柔性閥瓣的彈簧式安全閥在線(xiàn)整定技術(shù)。

1 彈簧式安全閥的工作原理及特點(diǎn)

1．1彈簧式安全閥的工作原理

安全閥彈簧的預(yù)緊力FT通過(guò)閥桿傳遞給閥瓣上方，而系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的壓力作用在閥瓣下方，在FT的作用下閥瓣的密封面與噴嘴密封面緊緊結(jié)合，從而起到密封作用。當(dāng)系統(tǒng)的介質(zhì)的作用力Fx與FT平衡時(shí)，閥門(mén)開(kāi)始起跳，即安全閥開(kāi)始起座。起跳壓力等于，其中f表示閥門(mén)內(nèi)部零件的機(jī)械摩擦力。當(dāng)安全閥起跳排放降壓，直至鍋爐容器內(nèi)的介質(zhì)的壓力降低到作用于閥瓣上的力小于彈簧的作用力時(shí)，安全閥才能回座關(guān)閉，其結(jié)果是保證鍋爐設(shè)備在規(guī)定的壓力范圍內(nèi)工作。

1．2 Crosby柔性閥瓣的彈簧式安全閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由于Crosby具有柔性閥瓣的彈簧式安全閥是在閥瓣密封面背側(cè)加工了一道環(huán)形的凹槽，這就使閥瓣的密封面具有一定的彈性，所以這類(lèi)閥瓣叫做“柔性閥瓣”。

從結(jié)構(gòu)上比較，柔性閥瓣對(duì)于普通平面閥瓣的優(yōu)點(diǎn)在于：

①降低了閥桿力的作用點(diǎn)，密封性能提高。普通平面閥瓣的閥桿力作用點(diǎn)不但高于密封面，而且非直接作用在閥瓣上。對(duì)于柔性閥瓣的閥門(mén)，閥桿力作用點(diǎn)降低到密封面以下，而且直接作用在閥瓣上。這種結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)使閥門(mén)的抗震動(dòng)能力大幅提高，也就是密封穩(wěn)定性大幅提高。換句話(huà)說(shuō)，在閥門(mén)存在相同程度震動(dòng)的情況下，柔性閥瓣閥門(mén)更不容易發(fā)生泄漏。這種性能已在安全閥實(shí)際運(yùn)行中得到驗(yàn)證。

②“柔性閥瓣”結(jié)構(gòu)不但提高了運(yùn)行密封性能，而且提高了保持密封性的運(yùn)行壓力值。對(duì)于設(shè)計(jì)普通平面閥瓣，當(dāng)運(yùn)行于壓力升高到閥門(mén)設(shè)定壓力(即整定壓力的95％)時(shí)閥門(mén)會(huì)出現(xiàn)“預(yù)泄”。對(duì)于彈簧式安全閥來(lái)說(shuō)，“預(yù)泄”的存在是正?，F(xiàn)象，而“預(yù)泄”的存在在一定程度上可以幫助彈簧式安全閥起跳。因此克羅斯比公司將彈簧式安全閥的設(shè)計(jì)壓力與最大運(yùn)行壓力的差值定為5%以上?！叭嵝蚤y瓣”結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)壓力導(dǎo)入閥瓣密封面背側(cè)的環(huán)形的凹槽并作用在與閥瓣密封面相對(duì)的環(huán)形斜面上，由于密封面具有一定的彈性，隨著系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)壓力的升高，閥瓣密封面被系統(tǒng)的壓力向下推壓產(chǎn)生微小變形，并與噴嘴密封面緊密結(jié)合，從而使閥門(mén)預(yù)泄點(diǎn)推遲。在保證閥門(mén)整定壓力準(zhǔn)確的前提下、“柔性閥瓣”結(jié)構(gòu)可以使閥門(mén)在運(yùn)行壓力達(dá)到設(shè)定壓力96％以上仍然無(wú)泄漏。通過(guò)我們對(duì)Crosby彈簧式安全閥整定校驗(yàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明，柔性閥瓣的安全閥的預(yù)泄點(diǎn)可以達(dá)到了整定壓力的98.5％甚至99％，而且起跳準(zhǔn)確、回座干脆、無(wú)泄漏現(xiàn)象。

