蒸汽管網系統安全閥泄漏分析及對策

孫 緒

（中國石油錦西石化公司，遼寧葫蘆島 125000）

0 引言

安全閥是一種不借助任何外力只利用容器或管道內部介質壓力而排出一定量的氣體或液體、以防止系統內部壓力超過容器或管道設計壓力的自動閥門，是煉油化工裝置如鍋爐汽包、壓力容器、壓力管道等設備中的重要安全附件。這種閥門必須在投用前進行整定壓力效驗合格后才可以安裝使用，保障壓力容器、管道等特種設備的穩定和可靠運行，其中蒸汽安全閥是煉油廠中使用廣泛的閥門。根據《鍋爐安全技術監察規程》對鍋爐蒸汽系統的安全閥的規定，將全啟式彈簧安全閥、杠桿式和控制式安全閥作為優先選用的閥門，在石油化工蒸汽系統中全啟式彈簧安全閥使用較為廣泛。這種安全閥由于結構特點優良，在蒸汽系統中有著較高的可靠性和安全性。但同時也是由于其彈簧和閥瓣這種組合密封系統的特點，在中高壓蒸汽系統中由于溫度和內部介質的影響，經常出現閥門密封泄漏的故障，蒸汽的溫度和壓力越高泄漏發生的故障頻次也越高，這導致全啟式彈簧安全閥在高溫和高壓蒸汽系統中有著較高的故障率。

1 蒸汽系統安全閥泄漏背景

某煉油化工裝置蒸汽管網系統有一蒸汽平衡罐，主要負責將熱電公司進廠蒸汽與重催中壓蒸汽收集進平衡罐再次分配到一加氫、二加氫、烷基化和減溫減壓器等用氣生產裝置，起到平衡全廠中壓蒸汽系統的作用，其頂部原始設計有2 個全啟式彈簧安全閥PSV401/1 及PSV401/2，與蒸汽平衡罐同時投用（型號為A48SH-64I/100），原始設計整定壓力為3.75 MPa。2012 年安全閥投用后多次發生安全閥未達到整定壓力而意外起跳狀況，后經調查研究發現原始整定壓力的給定數值沒有考慮到蒸汽系統的高溫環境對安全閥彈簧的影響，沒有對整定壓力進行高溫修正。通過設計部門的再次核算，將整定壓力在不超過容器設計壓力基礎上調整為3.85 MPa，之后安裝至今未發生過因蒸汽壓力波動意外起跳泄漏狀況。但是由于前幾次安全閥起跳后沒能迅速自動復位，仍有少了量蒸汽從安全閥出口消音器泄漏。經過安全閥拆解后發現，閥體密封面存在壓痕及磨損，經過車削并研磨后回裝，發現閥門出口管線淚孔中經常有冷凝水滴出，經判斷為安全閥內漏。且隨著時間的延長，泄漏情況還有不斷惡化趨勢，經過多次拆解、檢修、效驗仍然無法將此內漏完全處理，冬季閥門出口淚孔下部經常冰柱如山。

同時在蒸汽平衡罐后與減溫減壓器相連，減溫減壓器主要作用是平衡中壓蒸汽壓力，在中壓蒸汽系統壓力高時通過減溫減壓后將多余蒸汽送入1.0 MPa 低壓蒸汽管網系統，在減溫減壓器出口有兩臺彈簧式安全閥分別為PSV402/1 及PSV402/2，保證減溫減壓器安全的將蒸汽送入低壓系統。由于原始設計安全閥型號為A48H-25/150，彈簧與閥座間無散熱器，自2013 年10 月投用后，多次因為減溫減壓器運行狀況不穩定造成安全閥內部蒸汽溫度波動，安全閥彈簧受到高溫影響，閥門密封壓力下降，致使安全閥泄漏，閥門出口淚孔漏氣滴水。發現這種狀況后經過與廠家及設計單位溝通，于2017年3 月將此安全閥更新為A48SH-25I 形式。并在彈簧與閥體之間還加裝散熱器結構，運行至今狀況良好，未發生蒸汽泄漏情況。

2 安全閥泄漏原因分析

蒸汽系統安全閥泄漏有多種原因。一般情況下存在由于蒸汽系統壓力過高導致安全閥起跳泄漏以及安全閥使用一段時間后莫名其妙出現滴水、冒氣泄漏的情況，但是這些泄漏的安全閥送至定壓機構在定壓中并沒有發現明顯泄漏，而回裝到工位后又發生泄漏，泄漏程度輕時滴水、嚴重時冒汽。因為現場安全閥安裝位置以及內部介質的情況不盡相同，安全閥的整定壓力選取以及在檢修時的整定壓力的調試和密封面的修理方法受多種因素影響，造成安全閥泄漏的原因多種多樣。

2.1 安全閥附屬管線結構對泄漏的影響

在蒸氣系統中，安全閥的連接方式通常為入口與容器或管道分支法蘭相連，安全閥出口與管線和消音器相連。在安全閥安裝過程中，由于施工質量原因造成管線焊接應力沒有及時消除導致出入口管線對安全閥產生應力；或者由于設計原因，沒有考慮高溫蒸汽對安全閥及附屬管線造成熱膨脹，管線內通入蒸汽后熱應力沒能得到消除傳導至安全閥體。這兩種應力通過出入口法蘭傳導至閥門密封系統和彈簧及導向系統，造成閥門整定壓力和密封壓力發生變化，造成安全閥泄漏。

