安全阀在线校验有效密封面积不确定度评定

秦光辉，罗俊勇，顾 雷，陶功富，先本均（乐山市特种设备监督检验所，四川 乐山 614000）



安全阀在线校验有效密封面积不确定度评定

秦光辉，罗俊勇，顾 雷，陶功富，先本均
（乐山市特种设备监督检验所，四川 乐山 614000）

摘要：有效密封面积的不确定度是安全阀在线校验的关键技术问题，文中分析了安全阀密封间隙中压力分布和密封面结合状态对安全阀有效密封面积的影响。采用数理统计方法确定了试验用安全阀密封直径的样本均值和样本标准差，结果表明：可以用密封中径值作为密封直径，密封直径在取值区间服从三角形分布，得到了有效密封面积标准不确定度表达式。提出减小整定压力误差的措施是尽量减小安全阀的宽径比和提高安全阀入口压力。

关键词：在线校验；密封直径；数理统计；不确定度

罗俊勇，男，乐山市特种设备监督检验所，高级工程师，检验师

顾雷，男，乐山市特种设备监督检验所，工程师，检验师

陶功富，男，乐山市特种设备监督检验所，助理工程师，安全阀校验员

先本均，男，乐山市特种设备监督检验所，助理工程师，检验员

1　概述

近年来，业内人士进行了大量的研究和实践，提出了一些确定安全阀有效密封面积的方法，比较有代表性的方法有：经验法、中径法、改变系统压力法、调整螺母确定法、单位载荷阀门开启压力改变法[2-5]。然而，按照研究者们提出的这些方法进行在线校验，得到的整定压力结果均存在不同程度的误差，有的误差甚至不能接受，还没有一种方法得到业内普遍的认同。

研究者提出的有效密封面积确定方法实际上可以归为两类，一种是基于密封面尺寸测量法，如经验法、中径法。另一种是参数测量反推法，如改变系统压力法、调整螺母确定法、单位载荷阀门开启压力改变法。密封面尺寸测量法认为通过密封面尺寸的准确测量就能得到可靠的有效密封面积，但这种方法没有考虑介质在密封面的物理行为。参数测量反推法通过测量附加拉力和安全阀入口压力等参数来计算有效密封面积，但没有考虑参与计算参数本身的测量误差，由于误差累积影响了测量精度。此外，现场条件的局限往往使参数测量反推法难以实施。

误差理论表明，由于测量总存在一定的误差，结果存在不确定性[6]，为提高安全阀在线校验的可靠性，应该深入地研究有效密封面积的量值特性。

2　有效密封面积的理论分析

安全阀整定压力定义为安全阀在运行条件下开始开启的预定压力，在该压力下开启阀瓣的力和使阀瓣保持在阀座上的力平衡[7]。整定压力下安全阀的开启高度处于微米级，在极其狭窄的间隙中，流体的流动体现为分子流和黏性流。对于不可压缩的液体而言，黏性力在流动中占主要地位，流动表现为层流。气体或蒸汽与不可压缩流体不同，压力下降时气体的体积显著增加，从安全阀密封面的入口侧到出口侧，气体流动速度不断增加，流动更可能变为紊流。理想条件下，密封间隙中可压缩流体与不可压缩流体的压力分布如图1，密封间隙中可压缩气体的平均压力更高一些[8]。对同一安全阀而言，气体介质校验的整定压力低于液体介质已被有关的试验证实[9]。

图1　不同介质的阀瓣下介质压力分布

为保证安全阀的密封，总需要一定宽度的密封环带构成介质流动的阻力或是通过密封面微观不平度的变形将介质通道堵塞。密封面宽度增加，接触带上的密封比压显著增加，形成密封的接触带位置的不确定性也在增加，典型的密封环带如图2所示[10]。

图2　密封环带示意图

由于密封表面状况的差异，安全阀密封环带的形状和位置分布将有所不同，用于计算有效密封面积的密封直径的取值也不同。按理想条件下密封面压力分布推导的有效直径作为密封直径并不完全符合安全阀的实际情况。密封环带一定处于密封面的内外径之间，密封直径一定满足下式：

密封直径具有一定的随机性和模糊性，取值的分散程度是导致安全阀在线校验结果误差的重要原因，应当采用测量不确定度理论进行分析评定[11]。

3　密封直径及分布的试验研究

3.1试验原理

当对被测量的总体分布缺乏了解时，应按要求抽取样本，分析计算样本的数字特征，以此估计总体数字特征[12]。安全阀的密封直径可以表示为：

为研究密封直径及分布，选取一定数量的安全阀进行试验，测量式中几个参数，得到密封直径试验值，再用数理统计方法预测它的量值特性。

3.2试验布置与准备

采用图3所示的试验布置，氮气从气瓶减压后经控制阀进入试验容器，试验容器具有足够容积以保证试验的可靠，安全阀通过法兰式缩颈接头与容器连接，缩颈接头上设置两只0.4级压力表以测试安全阀入口压力。

安全阀在线校验机械夹具固定在安全阀体上，为附加外力提供施力环境。油泵输出的高压油作用在油缸柱塞上，通过中心联杆、力传感器、联接螺母等部件传递，使附加外力作用在安全阀阀瓣上。施加外力的大小由力传感器测得，阀瓣的开启由触点探针的状态感知。

图3　安全阀试验布置

试验共选用了20只安全阀，安全阀公称压力范围1.6～10MPa，公称直径32～80mm。首先对安全阀进行解体，测量安全阀密封尺寸，分别测量阀瓣的内径、外径和阀座的内径、外径各三次，取内径大者、外径小者的平均值作为密封面的内、外径。压力表和安全阀在线校验仪在试验前送检，以保证测量数据可靠溯源。

