法”的理论依据，对其进行详细计算推导，得出了“阀瓣位移法”理论公式。实验结果表明: “阀瓣位移法”作为安全阀在线校验判开方式是可行的，在简化在线校验过程同时，有效提高了在线校验结果精度及稳定性。

关键词: 安全阀; 在线校验; 阀瓣位移

0 引言

安全阀在线校验技术的出现，在很大程度上弥补了离线校验带来的不足。离线校验技术必须将安全阀从企业生产装置拆卸下来进行校验，这就要求企业生产装置必须做停车处理，然后把安全阀从生产管道上，送至规定的校验站，在检验站里的校验台上进行校验测试。在《蒸汽锅炉安全技术监察规程》、《压力容器安全技术监察规程》明确提出: 一般在校验台上只校验开启压力和密封性。安全阀在线校验是指在企业生产设备在不停车的状态下，即安全阀不会从设备管道拆卸下来，对安全阀进行规范的校验。由于安全阀在线校验时，实现生产设备不停车，所以极大地提高了企业的生产效率。

根据国际通用的标准化术语以及原劳动部颁发的“关于在用锅炉压力容器安全阀校验的若干意见”之附录 6“术语”的要求，安全阀开启压力科学定义为“安全阀阀瓣在运行条件下开始升起时的进口压力，在该压力下，开始有可测量的开启高度，介质可呈现由视觉或听觉感知的连续排放状态”。基于上述“可测量的开启高度”，本文提出以“阀瓣位移法”作为安全阀判开时的标准。

1 在线校验原理

在线校验是指设备在正常运行条件下，设备的压力在不能使安全阀正常开启的状态下，向下作用于阀瓣的弹簧预紧力 Ft，其一部分用来抵抗介质的作用力( P·S) ，另一部分产生阀门密封件之间的相互压紧力。当在线校验仪作用一外部向上的附加外力 FS于阀杆上，以附加外力 FS来克服安全阀阀门密封件之间的相互压紧力，使安全阀被迫开启，以此校验安全阀整定压力。安全阀在线热态校验原理如图 1 所示。

安全阀开启压力P_S为:

式中: P 为系统介质压力; F_S为安全阀开启时附加外力; S 为阀芯面积。

安全阀在线校验时，P 为已知值，FS由压力传感器测知。根据在线校验理论，当系统介质压力一定时，液压油缸稳定地提供一逐渐增加的附加外力，然后系统介质压力与液压油缸附加外力共同克服弹簧预紧力，从而使安全阀阀瓣产生位移。

式中: P1为液压油缸实时压强; A1为液压油缸活塞面积。

再由劲度系数式(3) 、胡可定律式( 4) 及式(5) :

安全阀开启压力 PS为:式中: P 为系统介质压力; FS为安全阀开启时附加外力; S 为阀芯面积。安全阀在线校验时，P 为已知值，FS由压力传感器测知。根据在线校验理论，当系统介质压力一定时，液压油缸稳定地提供一逐渐增加的附加外力，然后系统介质压力与液压油缸附加外力共同克服弹簧预紧力，从而使安全阀阀瓣产生位移。

式中: k 为弹簧劲度系数; G 为材料刚性模数; d 为弹簧线径; Nc为有效圈数; Dm为弹簧中径; F 为弹簧受力;Δx 为阀瓣位移; x 为阀瓣与阀座压紧时弹簧长度。

因弹簧劲度系数( 弹性系数) k 只与弹簧本身特性以及工作温度有关，所以当弹簧本身特性以及工作温度不变时，弹簧劲度系数 k 就是定值。基于 k 值不变,当系统介质压力不变时，液压油缸附加外力在缓慢增加时，阀瓣实时位移 Y 与液压油缸实时压力 X 间应满足 Y = AX + B 线性关系，其中 A、B 为常数，所以理论上根据阀瓣位移作为安全阀开启判开方式是可行的。

