安全閥密封試驗壓力體現節能原則

李林賢

(陜西省石化壓力容器檢驗站 西安 710054)

安全閥密封試驗壓力體現節能原則

李林賢

(陜西省石化壓力容器檢驗站 西安 710054)

以90%整定壓力作為安全閥的密封試驗壓力，會造成密封試驗壓力小于最大工作壓力的可能性，并因此引起在低于最高工作壓力時安全閥密封泄露可能超標的質疑。文章從密封的環節、泄露概率以及安全閥的選型三個方面，說明這種質疑是不必要的。并從調整密封試驗壓力會造成安全閥制造成本上升的角度，指出標準中安全閥密封試驗壓力的規定符合我國特種設備安全所提倡的節能原則。

安全閥 密封試驗壓力 泄露超標 節能原則

安全閥密封試驗壓力是進行密封試驗時的進口靜壓力［1］。它是一個標準規定值,通過在該規定壓力下測量密封面的泄漏率來對安全閥的密封性能進行評價。在安全閥校驗工作中,多年來存在著一個爭議,就是如果嚴格按照GB/T 12243—2005《彈簧直接載荷式安全閥》的規定,以90%整定壓力作為密封試驗壓力的取值,就會存在安全閥密封試驗壓力小于最大工作壓力的可能性,這種可能性會造成在大于密封試驗壓力和小于最高工作壓力的小區間內,安全閥密封泄露超出標準要求的情況發生。并且因此產生密封試驗壓力的選取應參考最高工作壓力的提議。

關于密封試驗壓力的規定,是不是標準的一個潛在缺陷,大家有沒有必要在安全閥密封試驗時對密封試驗壓力進行適當調整?下面將從密封的環節、泄露概率以及安全閥選型三個方面來說明,這種調整是不必要的。

1 安全閥密封試驗壓力的取值爭議和關聯因素

GB/T 12243—2005對密封試驗壓力的規定見表1。

表1 密封試驗壓力的規定

1.1 關于安全閥密封試驗壓力的爭議

筆者選擇具有代表性的兩篇論文中的相關論述作為參考,來說明彈簧式安全閥密封試驗壓力引起爭議的焦點。

例一:根據GB/T 12243—2005的規定,在整定壓力大于0.3MPa的情況下,安全閥密封試驗壓力,一般取90%的整定壓力,但是按照規定所取的密封試驗壓力有可能小于最高工作壓力。例如,某燃氣公司有一臺泵,其設計壓力16MPa,最大工作壓力14.5MPa,該公司委托校驗時,要求將安全閥的整定壓力按照設計壓力進行校驗。如果按照標準規定,密封試驗壓力應該為16×90%=14.4MPa。在最大工作壓力14.5MPa工作時,安全閥即使沒有起跳,卻也存在密封泄露大于標準要求的可能性。

所以安全閥密封試驗壓力不能僅僅按照標準規定的90%整定壓力進行取值,為了達到密封要求,其取值還必須要大于設備的最高工作壓力。這樣才會避免在安全閥進行密封試驗時,密封試驗壓力小于最高工作壓力的情況發生［2］。

例二:在石油化工企業的生產運行過程中,壓力容器的最高工作壓力和安全閥的整定壓力之差,小于0.03MPa或10%整定壓力的情況是很難避免的。

筆者曾經對某客戶的安全閥校驗狀況進行過統計,在該化工公司煉油廠一年所校驗的1483只安全閥當中,存在上述現象的有32只,占總數的2.16%。這些安全閥在以90%整定壓力進行密封試驗時,結果是符合要求的,但是由于安全閥本身的先天條件,很難保證其在最高工作壓力下的密封性能要求。因此僅按照GB/T 12242—89的規定進行安全閥的校驗和試驗,結果可能滿足不了實際生產的安全需要。所以在此類安全閥定期校驗時,安全閥所進行的密封試驗,應該將最高工作壓力作為密封試驗壓力的取值參考［3］。

有文獻指出GB/T 12243—2005中規定的密封試驗壓力有可能小于最大工作壓力,從而造成密封泄露可能性的擔憂。并在其后的論述中針對此狀況提出,以最大工作壓力為基準進行密封試驗的對策。

擔憂之余,彈簧直接載荷式安全閥密封實驗壓力的規定,需要不需要調整?

