制氧机安全阀在线校验技术的研究与应用

吕国钢等

摘 要：为了保障制氧机组安全阀的工艺性和安全性得到有效、可靠的保证，通过安全阀在线校验技术的应用，既可以保持机组连续运行，又可以节省大量人力、物力，较少校验成本，检测得到符合实际工况条件下的整定压力值，因此，具有同等条件的制氧机组的安全阀采用安全阀在线校验技术是可行和可靠的。

关键词：制氧机 安全阀 在线校验

中图分类号：TH134 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（a）-0125-02

本钢氧气厂作为本钢集团公司内易燃易爆重点危化品生产单位，承压类特种设备较多，相应的安全阀数量也多，全厂各类安全阀总计200余只，其中大部分为空分冷箱系统所用。该厂主力运行机组6、7、8号制氧机组为德国林德公司制造生产，设备常年运行，偶尔停机，而冷箱系统并不停，但是需要保持正压，防止湿空气进入塔内。安全阀校验只能在设备中修（5年一次）和大修（10年一次）期间进行，不符合的安全阀每年至少进行一次校验的周期要求。为解决这一问题，本钢特种设备检验检测站建议采用安全阀在线校验技术。结合制氧机运行状况复杂，介质状态不同，运行压力变化大，检测部位落差大等特点，由本钢特检站编制确实可行的校验方案。经厂方领导及设备、安全等相关部门确认后，为尽最大程度降低校验工作可能对设备运行造成影响，安全阀在线校验均安排于机组临检修前，甚至停机（设备充气保护）时进行。自2012年10月份起陆续开展安全阀在线校验工作，试验性对后备系统20只安全阀在工况条件下进行在线校验，效果良好。2013年3月～9月安全阀在线校验总数146只，安全阀在线校验占比为73%。2014年5月—10月安全阀在线校验总数177只，安全阀在线校验占比为88.5%。2015年5月7、8号机校验94只。其余安全阀由于结构形式（阀杆不外露）和安装位置不适宜（工艺管道与安全阀太近，夹具的框架无法安装）安全阀在线校验，因此只能在停机状态下进行离线校验。

1 安全阀在线校验应用

1.1 安全阀在线校验的概念

所谓安全阀的在线校验就是在使用状态下对安全阀的开启压力进行检测、整定的过程。

1.2 安全阀在线校验应具备的条件

（1）合格、准确、专业的校验设备；（2）配备专职的校验人员；（3）完善的安全阀在线校验作业规程；（4）安全阀在线校验所需要的辅助条件。

1.3 安全阀在线校验基本原理

弹簧安全阀的开启、关闭动作是依靠其进口端的介质压力变化和弹簧预紧力来使阀芯自动开启及关闭。当介质压力（内压）升高到提升力比弹簧预紧力大时，阀芯克服弹簧预紧力自动开启，泄放多余的介质，使内压下降，又由于弹簧力的作用，当内压降至安全值时，阀芯自动关闭，泄放停止。我们先了解下列的符号：Fd —弹簧预紧力；P0 —安全阀入口压力（系统介质压力）；S —介质作用在阀瓣上的有效密封面积；f —阀门密封件（阀瓣与阀座）之间的相互压紧力；Ps —安全阀的开启压力；Δ F —作用于安全阀阀瓣一个向上的附加提升力。为简化起见，我们来考察一个处于关闭状态且正常运行的安全阀的受力状况（图1a）。

向下作用于阀瓣的弹簧预紧力Fd，一部分用来抵抗介质作用力P0·S，另一部分产生阀门密封件之间的相互压紧力f，该力足以保持安全阀呈密封状态。随着介质压力的提高，密封件间的相互压紧力亦随之减少，当介质压力达到开启压力Ps时，相互压紧力f等于零，安全阀开启（图1b）。

此时满足：Fd = Ps · S （1），这个开启状况也就是安全阀离线校验的原理。

如果从外部作用给安全阀阀瓣一个向上的附加拉力ΔF（该文所指的在线调校技术是在安全阀入口带压情况下，借助外加力将安全阀开启，以便测量其开启压力），则除抵抗介质作用力与密封件间产生的相互压紧力外，弹簧预紧力还需克服该附加拉力（图1c）。

随着附加拉力的增加，密封件间的相互压紧力将逐渐减小。当压紧力f等于零时，安全阀密封完全丧失而达到开启状态，此时介质作用力与附加力之和刚好克服弹簧预紧力（图1d）。

安全阀开启，此时满足：Fd=P0·S +ΔF （2）

显然在（1）（2）公式中，作用在阀瓣上的弹簧预紧力Fd=常数，则可以得出：Ps·S = P0·S +ΔF，等式两边同时除以S，就得到安全阀在线校验的基本公式：Ps = P0 +。安全阀在线调校技术就是根据这个公式实现的。

1.3.1附加拉力的确定

在线校验技术核心问题是如何施加外力，如何测量和记录外力，以及如何判别安全阀呈开启状态。不同的调校装置在解决这些问题时采用不同的办法。作用在阀瓣上的外加力是通过延伸到阀外的阀杆施加的，这就保证了在线测量时装置完全不接触介质，不受介质压力、温度影响。施加外力的方式采用油压千斤顶（油缸）。外加力测量一般为电阻应变片式拉压力传感器，配以各种二次计量仪器，如快速电子记录器、单片机系统、微机等来实现的。

