制氧機安全閥在線校驗技術的研究與應用

呂國鋼等

摘 要：為了保障制氧機組安全閥的工藝性和安全性得到有效、可靠的保證，通過安全閥在線校驗技術的應用，既可以保持機組連續運行，又可以節省大量人力、物力，較少校驗成本，檢測得到符合實際工況條件下的整定壓力值，因此，具有同等條件的制氧機組的安全閥采用安全閥在線校驗技術是可行和可靠的。

關鍵詞：制氧機 安全閥 在線校驗

中圖分類號：TH134 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0125-02

本鋼氧氣廠作為本鋼集團公司內易燃易爆重點危化品生產單位，承壓類特種設備較多，相應的安全閥數量也多，全廠各類安全閥總計200余只，其中大部分為空分冷箱系統所用。該廠主力運行機組6、7、8號制氧機組為德國林德公司制造生產，設備常年運行，偶爾停機，而冷箱系統并不停，但是需要保持正壓，防止濕空氣進入塔內。安全閥校驗只能在設備中修（5年一次）和大修（10年一次）期間進行，不符合的安全閥每年至少進行一次校驗的周期要求。為解決這一問題，本鋼特種設備檢驗檢測站建議采用安全閥在線校驗技術。結合制氧機運行狀況復雜，介質狀態不同，運行壓力變化大，檢測部位落差大等特點，由本鋼特檢站編制確實可行的校驗方案。經廠方領導及設備、安全等相關部門確認后，為盡最大程度降低校驗工作可能對設備運行造成影響，安全閥在線校驗均安排于機組臨檢修前，甚至停機（設備充氣保護）時進行。自2012年10月份起陸續開展安全閥在線校驗工作，試驗性對后備系統20只安全閥在工況條件下進行在線校驗，效果良好。2013年3月～9月安全閥在線校驗總數146只，安全閥在線校驗占比為73%。2014年5月—10月安全閥在線校驗總數177只，安全閥在線校驗占比為88.5%。2015年5月7、8號機校驗94只。其余安全閥由于結構形式（閥桿不外露）和安裝位置不適宜（工藝管道與安全閥太近，夾具的框架無法安裝）安全閥在線校驗，因此只能在停機狀態下進行離線校驗。

1 安全閥在線校驗應用

1.1 安全閥在線校驗的概念

所謂安全閥的在線校驗就是在使用狀態下對安全閥的開啟壓力進行檢測、整定的過程。

1.2 安全閥在線校驗應具備的條件

（1）合格、準確、專業的校驗設備；（2）配備專職的校驗人員；（3）完善的安全閥在線校驗作業規程；（4）安全閥在線校驗所需要的輔助條件。

1.3 安全閥在線校驗基本原理

彈簧安全閥的開啟、關閉動作是依靠其進口端的介質壓力變化和彈簧預緊力來使閥芯自動開啟及關閉。當介質壓力（內壓）升高到提升力比彈簧預緊力大時，閥芯克服彈簧預緊力自動開啟，泄放多余的介質，使內壓下降，又由于彈簧力的作用，當內壓降至安全值時，閥芯自動關閉，泄放停止。我們先了解下列的符號：Fd —彈簧預緊力；P0 —安全閥入口壓力（系統介質壓力）；S —介質作用在閥瓣上的有效密封面積；f —閥門密封件（閥瓣與閥座）之間的相互壓緊力；Ps —安全閥的開啟壓力；Δ F —作用于安全閥閥瓣一個向上的附加提升力。為簡化起見，我們來考察一個處于關閉狀態且正常運行的安全閥的受力狀況（圖1a）。

向下作用于閥瓣的彈簧預緊力Fd，一部分用來抵抗介質作用力P0·S，另一部分產生閥門密封件之間的相互壓緊力f，該力足以保持安全閥呈密封狀態。隨著介質壓力的提高，密封件間的相互壓緊力亦隨之減少，當介質壓力達到開啟壓力Ps時，相互壓緊力f等于零，安全閥開啟（圖1b）。

此時滿足：Fd = Ps · S （1），這個開啟狀況也就是安全閥離線校驗的原理。

如果從外部作用給安全閥閥瓣一個向上的附加拉力ΔF（該文所指的在線調校技術是在安全閥入口帶壓情況下，借助外加力將安全閥開啟，以便測量其開啟壓力），則除抵抗介質作用力與密封件間產生的相互壓緊力外，彈簧預緊力還需克服該附加拉力（圖1c）。

隨著附加拉力的增加，密封件間的相互壓緊力將逐漸減小。當壓緊力f等于零時，安全閥密封完全喪失而達到開啟狀態，此時介質作用力與附加力之和剛好克服彈簧預緊力（圖1d）。

安全閥開啟，此時滿足：Fd=P0·S +ΔF （2）

顯然在（1）（2）公式中，作用在閥瓣上的彈簧預緊力Fd=常數，則可以得出：Ps·S = P0·S +ΔF，等式兩邊同時除以S，就得到安全閥在線校驗的基本公式：Ps = P0 +。安全閥在線調校技術就是根據這個公式實現的。

1.3.1附加拉力的確定

在線校驗技術核心問題是如何施加外力，如何測量和記錄外力，以及如何判別安全閥呈開啟狀態。不同的調校裝置在解決這些問題時采用不同的辦法。作用在閥瓣上的外加力是通過延伸到閥外的閥桿施加的，這就保證了在線測量時裝置完全不接觸介質，不受介質壓力、溫度影響。施加外力的方式采用油壓千斤頂（油缸）。外加力測量一般為電阻應變片式拉壓力傳感器，配以各種二次計量儀器，如快速電子記錄器、單片機系統、微機等來實現的。