1.2 密封試驗壓力的關聯因素

密封試驗壓力存在的意義,在于驗證安全閥回座后的密封性能。從大方面講,密封性能只與兩個因素有關,一個是安全閥本身具備的密封能力;另一個是介質的壓力。整定壓力是以介質壓力為依托來進行選定,因此與最高工作壓力有直接的關系;而密封試驗壓力作為一個以整定壓力為基準的規定值,與最高工作壓力有沒有直接的驗證性關聯,這才是以上兩個例子所持觀點是否成立的前提。

以90%整定壓力作為密封試驗壓力這個取值的依據,在目前的著作文獻中找不到相關的理論釋義,但是可以利用國內國際相關標準中對密封試驗壓力的規定內容,采用排除法對密封試驗壓力的關聯因素做出判斷。

按照GB/T 12243—2005和ASME《鍋爐與壓力容器規范》(2013版)第Ⅷ卷制造的安全閥,其出廠試驗密封性能指標和API Std 527—2014《泄壓閥閥座的密封性》的要求都是相同的。但是在ASME《鍋爐與壓力容器規范》(2013版)第Ⅰ卷(動力鍋爐建造規則)中,提出高性能蒸汽安全閥其密封試驗壓力應在最大工作壓力下進行,不過同時以該閥門的回座壓力進行了最高值的限制。高性能蒸汽安全閥是一種適用于蒸汽介質的,可以在高溫高壓環境下通過結構上的特殊設計來保證良好密封性能的閥門［4］。

GB/T 12243—2005的替代標準 GB/T 12242—89的起草制定,參照采用的也是當時的美國ASME標準。可見在這幾個標準中,關于安全閥的密封性能試驗不論從歷史沿襲,還是條款的內容要求上都是等同的。有區別的是ASME《鍋爐與壓力容器規范》(2013版)第Ⅰ卷中對高性能蒸汽安全閥的密封試驗壓力與最大工作壓力進行了有限制的關聯。

從以上內容可以有以下判斷:第一,既然是有限制的,它就不是決定性因素,那么這種最高工作壓力與密封壓力的直接關聯性就是不成立的;第二,這種限制性關聯,即使只應用于特定工況下的特定閥門,但至少說明了最高工作壓力這個指標進入了標準制定時的考查范疇。但最終這個指標沒有被納入標準規范的統一要求,這個事實說明了最高工作壓力和密封試驗壓力沒有直接的關聯性,或者說密封試驗壓力的取值規定,已經包含了對最高工作壓力的考量。所以說,最高工作壓力不能成為密封試驗壓力的限制性因素。

因此,密封試驗壓力的取值,只可能與閥門自身的密封性能直接相關。

2 密封、泄露概率及選型三個方面的探討

安全閥之所以能保護設備安全,是因為三個指標:一是自動;二是超壓泄放;三是泄放前后的密封性。自動是安全閥結構要求的基本功能;整定壓力的校驗過程,是對超壓泄放時安全閥動作性能的驗證;密封試驗則是證明安全閥密封性能的試驗。其中整定壓力是一個臨界值;而密封試驗壓力是一個規定值。

2.1 密封涉及的環節

密封性能是安全閥穩定運行的關鍵,也是安全閥設計和制造環節中的難點。從安全閥的工作原理出發,安全閥密封試驗看似僅對關閉件密封面進行泄漏率檢查,但它至少包含了三個部分的驗證:1)閥瓣與閥座密封面的密封性;2)動作系統回座的有效性;3)彈簧的選型和當下的穩定性。在三者之間,密封面和彈簧是對密封性能進行響應的主要元件,密封面是保證密封的基礎,彈簧的負荷則是密封穩定的保障。彈簧在使用過程中,難免受到高溫高壓或者侵蝕腐蝕等因素的損傷,這個損傷會直接影響彈簧剛度的穩定性。在密封試驗的升壓過程中,由于沒有產生變形量,彈簧的負荷是不變的,但是保障密封的比壓力卻在逐漸變小,當小到接近于最小密封比壓時,脆弱的密封會對密封面的有效性和彈簧剛度的穩定性做出敏感的響應。因此,密封試驗的本質,是對閥門的密封性能進行寬容度方面的驗證。以90% 整定壓力作為密封試驗壓力的取值,參照了GB/T 12243—2005中4.6.8條的規定: “彈簧剛度的極限偏差為±10%。［5］”不同的是,標準中的要求是元件的選用和出廠要求,而在檢驗中,更多的是對已經使用過的閥門進行密封性驗證。

