安全閥在線檢測系統研制和應用

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(1.中石油 北京天然氣管道有限公司，北京 100101；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029； 3.大連理工大學 化機學院，遼寧 大連 116012)

在石油化工、天然氣等工業領域大量使用的安全閥可以防止承壓設備發生超壓破壞，保證工藝過程平穩可靠。彈簧式安全閥是直接載荷式安全閥的一種，也是應用最為廣泛的安全閥形式[1]。彈簧式安全閥在運行過程中，由于彈簧材料的特性，在操作壓力、操作溫度、介質侵蝕等作用下，其整定壓力(也稱開啟壓力)和密封性能等可能會發生改變，導致安全閥不能按照規定的壓力開啟或者發生泄漏，從而影響生產安全[2]。因此，相關法規規定安全閥需要進行定期校驗。我國標準和法規規定的安全閥定期校驗有離線和在線2種方式。目前，安全閥的定期校驗大多采用離線方式。離線校驗方式在實際應用中存在多種缺點，例如安裝和使用條件受限、拆裝過程風險大、受運輸過程影響以及對人員的依賴性大等。

文中綜合考慮安全閥安全技術規范的要求，結合數據采集技術和計算機控制技術，開發了一種安全閥在線檢測系統。此安全閥在線校驗系統具有校驗范圍廣、精度高、可靠性好、自動記錄數據過程完整、校驗過程不影響正常生產及硬件輕便易攜等優點，可作為安全閥校驗的一種有效選擇和離線校驗的補充。

1 安全閥在線檢測系統研制的意義、價值和現狀

1.1 安全閥在線檢測系統研制意義

安全閥在線檢測系統針對安全閥離線校驗實踐中顯現的不足而開發。目前安全閥離線校驗的做法是，將安全閥從被保護裝置上拆下，送到專用校驗臺上進行校驗。離線校驗有5方面的缺點：①安全閥校驗期間，如無其他安全閥替代，被保護裝置則處于無保護狀態或只能停車。石油化工和天然氣工業均為連續生產過程，即使有停車檢修周期，安全閥的檢驗周期與大修周期也往往不一致，造成安全運行與經濟運行之間的矛盾。②由于安裝及使用條件的限制，有些安全閥的拆卸、安裝及運輸較為困難，校驗成本高。③安全閥的拆裝過程存在物體打擊、人員跌落和可燃氣體閃爆等危害因素，存在較大安全風險，且多次的拆裝過程易造成密封面的損傷或密封性能下降，在設備運行過程中易造成泄漏風險。④在校驗臺上已校驗合格的安全閥，由于安裝運輸等方面的原因，其整定壓力及密封性能可能發生變化，從而影響設備的安全和經濟運行。⑤目前的校驗過程主要是校驗人員眼看、耳聽、手記，檢測結果誤差較大、依據不充分，結果的可靠性低。

1.2 安全閥在線檢測系統研制價值

TSG 21—2011《固定式壓力容器安全技術監察規程》[3]和TSG ZF001—2006《安全閥安全技術監察規程》[4]均規定安全閥一般每年至少校驗-次。此外，TSG ZF001—2006在B6.3.2部分中還規定了安全閥校驗周期可以適當延長的基本條件，其中一條為，通過在線檢查和在線檢測均符合使用要求。TSG ZF001—2006中第B1.3條的檢測方法也規定，在線檢測方法可采用其他壓力源進行試驗。這2條規定從另一個側面說明，在線檢測系統是比離線檢測系統更先進和有效的檢測手段，有利于保障安全閥的長周期安全運行，有進行深入研究和開發的價值。

1.3 安全閥在線檢測系統研制現狀

畢明樹、周一卉等[5-8]開發的安全閥在線檢測裝置,采用計算機自動采集數據，通過不斷改進系統提高了安全閥校驗的可靠性。劉錫光、章劍波、郭崇志和李治濤等[9-12]根據現場實際需要研制開發了不同的安全閥在線校驗裝置并成功應用于實際工作 。宋華兵[13]的研究工作則結合了數值仿真技術。孫力等[14]對在線校驗中采用改變系統壓力和旋轉調整螺桿2種計算安全閥泄放面積的方法進行分析, 探討其適用性、局限性以及需注意的問題。