2．柔性閥瓣的彈簧式安全閥的在線(xiàn)整定技術(shù)分析與探討

依據(jù)《電力工業(yè)鍋爐壓力容器監(jiān)察規(guī)程》（DL 612-1996）的有關(guān)要求，鍋爐安裝和大修完畢及安全閥經(jīng)檢修后，都應(yīng)校驗(yàn)安全閥的起座壓力。純機(jī)械彈簧式安全閥可采用液壓裝置進(jìn)行校驗(yàn)調(diào)整，一般在75%～80%額定壓力下進(jìn)行。經(jīng)液壓裝置調(diào)整后的安全閥，應(yīng)至少對(duì)最低起座值的安全閥進(jìn)行實(shí)際起座復(fù)核。安全閥應(yīng)定期進(jìn)行放汽試驗(yàn)。鍋爐安全閥的試驗(yàn)間隔不大于一個(gè)小修間隔[1]。

儀器在線(xiàn)測(cè)量方式是目前較為先進(jìn)且普遍采用的方法。彈簧式安全閥的在線(xiàn)儀表測(cè)量裝置的種類(lèi)較多。如英國(guó)FURMANITE公司于八十年代研制的TREVITEST安全閥檢測(cè)系統(tǒng)和Crosby公司生產(chǎn)的便攜式液壓壓力整定裝置（HSPD）等。但它只能校驗(yàn)出廠(chǎng)前或檢修后預(yù)定的起跳壓力是否準(zhǔn)確，并不能檢驗(yàn)起跳時(shí)間的長(zhǎng)短、起跳回座壓力的高低、啟閉壓差的大小及動(dòng)作過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。所以用此類(lèi)裝置校驗(yàn)的安全閥動(dòng)作的準(zhǔn)確性，最終還要實(shí)際升壓加以驗(yàn)證。

2．1彈簧式安全閥在線(xiàn)測(cè)量整定裝置的設(shè)計(jì)原理

彈簧式安全閥的開(kāi)啟、關(guān)閉動(dòng)作是依靠其進(jìn)口端的介質(zhì)壓力變化和彈簧預(yù)緊力來(lái)使閥瓣自動(dòng)開(kāi)啟及關(guān)閉。當(dāng)介質(zhì)壓力（內(nèi)壓）升高至其所產(chǎn)生的提升力比彈簧預(yù)緊力大時(shí)，閥瓣克服彈簧預(yù)緊力自動(dòng)開(kāi)啟，泄放多余的介質(zhì)，隨著系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的壓力降低，又由于彈簧力的作用，當(dāng)內(nèi)壓降至安全值時(shí)，閥瓣自動(dòng)關(guān)閉，泄放停止。

根據(jù)這個(gè)原理，可以設(shè)想，在線(xiàn)（又稱(chēng)熱態(tài)）測(cè)量或調(diào)整安全閥時(shí)，如果由外部提供一個(gè)向上的附加力，則當(dāng)介質(zhì)壓力與這個(gè)附加力的總和剛剛克服彈簧預(yù)緊力時(shí)，閥瓣同樣也會(huì)開(kāi)啟，甚至在沒(méi)有介質(zhì)作用的離線(xiàn)（又稱(chēng)冷態(tài)）條件下，單獨(dú)由外部附加力克服彈簧預(yù)緊力時(shí)，閥瓣也可開(kāi)啟動(dòng)作，圖1清楚地表示了這種力的平衡關(guān)系。