1.3.2有效密封直徑的測量

現場校驗時閥體不能拆解， 閥門密封直徑數據無法進行實際測量。通常采用兩種方法。

⑴憑經驗曲線查找。現場校驗的安全閥為德國CROSBY閥，通常銘牌標注喉徑，在前期準備工作中對該品牌的多種規格備用閥或報廢閥通過解體測量密封直徑，建立密封直徑與喉徑關系曲線。因此，可以利用插入法在曲線上查找相應喉徑的密封直徑。

⑵壓差法。利用壓差法確定有效密封直徑，即通過改變系統工作壓力，計算安全閥的整定壓力有效密封直徑。壓差法基本原理如下。

通過Ps = P0 +ΔF/S公式可發現，P0、S一般是已知的，ΔF可以通過安全閥在線調校儀測出，這時就可以計算出Ps。假設我們把S看作未知數，設：X=1/S，則Ps = P0 +ΔF/S可變為：

Ps-P0-ΔF·X=0，式中Ps、X為未知數，P0、ΔF為系數。為了計算出Ps、X，分別在工作壓力為P01、 P02時在線開啟安全閥，這時外加提升力分別是ΔF1、ΔF2，此時ΔF1、ΔF2 單位是千克，要轉換成牛（1Kg=9.8N）。

把以上系數代入Ps-P0-ΔF·X=0得方程組為：Ps-P01-ΔF1·X=0；Ps-P02-ΔF2·X=0

這時，如果

則可解方程得：X= （P02-P01）/（ΔF1-ΔF2）； Ps=（ΔF1· P02-ΔF2· P01）/（ΔF1-ΔF2）；S=（ΔF1-ΔF2）/（P02-P01）； 再由S=πd2/4得出：d= √4S/π.

這樣，就可以計算出安全閥的有效密封直徑，這種方法適用于系統壓力可變，尤其是系統開車過程中壓力逐漸上升時，具體實施時可讀現場壓力表。

安全閥在線調校中有效密封直徑的推算法，可避免要預知有效密封直徑，解決了無有效密封直徑不能在線校驗安全閥的實際問題，提高了在線調效的工作效率。

1.3.3 判開準則

安全閥在線調校裝置的判開準則是指在施加連續外力的過程中，判別閥瓣已達到開啟狀態的事實依據。安全閥開啟壓力的科學定義為“安全閥閥瓣在運行條件下開始升起時的進口壓力，在該壓力下，開始有可測量的開啟高度，介質可呈現由視覺或聽覺感知的連續排放狀態”。實踐表明，對于工業應用，最常用的方法是用聽覺感知安全閥的開啟，即以開始聽到介質的連續排放聲為判開準則。

校驗裝置采用音頻和位移（觸點）兩種方法，分別代表開啟壓力術語中聽覺、視覺兩種判開依據，通過這兩種方法都可以完成對安全閥開啟壓力的測量。

2 安全閥在線校驗的優點

（1）在線校驗免去安全閥拆、裝和運輸環節，也可以避免安全閥回裝過程中接口發生泄漏的情況，提高可靠性提高。經過多方詢問和嘗試，該廠已經建立起來安全閥在線校驗的收單；

（2）對于氧氣介質，在線校驗可以免去安全閥校驗后的脫脂去油工作，安全性提高；

（3）在線校驗可在設備不停機狀態下運行，不占用生產時間，能夠化解生產與檢驗二者時間上的矛盾，避免了因停機造成的不必要的經濟損失。

（4） 雖然在費用方面在線校驗比離線校驗稍高，但考慮包含人工費、運輸費、機械費用和停工損失等，則比在線校驗費用明顯偏低，且閥門越大性價比越高，如8號機粗氬塔安全閥，口徑DN300，在線校驗費用為6190元，如果按離線校驗進行，需要用300噸吊車，臺班費加人工費用不少于4萬元。綜合起來看在線校驗可以減少校驗的間接成本。

（5）不受背壓影響，檢測出實際工況條件下安全閥整定壓力值。

3 結語

制氧機的工藝介質多樣如氧氣、液氧、氮氣、液氮及空氣等均是潔凈的，而且制氧機具有適宜的檢測平臺，閥門結構合理，這些是安全閥能否進行在線校驗的必要條件。反之，該廠3、4號機沒有適宜的檢測平臺，5號機閥桿不外露，因而無法實現安全閥在線校驗。通過近三年來對本鋼氧氣廠6、7、8號制氧機安全閥在線校驗，結合歷次檢測結果的對比，同一位號的安全閥幾次的檢測結果相差不大，均在誤差許可的3%范圍內，在使用周期內沒有發生突跳、泄漏等異常情況，檢測數據真實可靠；安全閥的在線校驗在保證安全的前提下為企業節省了大量的人力和物力，關鍵是減少了因設備停機所造成的經濟損失。因此，我們認為安全閥在線校驗技術對制氧機安全閥的應用是可行和可靠的。

參考文獻

[1] 安全閥[M].北京：中國特種設備檢驗協會，2009：341-358.

[2] GB/T12241-2005，安全閥一般要求[S].北京：中國標準出版社，2005.