3.3试验过程和结果

为获得更多的数据，在安全阀弹簧整定压力范围内进行两次独立试验。将安全阀安装在试验容器上，以系统压力进行三次整定压力测量，取平均值作为安全阀该状态下的整定压力。再将安全阀入口压力控制在该整定压力的0%～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%、80%～100%范围进行在线校验。为减小测量误差,在线校验仪传感器和压力表的选择原则是测量读数至少大于量程的1/3。在每一初始压力条件下至少测量三次，记录下每次的初始压力值和附加拉力值。为保证测量结果的一致性，均采用位移法作为安全阀开启的标志。根据每次的安全阀入口压力和附加拉力进行计算，取三次的平均值作为密封直径dy的最终值。第一次试验后，调节安全阀螺母，使整定压力改变，按上述方法再测量一遍，20只安全阀的试验结果如表1。

表1　安全阀密封直径试验结果

在密封面内的位置，可将其表示为：

式中：

?

数据转换后，得到密封直径相关系数n值的表2。

表2　密封直径相关系数n的计算值

从表2的试验数据可见，对不同的安全阀，n的值具有明显的分散性，两只安全阀即使型号相同，n也可能有明显的差别，这说明起封闭作用的密封环带位置存在很大的不确定性，且应只占密封面的一部分。同一只安全阀，在不同的初始压力下n的试验值变化范围并不大，说明每只安全阀的密封环带相对稳定。

为直观分析n的数据特性，判断密封直径的分布情况，按0.1n的组距进行分组，得到n的统计直方图4。

图4　n的统计直方图

试验安全阀的n值具有如下特点：大多数数据集中在0的附近，离开0越远数据越少，数据分布呈现中间大，两头小的特点。将试验直方图与三角分布或正态分布比较，直方图在0附近的集中略弱于正态分布，较三角分布要集中一些。

为进一步分析n值的集中趋势，判断数据的偏离程度，对样本的均值和样本标准差进行计算。考虑安全阀装配原因，可能导致密封环带存在微小的差异，将n的均值取-0.1和0.1对样本标准差进行计算，得到表3。

表3　密封直径相关系数n的统计参数计算

由表可见，试验安全阀n的均值在不同初始压力下虽不完全相同，但都非常接近于0，说明用密封面中径作为密封直径计算安全阀的有效密封面积是合理的。样本标准差较小，说明数据的波动性小。即便n的均值取为-0.1和0.1，样本标准差也小于三角分布的标准差。为便于评定有效密封面积的不确定度，将密封直径按三角分布进行处理是合理的。

4　有效密封面积不确定度对整定压力的影响

样本数据统计表明安全阀的密封直径的均值可用密封面中径表示，因此有效密封面积的最大偏差

密封面尺寸的测量采用游标卡尺等量具，其测量不确定度和由密封环带位置决定的密封直径不确定度比较可视为微小误差予以忽略。密封直径的分布视为三角分布，由文献[13]中有效密封面积的B类标准不确定度分量表示为:

测量重复性、压力表、安全阀在线仪、有效密封面积等各被测量间互不相关，根据安全阀在线校验整定压力数学模型，仅由有效密封面积不确定度导致的整定压力的标准不确定度u表示为：

从上式可见，安全阀结构尺寸对整定压力不确定度的影响随密封面宽径比的增加而增大，安全阀入口压力越接近整定压力，安全阀结构尺寸对整定压力误差的影响越小。

5　结论和建议

安全阀密封面状态的不同和介质在密封面渗透能力的差别，造成安全阀在线校验中有效密封面积取值存在一定的不确定度，这是造成安全阀在线校验整定压力误差的重要原因。在线校验时必须考虑有效密封面积不确定度的影响。

试验研究表明：用安全阀的中径作为密封直径得到的标准差较小，安全阀密封直径在取值区间的概率分布可以用三角分布进行描述。

减小安全阀的宽径比和提高安全阀入口压力是保证安全阀在线校验整定压力准确的关键措施，安全阀入口压力越接近整定压力，安全阀结构尺寸引起的整定压力不确定度越小。

参考文献

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[12]柳金甫，王义东.概率论与数理统计（经管类）[M].武汉.武汉大学出版社, 2006.

[13]国家质量监督检验检疫总局.JJF1059.1-2012 测量不确定度的评定与表示[S].2012.

Uncertainty Evaluation for Effective Seal Area in On-line Adjusting of Safety Valves

QIN Guang-Hui, LUO Jun-Yong , GU Lei , TAO Gong-Fu , XIAN Ben-Jun
(Leshan City Special Equipment Supervision and Inspection , Leshan, Sichuan 614000)

Abstract:The uncertainty of effective seal area is a key technical problem in on-line adjusting of safety valves.It analyzes that the pressure distribution in safety valves sealing gap and the sealing surface state impacted on the effective seal area.The sample mean and sample standard deviation of the tested safety valves are calculated with the methods of mathematical statistics .The results show that the seal diameter should be the value of median diameter .The seal diameter is obeyed the triangle distribution in the value range.The evaluation of standard uncertainty of effective seal area is obtained.The decreasing error method is put forward that is to minimize the safety valve widthradius ratio and improve the safety valve inlet pressure.

Key words:On-line adjusting;Seal diameter;Mathematical statistics;Uncertainty

作者简介：秦光辉，男，乐山市特种设备监督检验所，副总工程师，检验师，

收稿日期：2015-09-19