弹簧式安全阀检修测量数据记录与分析

赵德智，贾亚可

（1唐山陡河发电厂，河北 唐山 063028；2.北京金碧合力设计有限公司，北京 100026）

1 概 述

安全阀是非常重要的保护性阀门，广泛地应用在电力和石化等行业，是各类锅炉、压力容器和压力管道等特种设备上不可缺少的安全附件，起到超压保护作用。当系统超过压力定值时，可通过安全阀泄出多余的介质压力，确保系统的安全。在机组的寿命期限内，较重要的安全阀组将长时间（30～60年）伴随其运行，在长期的运行维护中，如维护不当或设备老化等原因，会引起阀门泄漏、卡涩、定值压力发生偏差，甚至会导致安全阀退出备用状态，给电力企业的安全生产带来隐患。

1978年，陡河发电厂二期3号、4号机组投产，为国外公司生产的亚临界自然循环锅炉，额定蒸汽流量850t／h，锅炉汽包上有四组国外公司生产的PAT 4718F全腔弹簧式安全阀，整定压力为19.52／19.76MPa。现对该汽包安全阀在近10年的检修过程中所存在的缺陷及数据记录情况进行分析，研究其运行数据超标后，易发生的缺陷及失效情况，为这类弹簧式安全阀的检修和数据测量，提供分析和借鉴。

2 弹簧式安全阀检修中应测量的数据

2.1 阀杆顶端到调整螺钉的距离

阀门解体前，应首先测量阀杆顶端到调整螺钉的距离H，如图1所示。

图1 安全阀结构图

在运行状态下，对安全阀的阀芯密封面进行受力分析，见图1所示。忽略弹簧、阀杆等组件的自重，存在弹簧通过阀杆作用到阀芯的向下预紧力Fd，介质向上的作用力POS和下密封面的压紧力f，满足：

式（1）中，PO为系统介质压力（Pa），S为阀芯受力面积（m2）。

弹簧预紧力Fd固定不变，当系统介质压力PO增加，则密封压紧力f逐渐减小，当介质压力达到开启压力PS（整定压力）时，相互压紧力f等于零，则安全阀开启，此时满足：

不考虑温度、弹簧刚度等因素的变化，假设弹簧为线性压缩，则：

式（3）中，k为弹簧压缩系数（N／mm），Δx为弹簧的压缩量（mm）。

由式（2）、式（3）得：

由于k、S为常量，安全阀的整定压力PS只与Δx有关，且成正比。通过图1可以看出，弹簧的压缩量由调整螺钉的上下调整进行控制，假设调整螺钉由位置1转动到位置2，由公式（4）得：

因此，从阀杆顶到调整螺钉的距离H的数值变化，可推算出安全阀整定压力的差值；使H值保持不变，即能保证安全阀整定压力PS的稳定性；通过调节H值，也可换算出整定压力的变化。如该汽包上安全阀调整螺钉每紧1／8圈，弹簧压力增加的经验值为0.15MPa。

一种错误的方法是测量调整螺钉到阀门弹簧架的距离H′（见图1所示），以该距离作为解体后调整螺钉的位置依据。在安全阀检修过程中，因对阀门密封面的研磨，或者更换新的阀芯等因素，会使阀杆、阀芯组件出现整体上移或下移，使检修后相同的弹簧压缩量下的H′数据值不尽相同，如以H′作为参考值，会造成整定压力PS的偏差，增加机组启动时对安全阀校验调整的次数［1］。现对陡电二期机组汽包安全阀近10年的检修记录进行分析，每次研磨使密封面的下降尺寸为0.05～0.5mm，而更换阀芯造成阀芯相对高度t的改变量达3mm。

2.2 弹簧的伸缩长度

将安全阀解体前，应测量弹簧的压缩长度L′，有些因安全阀的结构原因无法测量此数据时，可用阀杆顶到调整螺钉的距离H，对比分析弹簧压缩量的变化，解体后可测量弹簧的自由长度L［2］。弹簧的永久压缩量，即自由长度L比其制造出厂时的初始自由长度的减少量应不大于1%［3］。

火力发电站的寿命期限常为30～40年，核电站的服役期限为40～60年。安全阀长期工作在高温高压下，会出现弹簧疲劳失效等问题，造成阀门泄漏、起座压力［3］（或称整定压力［6］）偏差等安全隐患。该二期机组已服役30多年，目前，汽包上安全阀普遍存在泄漏、整定压力定值偏高、因泄漏而退出备用等问题。只有在逐步更换新安全阀后，这些问题才得到有效解决。安全阀的定制及采购周期较长，尤其是进口安全阀，通常需要1年的周期，所以，及时对比弹簧长度L、L′的检修记录，可分析弹簧疲劳老化的趋势，提前做好更换弹簧或阀门的准备工作，以确保安全阀的有效启动，起到超压保护的作用。