2 实验取值及数据分析

根据以上原理，选取标准的位移传感器、压力传感器，且制作一套合乎测量要求的数据采集系统来进行实验验证。阀瓣位移法作为安全阀在线校验是判开基准，就是根据待校验安全阀型号参数选取其阀瓣开启的位移值。将其位移值输入校验系统，当系统测知阀瓣位移已达到开启时输入位移值( 整定位移) ，则视安全阀已正常开启，输出相对应的压力，即为整定压力。本文将从多角度验证阀瓣位移法作为判开标准的可行性。

2.1 离线校验验证

离线校验验证是指安全阀置于离线校验台上校验，用位移传感器测量在安全阀开启时是否有可测量的阀瓣位移。该部分实验选取多支安全阀，弹簧式安全阀型号以及测量数据如表 1 所示。从实验数据可看出，安全阀在开启时，的确有着可测量阀瓣位移值。

2.2 在线校验系统验证

该部分实验利用以“阀瓣位移法”为基础的在线校验系统，在整定位移值不同的情况下，对实验安全阀进行多次校验测定整定压力。验证当安全阀在不同阀瓣位移情况下，校验结果数据变化，从而论证基于“阀瓣位移法”为判开方式的校验系统校验测定安全阀的可行性，不同整定位移测定压力( 实验数据) 如表 2 所示。

从数据中反映出，当整定位移值从 0.010、0.015和 0.020 mm 依次增加时，实验安全阀整定压力也随之变大。实验数据表明: 当得知待校验安全阀整定位移时，以“阀瓣位移法”作为在线校验判开方式可准确测定安全阀整定压力。

2.3 在线校验模拟验证

对试件安全阀进行在线校验模拟校验，通过外压力气源模拟设备系统压力，以不同系统压力来校验安全阀整定压力。通过具体实验数据来说明阀瓣位移法的可行性以及准确性，不同系统压力安全阀测定整定压力值( 实验数据) 如表 3 所示。

试件安全阀分别在设备系统压力为 1.1、1.6 和2.0 MPa 情况下，通过本校验系统测定的整定压力与离线整定压力的误差在 3 % 范围内。根据《安全阀安全技术监察规程》、《安全阀校验要求》之规定“当整定压力大于或等于 0.5 MPa 时，允许误差范围为整定压力的 ± 3 % ”及国标《安全阀一般要求》之规定“整定压力偏差不应超过 ± 3 % ”，实验结果表明: 当设备系统压力不同时，以“阀瓣位移法”作为判开方法保证了在线校验结果的精准度，但前提条件是要准保输入当前设备系统压力。

2.4 模拟实验数据线性关系分析

在校验过程中，根据采集的数据进行线性拟合得到如图 2 所示的结果。图 2 中，Linear Fit of 位移-压力为位移压力拟合线性曲线。

从图 2 所示可以看出，数据拟合近乎于一条直线。拟合度 Ｒ2都达到 97.8 % 以上，且拟合直线函数关系式对应在图 2a、图 2b、图 2c、图 2d 的下方。图 2 所示表明: 基于“阀瓣位移法”在线校验系统校验结果拟合函数符合推导式( 3) 线性关系，从而进一步说明了阀瓣位移法的可行性。

3 结语

从理论角度上，根据安全阀开启压力科学定义与在线校验原理公式及其推导公式，可判定在线校验过程中阀瓣实时位移值 Y 与液压油缸实时压力值 X 存在着一次函数线性关系，这为“阀瓣位移法”可作为安全阀在线校验判开方法提供了理论依据。从实验角度，通过多项实验研究及实验数据分析，以“阀瓣位移法”作为判开方式，在线校验结果具有高精度。同时，分析实验数据拟合出线性函数也高度符合理论推导函数关系，这就为“阀瓣位移法”作为安全阀在线校验判开方法提供了实验基础。所以，可判断以“阀瓣位移法”为基础来开发安全阀在线校验系统具有很好的市场前景。