2.2 安全閥的起跳對泄漏的影響

蒸汽系統安全閥主要作用是保護鍋爐、壓力容器等設備不超壓，但是由于生產原因或者安全閥整定壓力選取過低，偶爾會造成安全閥超壓起跳，雖然蒸汽超壓造成安全閥起跳概率較低，但是一旦發生起跳后多數會造成閥瓣不能及時回座引起安全閥泄漏，主要原因有兩個。

（1）安全閥在長期運行中，由于在生產蒸汽的水中存在鹽類結晶物或蒸汽管線內壁的鐵銹等無法隨蒸汽排出，在安全閥密封面附著，導致閥瓣無法回座到閥瓣上造成泄漏。

（2）安全閥在多年運行中，由于室外環境影響造成導向套等運動零件與靜止零件之間產生銹蝕，導致安全閥起跳后回座過程中動靜部件出現卡澀或偏移，使閥瓣無法正確回到閥座上，造成密封面偏移錯位引起安全閥泄漏。

2.3 安全閥結構及效驗方式對泄漏的影響

蒸氣系統中的安全閥，由于閥門入口直接與蒸汽相接觸，入口管線的蒸汽溫度通過閥座與閥瓣直接傳導至閥桿和彈簧處，如果閥門結構選型或材質選擇錯誤導致閥體散熱能力不足，都會導致彈簧溫升過高，影響彈簧的剪切模量，致使彈簧對閥瓣的作用力不足，引起安全閥整定壓力發生變化。熱網裝置減溫減壓器安全閥更新前后對比見表1（環境溫度為31）。

表1 現場安全閥外壁檢測結果

蒸汽溫度相同而安全閥結構形式不同，導致彈簧受熱溫度不同，其中新安裝有散熱器結構的安全閥彈簧溫度相對較低，原來無散熱器結構的安全閥彈簧溫度較高。

查閱《機械設計手冊》2016 年3 月第六版，當工作溫度超過60時，應對彈簧的剪切模量進行修正（表2）。

表2 不同工作溫度對彈簧剪切模量的影響

因此，在蒸汽系統中全啟式彈簧安全閥應根據現場實際情況，對彈簧剪切模量進行經驗修正，從而修正蒸汽安全閥的整定壓力，保證整定壓力的準確性。

按照《彈簧直接載荷式安全閥》（GB/T 12243—2005）規定，蒸汽系統用安全閥應采用飽和蒸汽作為校驗介質，以達到校驗環境與工作環境的接近溫度，但目前大部分效驗機構沒有把飽和蒸汽作為效驗介質的條件，多數還是采用壓縮空氣或氮氣作為效驗介質來進行安全閥的整定壓力的調試，但是這種效驗方式勢必會對蒸汽安全閥整定壓力產生誤差。

通過查閱國內外多篇相關資料，蒸汽安全閥內部介質實際溫度越高，冷態效驗造成的誤差越大。根據國外安全閥制造商試驗經驗統計，因為安全閥屬于非標設備，制造安全閥的供應商又沒有形成行業內部標準，因此造成購買的安全閥幾何尺寸和材質處理都不盡相同，只有同一制造廠對同一種型號規格安全閥進行大量的高溫試驗比較后，才能對該廠該型號規格提出經驗參考修正數據，用于冷態校驗修正。但目前國內安全閥生產、校驗技術規范和標準均沒有給出比較準確的修正系數，從而使蒸汽安全閥冷態校驗合格但是安裝到工況位置就會發生泄漏。

2.4 檢修對蒸汽安全閥泄漏的影響

在蒸汽安全閥泄漏后需要送至檢定單位進行修理，在閥門修理的過程中，一般首先需要將閥門安裝到試驗臺進行首次打壓，確定安全閥整定壓力變化情況和閥門泄漏狀況，如只是輕微臟物附著密封面可采取快速充壓使安全閥連續起跳方式通過爆破氣流將臟物吹出，如此法無效則可能是密封面損傷造成泄漏則需將安全閥拆解進行檢查、清理和密封面的研磨，在這些工序中最主要就是閥門密封面的研磨工作。一般在檢定單位，如果密封面損傷不是很嚴重，經常采取使用專用工具蘸取研磨膏進行手工研磨，這種修理方式則需要技術人員多年的經驗累積和手法的掌控，研磨精度受個人技術水平的影響較大。因為閥門密封面的研磨質量決定了安全閥投用后的密封性能和整定壓力的精確度，因此手工研磨極大影響了密封面之間的粗糙度和平整度，增加了安全閥投用后泄漏的可能性。

3 建議

（1）建議在安全閥檢定修理時，效驗人員與使用單位人員共同對安全閥泄漏原因進行分析，確定泄漏原因是閥門本體問題還是安全閥附屬管線結構影響，從根本上解決泄漏問題。

（2）建議中高壓蒸汽系統在安全閥選用時盡量選取帶散熱器式結構的安全閥，或采用耐高溫優質彈簧，盡量減少介質溫度對彈簧的影響，保證安全閥的整定壓力和密封壓力。

（3）冷態效驗影響蒸汽系統安全閥整定壓力和密封壓力，建議在安全閥效驗中，盡量采用飽和蒸汽作為效驗介質，避免溫度對整定壓力的影響。如擔心在線校驗對蒸汽系統壓力造成波動或者蒸汽系統能源浪費也可以選擇“冷態垣熱態”結合的校驗方式，對需要效驗的安全閥，在冷態效驗時結合經驗修正系數初調整定壓力，然后在運行狀態下進行升壓實跳復驗，減小能源消耗和工作危險性。

（4）在安全閥檢修中，密封面研磨這種重要工序建議增加自動化設備，采用機械研磨方式，提高安全閥閥瓣和閥座的研磨專業化水平，提高密封面結合精度。