很明顯，我們可以看出，此時(shí)閥瓣開(kāi)啟動(dòng)作的條件為：

式中 FT——彈簧預(yù)緊力，N；

FW——安全閥起跳時(shí)加在閥桿上的外附加力，N；

PX——系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的壓力，MPa；

S ——密封面積，mm2；

冷態(tài)時(shí)開(kāi)啟動(dòng)作壓力Ｐ為：

則在熱態(tài)時(shí)開(kāi)啟動(dòng)作壓力Ｐ為：

顯然，在一般情況下，如果能夠準(zhǔn)確地測(cè)定附加外力FW，就可以根據(jù)已知的閥瓣面積S和系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的工作壓力PX，很容易地求得安全閥的開(kāi)啟壓力P。這即為安全閥在線(xiàn)整定技術(shù)的設(shè)計(jì)依據(jù)和原理。

2．2 彈簧式安全閥在線(xiàn)測(cè)量整定的技術(shù)依據(jù)

根據(jù)對(duì)彈簧式安全閥開(kāi)啟動(dòng)作特性的分析[2]，可以得出：在外加力FW的作用下，一個(gè)安全閥從關(guān)閉到開(kāi)啟，再由開(kāi)啟到關(guān)閉的全過(guò)程中，外附加力FW的變化規(guī)律

統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的作用力之和正好為彈簧預(yù)緊力FT時(shí)，閥門(mén)微啟，增大了介質(zhì)作用面積Ｓ，使得用來(lái)克服彈簧預(yù)緊力FT的系統(tǒng)介質(zhì)的作用力急劇增大，其結(jié)果在瞬間減小了外附加力FW。從而出現(xiàn)第一個(gè)特征拐點(diǎn)Ａ。當(dāng)外附加力FW逐漸減小而達(dá)到關(guān)閉點(diǎn)時(shí)，由于介質(zhì)作用面積忽然減小，為保持力的平衡關(guān)系，此時(shí)，外附加力會(huì)出現(xiàn)瞬間回升現(xiàn)象，即第二個(gè)特征拐點(diǎn)Ｂ。上述兩個(gè)特征拐點(diǎn)Ａ和Ｂ是在線(xiàn)條件下檢測(cè)彈簧式安全閥開(kāi)啟壓力、回座壓力的技術(shù)依據(jù)。

圖2（ｂ）為冷態(tài)環(huán)境時(shí)的測(cè)試過(guò)程曲線(xiàn)，當(dāng)安全閥未開(kāi)啟之前，外附加力FW克服閥瓣靜態(tài)剛性力，當(dāng)達(dá)到開(kāi)啟點(diǎn)以后，外附加力改為克服彈簧的彈性力，兩者隨時(shí)間變化的斜率不同，從而出現(xiàn)第一個(gè)特征拐點(diǎn)C，同樣情況，在安全閥回座時(shí)也會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)特征拐點(diǎn)D。這兩個(gè)特征拐點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)安全閥的開(kāi)啟和回座動(dòng)作位置點(diǎn)，這是作為冷態(tài)條件下測(cè)試彈簧式安全閥開(kāi)啟、回座壓力的技術(shù)依據(jù)。

從以上分析可以看出，彈簧式安全閥在線(xiàn)測(cè)試技術(shù)的關(guān)鍵在于如何正確迅速地找到對(duì)應(yīng)其開(kāi)啟動(dòng)作的特征點(diǎn)。

2.3柔性閥瓣的彈簧式安全閥的在線(xiàn)整定技術(shù)分析與探討

①人為因素影響對(duì)測(cè)量整定值的影響

目前，寶二發(fā)電公司現(xiàn)場(chǎng)采用的Crosby公司生產(chǎn)的便攜式液壓壓力整定裝置（HSPD），該測(cè)量裝置均須由操作者人工判別安全閥起跳的特征點(diǎn)和活塞的瞬時(shí)壓力值，通過(guò)手工計(jì)算出最終結(jié)果，整個(gè)測(cè)量過(guò)程均需多人密切協(xié)作參與，故測(cè)量結(jié)果的一致性受人為因素影響很大，測(cè)量精度難以確保。此類(lèi)產(chǎn)品僅適用于自己廠(chǎng)家生產(chǎn)的安全閥，對(duì)國(guó)產(chǎn)和其他廠(chǎng)家安全閥就顯得無(wú)能為力。九十年代起，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)部分仿制型，在技術(shù)上并無(wú)太大突破，仍然存在測(cè)量一致性差、測(cè)量精度低的缺點(diǎn)。