2.3 调整环及重叠套环的位置调整

安全阀的上下调整环、重叠套环作为调整阀门开启高度、调整排量、消除缓漏、频跳、颤振［4］的结构，对安全阀的安全运行具有重要作用。在检修过程中应慎重调节，并尽量保持其位置的一致性。目前，安全阀的生产厂家及型号较多，在结构上并不相同。现对上下调整环、重叠套环的结构原理进行说明，具体调节还应严格按照设备说明手册进行。

2.3.1 下调整环的调整

当系统压力上升到几乎接近起座压力时，安全阀可能出现小量泄汽（缓漏），这种安全阀动作前开始微量泄汽时的压力叫做前泄压力［3］。前泄压力越低，说时安全阀的质量越差，前泄压力越接近开启压力，说明安全阀的严密性越好，没有前泄而截然起座的安全门为最好。前泄压力低而起座晚时可升高下环，下环移向阀芯盘的下面，这样使阀芯盘下表面产生高压环，增加了开启时的受压面积，使安全阀产生一个截然的开启动作，而起到缩短前泄的效果。开启压力适当而出现连续开启（频跳、颤振）时，可向下调整下环，减少开启时受压面积，以消除振荡。

2.3.2 上调整环的调整

当上环的位置升高，排汽量将减少，使上环下降即增加排汽量。当阀门开启时，不能全开或开启后逐渐降低而使阀门缓慢关闭，则不论排汽多少，都应降低上环直至阀芯被完全打开，并有明显的关闭动作为止，这个位置为上环调整的极限位置。应控制上下环的相隔位置，不应相隔太大，以免造成阀门失控。

2.3.3 重叠套环的调整

重叠套环也是调整排汽时间的有效部件，如果排汽时间太长，可降低调整套，以增加阀芯盘背面的背压，促其回座减少排汽量。升高重叠套环或降低上环，都可达到消除振荡的效果

2.3.4 密封面高度

随着检修时研磨次数的增多，安全阀密封面会逐渐减薄，硬质合金的减少使密封面硬度降低，当达到一定程度后，必须重新堆焊硬质合金或更换阀芯，恢复密封面的高度与硬度，保证阀门密封性与启闭动作性能。阀芯密封面高度M（图2）与阀座密封面高度K（图3）作为判断密封面高度合格与否的关键参数。在检修过程中，应对此分别进行测量并记录，如Consolidated 1700Q型安全阀的M最小值为0.12mm。当高度值超过标准值后，应更换阀芯或对阀座密封面进行硬质合金堆焊，必要时应更换阀门。

2.3.5 阀芯密封面内外径

安全阀运行时，系统内介质压力直接作用于阀芯上，通过对阀门密封面内外径的测量，可以得到压力作用的面积，作为计算阀门整定压力的输入数据，在近些年发展起来的在线校验技术［5］中得到了广泛的应用。由于不同阀芯直径的差异性，在阀门首次检修或者更换新阀芯时，测量其内外径的数据，可以更加精确地计算阀门整定压力。

2.3.6 阀座喉部直径

阀门进口端至阀芯密封面间流道的最小横截面称为安全阀的喉部，对应的最小截面的直径称为喉部直径。通过对喉部直径的测量，可以用来计算无任何阻力影响时的理论流量［6］，进而确定系统上安全阀组的理论排放量是否满足系统超压保护的能力，并用于安全阀的选型、排放量的设计计算等分析中。

3 结 语

通过对上述测量数据的分析，阐述了在安全阀检修中数据记录的重要性。通过对检修前后测量的关键数据的对比，可以保证安全阀整定压力的准确性。通过对密封面高度、弹簧长度的趋势分析，可以判断安全阀的性能是否良好，以便及时地安排预防性检修与备件订购，减少阀门泄漏、卡涩等缺陷的发生，保证机组运行的安全与稳定性。通过对密封面直径、喉部直径等数据的测量，可以进行安全阀整定压力与排放量的计算，为阀门的选型与压力定值计算提供基础数据。

目前，火力发电站和核电站等制造企业常采用招标承包的方式进行检修，由于检修队伍的频繁变换与工艺水平的参差不齐，难以保证安全阀的检修及安装质量。如果安装尺寸出现偏差，会引起安全阀定值压力偏差，甚至引发泄漏、卡涩等事故，并对后续的检修测量造成障碍。因此，在检修过程中对安全阀的关键数据进行测量，建立长期有效的测量数据库，可以对比分析安全阀的质量状态，保证安全阀的有效性和长期运行的稳定性。

［1］陈殿京，刘殿坤.安全阀流场数值模拟研究.［J］.流体机械，2008，36（10）.

［2］GB／T12243－2005，弹簧直载荷式安全阀［S］.

［3］JB／T 9624－1999，电站安全阀技术条件［S］.

［4］DL／T959－2005，电站锅炉安全阀应用导则［S］.

［5］梁华、方学锋.安全阀在线校验技术的应用与分析.［J］.化工机械，2010，37（6）.

［6］GB／T12241－2005，安全阀（一般要求）［S］.