●2.1.1 密封面

安全閥的密封是依靠閥瓣與閥座密封面的微觀變形來實現的,引起和保持這種變形需要力的作用,這個施加在密封面上的力叫比壓力,它的大小是由彈簧的作用力和介質壓力的差值來決定。如果想用較小比壓力來獲得理想地密封效果,就需要安全閥在密封結構、密封面的材料、質量和寬度等方面的全方位配合。

在工作狀態下,施加在密封面上的比壓力并不大,因此安全閥要保持密封性就成為設計和制造環節的主要難題。

●2.1.2 彈簧

彈簧直接載荷式安全閥密封比壓力的來源是彈簧的載荷。彈簧的選材和選型不只影響安全閥的動作性能,同樣會影響密封性能。

在密封過程中,迅速有力的回座比逐漸緩慢的回座更有利于密封的建立［4］,但是回座時過大的沖擊則可能對密封面造成損害。因此密封實驗也間接地對彈簧的選型和工作時的穩定性做出了評價。

●2.1.3 動作系統的回座性能

安全閥起跳以后再次建立密封,比保持固有地密封狀態,要困難得多［4］。介質泄放時的沖擊、閥門頻跳、卡死、再加上偶然因素等等,都會對密封的重新建立造成影響。因此密封實驗的實施,同樣也對動作系統回座的靈敏度和準確度進行了驗證。

●2.1.4 總體的成本影響

總的來說,要降低密封比壓力,提高密封壓力值,需要安全閥密封面、彈簧甚至整個動作系統在結構、材料、加工質量等方面的配合,它幾乎涉及安全閥整體構造中的各個元件。

實際應用中,針對不同的工作面,可以按照標準要求選擇不同形式適當型號的安全泄放裝置進行匹配。但是要在標準中對密封試驗壓力這一條款進行提升,必然會涉及安全閥制造行業整體成本的上升。

2.2 密封泄露的概率

前文提到,密封試驗壓力是一個針對密封實驗的規定值,它不是臨界值。這就意味著實際的密封壓力要大于密封試驗壓力。

參考例二中的數據,安全閥密封試驗壓力小于最高工作壓力的概率在2%左右,再考慮實際密封壓力大于密封試驗壓力的因素,密封泄露超出標準要求的概率肯定小于2%。

再者,工作壓力是指在正常工作情況下,容器頂部可能達到的最高壓力［6］。既然是可能達到的,那么最高工作壓力也是一個機會值,它的發生不是常態,而是存在著一定的概率。

綜合考慮以上兩個因素,將兩個概率疊加,那么密封實驗合格以后,在大于密封試驗壓力、小于最高工作壓力的這個小區間,安全閥密封泄露超標的可能性會更小。

生產的運行需要絕對的安全,而泄露則有可能造成安全事故。泄露超標的概率再小,只要不是零,就存在安全隱患,作為以安全為目的的安全泄放裝置的標準規定,更應該科學嚴謹。

前面討論中提出的概率概念,不是以概率小來否定安全措施的必要性,也不是試圖用減小概率的方法來達到保證安全的目的;而是在陳述安全基礎上的泄露超標概率。這個安全基礎,就是標準對安全泄放裝置的選型要求。

2.3 安全閥的選型要求

TSG ZF001—2006中B5.1(2)條規定:全啟式安全閥適用于排放氣體、蒸汽或者液體介質,微啟式安全閥一般適用于排放液體介質,排放有毒或者可燃性介質時必須選用封閉式安全閥［7］。

其中清晰表達了,對于有毒、可燃性介質必須選用全封閉式安全閥。這個要求已經從根本上杜絕了有毒可燃介質可能外泄的安全隱患,因此將前文所述的密封泄露可能性作為風險因素,是沒有必要的。

3 結論和建議

安全閥密封試驗是在規定壓力下的試驗。用90%整定壓力作為密封試驗壓力來進行密封試驗,其過程和要求足夠驗證安全閥的密封性能。而且在選型環節已經確保安全的前提下,為了避免一個已經喪失危害性的、小概率的泄露超標,從而提高標準要求,最終造成整個行業的制造成本上升,是完全沒必要的,也不符合我國特種設備安全所提倡的節能原則。