NSH系列安全閥在線(xiàn)定壓儀系由北京邦備機(jī)電技術(shù)有限公司及北京勞動(dòng)安全技術(shù)裝備中心研制開(kāi)發(fā)的新型便攜式儀器，其基本工作原理等同于英國(guó)FURMANITE的TREVITEST安全閥檢測(cè)系統(tǒng)和Crosby公司的便攜式液壓壓力整定裝置（HSPD），但在設(shè)計(jì)和工藝上有重大突破。NSH系列安全閥在線(xiàn)校驗(yàn)儀可在機(jī)組停運(yùn)或運(yùn)行的情況下，僅需2-5秒開(kāi)啟時(shí)間即可完成對(duì)安全閥進(jìn)行在線(xiàn)性能檢測(cè)和工作參數(shù)檢測(cè)，也可對(duì)經(jīng)檢測(cè)不合格的安全閥進(jìn)行在線(xiàn)整定，可以測(cè)量和記錄安全閥的開(kāi)啟壓力和安全閥所在位置系統(tǒng)介質(zhì)壓力等參數(shù)。

② 柔性閥瓣的密封面積S對(duì)整定值的影響

“柔性閥瓣”結(jié)構(gòu)是在閥瓣的密封面背側(cè)加工有一道環(huán)形的凹槽，使密封面具有一定的彈性，將系統(tǒng)壓力導(dǎo)入閥瓣密封面背側(cè)的環(huán)形凹槽，并作用在與閥瓣密封面相對(duì)的環(huán)形斜面上。隨著運(yùn)行壓力的升高，閥瓣密封面被系統(tǒng)的壓力向下推壓產(chǎn)生微小變形并與噴嘴密封面緊密結(jié)合，隨著壓力的增加，閥瓣密封面會(huì)由其外徑對(duì)應(yīng)的面積向其內(nèi)徑對(duì)應(yīng)的面積變化，從而使閥門(mén)預(yù)泄點(diǎn)推遲。

因此，引起柔性閥瓣的彈簧式安全閥的密封面積S的變化的因素主要有以下兩個(gè)方面。

其一，隨著具有柔性閥瓣的彈簧式安全閥的解體研磨檢修，使得閥瓣的密封面積S逐漸增大，系統(tǒng)內(nèi)的介質(zhì)壓力PX對(duì)閥瓣所產(chǎn)生的作用力Fx逐漸增大，勢(shì)必造成柔性閥瓣的彈簧式安全閥的開(kāi)啟壓力P的測(cè)量結(jié)果偏小。所以，如長(zhǎng)期不加以修正，可能引起安全門(mén)的拒動(dòng)。

其二，由于柔性閥瓣結(jié)構(gòu)使得密封面具有一定的彈性，隨著系統(tǒng)介質(zhì)的壓力和溫度的升高，閥瓣密封面一方面在系統(tǒng)介質(zhì)所產(chǎn)生的向下推壓力的作用下發(fā)生微小變形，另一方面閥瓣的密封面隨其溫度的升高發(fā)生膨脹變形，其結(jié)果是引起柔性閥瓣的密封面積S發(fā)生變化。

在大多數(shù)安全閥在線(xiàn)整定裝置的設(shè)計(jì)中，安全閥的密封面積S被視為定值，

安全閥的密封面積計(jì)算的一個(gè)近似公式，它是綜合考慮了各種因素而提出的，它與理論計(jì)算和實(shí)際整定過(guò)程中的安全閥的密封面積均存在有一定的差距。

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析可以得出，如果僅不考慮系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的工作壓力PX變化對(duì)柔芯閥瓣的密封面積S的影響的條件下。具有柔芯閥瓣的彈簧式安全閥開(kāi)啟壓力在線(xiàn)測(cè)量的相對(duì)誤差值已大于2％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了安全閥整定的起座壓力允許范圍為整定壓力值的1%的規(guī)定[3]。 由此可見(jiàn)，在彈簧式安全閥在線(xiàn)測(cè)量整定過(guò)程中，系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的工作壓力PX對(duì)柔性閥瓣的密封面積S的影響還是相當(dāng)嚴(yán)重的，如不加以考慮，就勢(shì)必造成安全閥的拒動(dòng)或誤動(dòng)，嚴(yán)重威脅著設(shè)備的安全。

