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具有柔性阀瓣的弹簧式安全阀在线整定技术分析与探讨 发布时间:2006-6-22信息来源：中国安全阀检修校验网具有柔性阀瓣的弹簧式安全阀在线整定技术分析与探讨 董万印（宝鸡第二发电有限责任公司，陕西 宝鸡 721405） 【摘 要】分析了弹簧式安全阀在线整定技术的工作原理及其依据。针对具有柔性阀瓣的Crosby弹簧式安全阀的结构特点。对影响其在线测量整定准确性的主要因素进行了探讨。并提出了在柔性阀瓣的密封面积未知的情况下，即可实现对弹簧式安全阀的开启动作压力的在线测试方法。 【主题词】锅炉 弹簧式安全阀 柔性阀瓣 在线整定 陕西宝鸡第二发电有限责任公司总装机容量4300MW，于1998年底开始相继投入运行。锅炉采用东方锅炉厂生产的DG1025/18.3-9型亚临界、一次中间再热、自然循环、平衡通风、单炉膛型露天布置、固态排渣、全悬吊结构燃煤汽包锅炉。每台锅炉的过热器出口管道、再热器入口管道、再热器出口管道、汽包两端设计安装了11台由美国安德森格林伍德克罗斯比(Anderson Greenwood /Crosby)阀门公司设计与制造的弹簧式安全阀，其中过热器出口和汽包两端的安全阀采用柔性阀瓣。 1 弹簧式安全阀的工作原理及特点 11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。 12 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： 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。 “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 依据电力行业标准电站锅炉安全阀应用导则（DL/T959-2005）8.2.1对使用我公司生产的安全阀在线定压仪校验安全阀有明确规定：“纯机械弹簧式安全阀及碟形弹簧安全阀可使用安全阀在线定压仪进行校验调整。校验调整可以在机组启动或带负荷运行的过程中（一般在6080额定压力下）进行”。8.2.2 首次经安全阀在线定压仪调整后的安全阀，应对最低起跳值的安全阀进行实际起跳复核，经复核，误差值在表5规定的整定压力偏差以内时，其他使用安全阀在线定压仪校验的安全阀可不必做实跳试验。8.2.3“使用的安全阀在线定压仪应保证与实跳值的误差在允许的范围内，并具有数据自动记录和处理功能，避免人为判断因素带来的误差。安全阀在线定压仪与被测安全阀应具有一定的安全距离。” 8.2.4 “ 安全阀在线定压仪所配的压力传感器和力值传感器应定期校验”。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。 21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为：则在热态时开启动作压力为： (1) 式中P安全阀的起跳压力，MPa； 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。 22 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的变化规律可见图2所示： 图2 外附加力FW的变化规律 图2（）为热态（在线）测试时的过程曲线，当附加力FW从零逐步增加，与系统内介质的作用力 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，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。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。上述两个特征拐点和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（）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 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。 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，它的计算本身存在着缺陷，其方法一般为： (2)式中di安全阀密封面的内径，mm；do安全阀密封面的外径，mm。 其实，公式（2）是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。 根据公式（1）可以得出安全阀起跳压力的相对误差为： (3) 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。 因此，对于具有柔性阀瓣的弹簧式安全阀在线整定的关键是准确确定安全阀的密封面积。 对于弹簧式安全阀来讲，弹簧的压缩(放松)与压力的理论关系是一个重要的参数。它是安全阀厂家必须提供的。它表示弹簧正向或反向旋转调整螺母一周，其安全阀起跳压力值升高或降低，此值为理论标准值，但必须注意不同的安全阀此值是不同的。利用安全阀的该重要参数即可计算出安全阀的密封面积和当前安全阀的起跳压力。计算的具体过程为：在系统介质的工作压力PX的情况下，使用安全阀在线整定装置，安全阀起跳动作时加在阀杆上的外附加力为FW1；在保持系统介质压力PX稳定的条件下，调节安全阀调整螺母一周后，此时安全阀起跳时加在阀杆上的外附加力为FW2，安全阀的起跳压力变化为（视其为矢量，即增加为+，减小为）。 依据弹簧式安全阀在线测量整定开启动作压力计算公式（1）可以得到如下二元一次方程组：(4) 解方程组（4）可得： (5) (6) 此方法必须保持在系统介质压力稳定的前提下进行，它避免了大量的实际测量和计算工作，实现了安全阀的密封面积未知的情况下对起跳动作压力的在线测量。需要指出的是，此方法计算得到的面积S已不是完全意义上的安全阀的密封面积，它是整合了整个测试过程中的所有影响密封面积的因素后得出的数值，所以，由此得到的安全阀的开启动作压力更接近于实际动作值。经过现场的实际测试，采用此方法得到的安全阀的开启动作压力较常规方法要准确的多，与实际开启动作压力的误差在1以内，符合有关标准规定值。 3 结束语 对于弹簧式安全阀在线测量整定技术的关键在于如何正确迅速地找到对应开启动作的特征点。采用NSH系列安全阀在线定压仪是解决测量结果的一致性和准确性,免受人为因素影响的有效措施。 根据对具有柔性阀瓣的弹簧式安全阀起跳过程的研究分析可以看出，确定柔性阀瓣的弹簧式安全阀开启瞬间阀瓣的密封面积S是确保安全门开启动作准确的关键。 在保持系统介质压力PX稳定的前提下，根据弹簧