1.3.2有效密封直径的测量

现场校验时阀体不能拆解， 阀门密封直径数据无法进行实际测量。通常采用两种方法。

⑴凭经验曲线查找。现场校验的安全阀为德国CROSBY阀，通常铭牌标注喉径，在前期准备工作中对该品牌的多种规格备用阀或报废阀通过解体测量密封直径，建立密封直径与喉径关系曲线。因此，可以利用插入法在曲线上查找相应喉径的密封直径。

⑵压差法。利用压差法确定有效密封直径，即通过改变系统工作压力，计算安全阀的整定压力有效密封直径。压差法基本原理如下。

通过Ps = P0 +ΔF/S公式可发现，P0、S一般是已知的，ΔF可以通过安全阀在线调校仪测出，这时就可以计算出Ps。假设我们把S看作未知数，设：X=1/S，则Ps = P0 +ΔF/S可变为：

Ps-P0-ΔF·X=0，式中Ps、X为未知数，P0、ΔF为系数。为了计算出Ps、X，分别在工作压力为P01、 P02时在线开启安全阀，这时外加提升力分别是ΔF1、ΔF2，此时ΔF1、ΔF2 单位是千克，要转换成牛（1Kg=9.8N）。

把以上系数代入Ps-P0-ΔF·X=0得方程组为：Ps-P01-ΔF1·X=0；Ps-P02-ΔF2·X=0

这时，如果

则可解方程得：X= （P02-P01）/（ΔF1-ΔF2）； Ps=（ΔF1· P02-ΔF2· P01）/（ΔF1-ΔF2）；S=（ΔF1-ΔF2）/（P02-P01）； 再由S=πd2/4得出：d= √4S/π.

这样，就可以计算出安全阀的有效密封直径，这种方法适用于系统压力可变，尤其是系统开车过程中压力逐渐上升时，具体实施时可读现场压力表。

安全阀在线调校中有效密封直径的推算法，可避免要预知有效密封直径，解决了无有效密封直径不能在线校验安全阀的实际问题，提高了在线调效的工作效率。

1.3.3 判开准则

安全阀在线调校装置的判开准则是指在施加连续外力的过程中，判别阀瓣已达到开启状态的事实依据。安全阀开启压力的科学定义为“安全阀阀瓣在运行条件下开始升起时的进口压力，在该压力下，开始有可测量的开启高度，介质可呈现由视觉或听觉感知的连续排放状态”。实践表明，对于工业应用，最常用的方法是用听觉感知安全阀的开启，即以开始听到介质的连续排放声为判开准则。

校验装置采用音频和位移（触点）两种方法，分别代表开启压力术语中听觉、视觉两种判开依据，通过这两种方法都可以完成对安全阀开启压力的测量。

2 安全阀在线校验的优点

（1）在线校验免去安全阀拆、装和运输环节，也可以避免安全阀回装过程中接口发生泄漏的情况，提高可靠性提高。经过多方询问和尝试，该厂已经建立起来安全阀在线校验的收单；

（2）对于氧气介质，在线校验可以免去安全阀校验后的脱脂去油工作，安全性提高；

（3）在线校验可在设备不停机状态下运行，不占用生产时间，能够化解生产与检验二者时间上的矛盾，避免了因停机造成的不必要的经济损失。

（4） 虽然在费用方面在线校验比离线校验稍高，但考虑包含人工费、运输费、机械费用和停工损失等，则比在线校验费用明显偏低，且阀门越大性价比越高，如8号机粗氩塔安全阀，口径DN300，在线校验费用为6190元，如果按离线校验进行，需要用300吨吊车，台班费加人工费用不少于4万元。综合起来看在线校验可以减少校验的间接成本。

（5）不受背压影响，检测出实际工况条件下安全阀整定压力值。

3 结语

制氧机的工艺介质多样如氧气、液氧、氮气、液氮及空气等均是洁净的，而且制氧机具有适宜的检测平台，阀门结构合理，这些是安全阀能否进行在线校验的必要条件。反之，该厂3、4号机没有适宜的检测平台，5号机阀杆不外露，因而无法实现安全阀在线校验。通过近三年来对本钢氧气厂6、7、8号制氧机安全阀在线校验，结合历次检测结果的对比，同一位号的安全阀几次的检测结果相差不大，均在误差许可的3%范围内，在使用周期内没有发生突跳、泄漏等异常情况，检测数据真实可靠；安全阀的在线校验在保证安全的前提下为企业节省了大量的人力和物力，关键是减少了因设备停机所造成的经济损失。因此，我们认为安全阀在线校验技术对制氧机安全阀的应用是可行和可靠的。

参考文献

[1] 安全阀[M].北京：中国特种设备检验协会，2009：341-358.

[2] GB/T12241-2005，安全阀一般要求[S].北京：中国标准出版社，2005.