本文開發的安全閥在線檢測裝置研制過程中結合了天然氣壓氣站的設施特點，在以下幾方面進行了改進和提高。

(1)校驗系統在安全閥與被保護設備或系統之間設隔離閥門，隔離閥門采用高于設備安全閥的等級，確保隔離閥門密封良好。安全閥校驗過程中只需關閉安全閥前段隔離閥門，隔離閥門后端注入氮氣檢測安全閥的整定值。

(2)對在用安全閥采用預裝校驗管路系統。實施校驗時，只需拆裝儀表管接口即可，操作更為便捷、省力。當校驗內部存儲易燃、易爆介質的設備或者系統上的安全閥時，只需用氮氣置換安全閥與隔離閥門之間短節處的可燃氣，由于短節容積很小，因此置換簡便安全。

(3)安全閥與被保護裝置連接密封處沒有任何的操作，只需拆裝安全閥校驗注氮用的儀表接口，不會出現因操作不當造成安全閥與被保護裝置連接密封性能下降。

2 安全閥在線檢測系統方案

2.1 系統最佳配置一般原則

安全閥在線檢測系統應該具有對安全閥的臨時隔斷功能、對校驗過程數據的記錄功能和對檢測數據的處理功能。安全閥在線檢測最佳的系統配置應包括隔斷裝置、多參數數據自動采集系統、安全閥在線檢測軟件3個部分。選擇安全閥在線檢測用的隔斷閥時，首先應注意隔斷效果應高度可靠，其壓力等級要高于承壓設備壓力等級至少3倍，以使安全閥的現場校驗可靠、安全，其口徑還應保證在設備正常運行時不影響安全閥的使用。選擇數據采集系統時應考慮安全閥校驗現場空間有限，提高數據記錄不方便位置數據采集的自動化程度。選擇在線檢測軟件時應提高軟件處理數據的智能化程度。

2.2 彈簧式安全閥在線校驗系統設計

2.2.1隔斷裝置

本文研制的彈簧式安全閥在線校驗隔斷裝置主要由安全閥隔斷球閥、連接校驗接口三通、引壓管件和閥門等部件組成。隔斷球閥(容器在用情況下，隔斷閥門應處于全開鉛封狀態)安裝在安全閥與容器之間，隔斷球閥與安全閥之間設置變徑三通短節，在短節變徑接口上連接引壓管件，并將引壓接口(日常情況下該接口用絲堵密封)設置在全閥校驗人員站在地面上就可方便操作的位置。安全閥校驗時關閉安全閥前段隔斷閥門，打開引壓接口處絲堵及引壓管路上的閥門，待安全閥與隔斷閥門之間短節處的介質放空后，在引壓接口處接通注氮裝置進行校驗。

此隔斷裝置設計簡化了安全閥校驗操作程序，不再需要校驗前后的彈簧式安全閥拆卸與重裝，僅用梯子輔助即可完成隔斷閥門的開關操作。此隔斷裝置設計還降低了人身安全風險，校驗人員無需高空作業，在地面就能完成安全閥的操作，可以有效降低安全閥與被保護裝置連接密封損傷或密封性能下降的風險。隔斷裝置采用高等級球閥作為安全閥和承壓設備，在整個線檢測過程中對安全閥與被保護裝置連接密封處沒有任何操作，只需拆裝校驗加壓用儀表接口。

2.2.2多參數數據自動采集系統

安全閥在線檢測數據自動采集系統由硬件和軟件2部分組成，見圖1。

圖1 安全閥在線檢測數據自動采集系統組成示圖

安全閥在線檢測數據自動采集系統硬件部分主要包括壓力源及壓力傳輸系統、壓力傳感器、檢測記錄儀和測量變送儀等設備和儀器。標準配置的壓力源為便攜式鋁質氣瓶，氣瓶的最高氣壓力可達15 MPa。如遇特殊情況，也可根據現場情況指定委托檢測的企業提供氣源。