例一、例二中的調整,會將一些本應該合格的安全閥,因為存在超過密封試驗壓力時的泄露超標而被“不合格”化,造成一些不必要地浪費。例子中雖然沒有報廢閥門的成本數據,但作為大多數企業來說,這個直接損失應該還是可以忍受的。

但是問題的關鍵在于,如果認為例一、例二中的泄露超標可能性屬于標準的隱藏缺陷,那么基于這種認識,必然會從法規層次對安全閥的密封性能提出更高要求。而密封性能的提高涉及安全閥所有重要元件的性能提升,這個提升是需要代價的,首先在設計上它會影響密封結構的特性方案,其次在制造環節它會對設計環節傳導過來的方案進行響應,并對彈簧的剛度偏差提出更高指標,這樣就必然會拉高制造行業的整體成本。鑒于這種成本影響和輻射范圍的廣度,所產生的代價很難通過統計來量化,這個無法量化的代價,就是密封試驗壓力節能原則的價值體現。

當然,即使這種密封泄露沒有危害,出于嚴謹的態度,在校驗工作中,也可以通過以下不附加成本的措施來進一步減小這種泄露可能性的概率。

首先,由于設計和制造階段均存在厚度圓整等因素,設備的最高允許工作壓力一般都大于設計壓力。在設計壓力和工作壓力值較為接近的情況下,如以最高允許工作壓力作為確定安全閥整定壓力的基準［8］,在充分發揮設備實際承壓能力的前提下,則避免了密封試驗壓力小于最高工作壓力的可能性。

其次,整定壓力調整合格后進行密封實驗,檢驗人員不能在至少3次的整定壓力全部完成后,再進行僅一次的密封實驗。而應該完全按照TSG ZF001—2006附錄E-1《安全閥校驗記錄》表格中的要求,每進行一次整定壓力校驗,然后相應地進行一次密封實驗。通過多次的校驗和試驗結果配合論證,來確保安全閥密封性能的可靠性。

因此,標準和規范的制定,是以安全為前提的多方面因素綜合論證的結果。作為檢驗人員,對待工作的嚴謹細致是應該提倡的,但是因對標準規范的理解差異,在執行中意圖對標準規定做出改變,則應保持必要的審慎原則。

［1］ GB/T 12242—2005 壓力釋放裝置 性能試驗規范［S］．

［2］ 邢金濤．安全閥整定壓力和密封試驗壓力的取值探討 ［J］．石油工業技術監督，2015，（8）：24-25．

［3］ 朱省初，郭新建，趙立凡，等．在用壓力容器安全閥密封性能可靠性分析［J］．中國特種設備安全，2008，24(7）：69．

［4］ 章裕昆，陳殿京，楊英，等．安全閥技術 ［M］．北京：機械工業出版社，2016．

［5］ GB/T 12243—2005 彈簧直接載荷式安全閥 ［S］．

［6］ TSG 21—2016 固定式壓力容器安全技術監察規程［S］．

［7］ TSG ZF001—2006 安全閥安全技術監察規程 ［S］．

［8］ TSG R0004—2009 固定式壓力容器安全技術監察規程及釋義 ［S］．

Tight Test Pressure of Safety Valve for Energy Conservation Principle

Li linxian
(Shaanxi Petrochemical Pressure Vessel Inspection Station Xi'an 710054)

Using 90% set pressure as the tight test pressure of safety valve may possibly cause that the tight test pressure is less than the maximum work pressure. There is also a doubt about the possibility of tight leakage overproof of safety valve while the tight test pressure is less than the maximum work pressure. This paper presents that this doubt is unnecessary according to three aspects: tight link, leakage possibility and safety valve model selection.Meanwhile, based on that the tight test pressure adjustment will increase the cost of safety valve, this paper indicates that safety valve tight test pressure speci fi cation of the standard is accordant to energy conservation principle of the special equipment safety in China.

Safety valve Tight test pressure Leakage over-proof Energy conservation principle

X924

：B

1673-257X(2017)07-0007-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.07.002

李林賢（1970～)，男，中專，工程師，從事特種設備檢驗工作。

李林賢，E-mail： lilx163@163．com。

2017-02-06）