因此，對(duì)于具有柔性閥瓣的彈簧式安全閥在線(xiàn)整定的關(guān)鍵是準(zhǔn)確確定安全閥的密封面積。

對(duì)于彈簧式安全閥來(lái)講，彈簧的壓縮(放松)與壓力的理論關(guān)系是一個(gè)重要的參數(shù)。它是安全閥廠(chǎng)家必須提供的。它表示彈簧正向或反向旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺母一周，其安全閥起跳壓力值升高或降低ΔΡ，此值為理論標(biāo)準(zhǔn)值，但必須注意不同的安全閥此值是不同的。利用安全閥的該重要參數(shù)即可計(jì)算出安全閥的密封面積和當(dāng)前安全閥的起跳壓力。計(jì)算的具體過(guò)程為：在系統(tǒng)介質(zhì)的工作壓力PX的情況下，使用安全閥在線(xiàn)整定裝置，安全閥起跳動(dòng)作時(shí)加在閥桿上的外附加力為FW1；在保持系統(tǒng)介質(zhì)壓力PX穩(wěn)定的條件下，調(diào)節(jié)安全閥調(diào)整螺母一周后，此時(shí)安全閥起跳時(shí)加在閥桿上的外附加力為FW2，安全閥的起跳壓力變化為ΔΡ（視其為矢量，即增加為+，減小為－）。

此方法必須保持在系統(tǒng)介質(zhì)壓力穩(wěn)定的前提下進(jìn)行，它避免了大量的實(shí)際測(cè)量和計(jì)算工作，實(shí)現(xiàn)了安全閥的密封面積未知的情況下對(duì)起跳動(dòng)作壓力的在線(xiàn)測(cè)量。需要指出的是，此方法計(jì)算得到的面積S已不是完全意義上的安全閥的密封面積，它是整合了整個(gè)測(cè)試過(guò)程中的所有影響密封面積的因素后得出的數(shù)值，所以，由此得到的安全閥的開(kāi)啟動(dòng)作壓力更接近于實(shí)際動(dòng)作值。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)試，采用此方法得到的安全閥的開(kāi)啟動(dòng)作壓力較常規(guī)方法要準(zhǔn)確的多，與實(shí)際開(kāi)啟動(dòng)作壓力的誤差在1％以?xún)?nèi)，符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

3 結(jié)束語(yǔ)

⑴對(duì)于彈簧式安全閥在線(xiàn)測(cè)量整定技術(shù)的關(guān)鍵在于如何正確迅速地找到對(duì)應(yīng)開(kāi)啟動(dòng)作的特征點(diǎn)。采用NSH系列安全閥在線(xiàn)定壓儀是解決測(cè)量結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性,免受人為因素影響的有效措施。 ⑵根據(jù)對(duì)具有柔性閥瓣的彈簧式安全閥起跳過(guò)程的研究分析可以看出，確定柔性閥瓣的彈簧式安全閥開(kāi)啟瞬間閥瓣的密封面積S是確保安全門(mén)開(kāi)啟動(dòng)作準(zhǔn)確的關(guān)鍵。

⑶在保持系統(tǒng)介質(zhì)壓力PX穩(wěn)定的前提下，根據(jù)彈簧的特性參數(shù)可實(shí)現(xiàn)在密封面積S未知的情況下，對(duì)彈簧式安全閥的起跳動(dòng)作壓力的在線(xiàn)測(cè)試。它整合了整個(gè)在線(xiàn)測(cè)試過(guò)程中的所有影響密封面積S的因素，所以，由此得到的安全閥的開(kāi)啟動(dòng)作壓力更接近于實(shí)際動(dòng)作值。

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