安全閥在線檢測數據自動采集系統的檢測軟件采用高精度壓力和位移傳感器作為測量元件，可以完整地記錄安全閥檢測全過程中壓力和閥桿位移的變化，并且能夠在檢測數據的基礎上，智能化判定安全閥的主要性能指標，為安全閥的進一步調試和評定提供依據。安全閥在線檢測軟件的編制，完全依照的是GB/T 12241—2005《安全閥一般要求》[15]和GB 12242—89《安全閥性能試驗方法》[16]中關于安全閥性能檢測的規定和描述，為安全閥在線檢測系統專用程序，是安全閥在線檢測技術的核心組成部分，在系統硬件配合下，可以完成安全閥工作性能的在線或者離線調試。

安全閥校驗現場空間有限，數據記錄不方便，傳統的安全閥校驗方式必須將安全閥從被保護設備上拆下，放置在專用的校驗臺上進行，校驗過程只能依靠檢驗人員直接讀取壓力表的方式，這種方式決定了校驗精度不會太高，安全閥的各項參數的記錄無法實現實時過程數據采集，性能評定必然粗略而模糊。在線校驗系統可對多參數測量方法提出較高要求。本文所采用的數據自動采集操作系統可以完成自動記錄校驗過程，同時還能完成對安全閥起跳壓力、密封壓力和閥桿起跳高度的實時數據采集，具有輕便、易于攜帶等特點。

3 安全閥在線檢測系統應用[17]

在某壓氣站選擇1臺安全閥(設定壓力為1.1 MPa)進行改造，在安全閥和承壓設備之間加裝隔斷裝置，見圖2。

圖2 安全閥在線檢測裝置現場圖片

試驗前，按照安全閥校驗要求檢查安全閥的外觀和附件，采用壓縮空氣對安全閥排氣口部分進行吹掃，隨后連接試驗裝置。試驗時，先打開氣瓶控制閥，加壓至安全閥的設定壓力pset。待安全閥在設定壓力點起跳停止加壓并且安全閥的閥瓣(因氣體泄壓)回座時，繼續打開氣瓶控制閥加壓至安全閥的密封壓力(0.9pset)，保壓5～10 min觀察壓力是否降低，確認安全閥性能正常。該安全閥現場校驗的試驗數據曲線見圖3。

圖3 安全閥實時校驗曲線

圖3a是現場在線校驗系統升壓至整定壓力，安全閥在設定的整定壓力值處正常起跳泄壓、閥瓣回座后保壓在密封壓力的過程記錄，可以檢查安全閥的整定壓力和密封性能。圖3b則是校驗系統通過連續2次升壓，觀察安全閥連續起跳泄壓時其起跳壓力變化的情況。現場通過對該臺安全閥反復試驗，對照多次試驗記錄，實施校驗曲線可以準確直觀地反映安全閥性能等情況，證明該系統完全可靠。

4 結語

安全閥的定期校驗是保證安全閥能否準確可靠工作的重要措施。隨著安全生產要求的不斷提高，安全閥在線檢測技術既是離線校驗的一種有效補充，又能很好解決生產要求和安全要求之間的矛盾。本文開發的安全閥在線檢測系統軟件主要具備以下功能。

(1)建立受試安全閥數字化技術文檔，可同時對多臺安全閥的校驗過程進行實時監控和管理。

(2)在程序控制下對安全閥檢測的全過程，包括整定試驗前密封性能測試、整定壓力試驗、整定試驗后的密封性能測試、閥桿起跳位移(需增加位移傳感器)測試等，實現數據自動采集、存儲、分析和整理。

(3)在分析試驗數據的基礎上，智能化判斷安全閥的關鍵技術參數，特別是開啟壓力的準確判定以及密封性能的準確評定。

(4)可自動生成符合國家標準的檢測或校驗報告，包括試驗曲線、關鍵數據和檢測結果。