预防在线校验中安全阀突发频跳和颤振的措施与方法

摘 要：安全阀突发频跳和颤振的异常现象都是在安全阀开启时发生，特别是生产过程中设备超压或在线校验过程中安全阀开启时引发的频跳和颤振，它直接威胁到设备安全和现场检验人员的人身安全。当前采用辅助开启装置（即安全阀在线校验仪）进行校验的方式越来越得到普及与应用，为避免和克服频跳和颤振事故发生在在线校验的过程中，本文做了如下的分析，并采取了相应的防范措施与方法。

关键词：频跳；颤振；卡阻

安全阀作为承压装置超压保护的一个关键附件，一直以来被广泛应用于核电站、垃圾焚燒发电站、大型石化行业及锅炉、压力容器、压力管道等承压设备及蒸汽系统中，为保证设备系统上的安全阀能处于安全准确有效的运行状态显得特别重要，在大型或超大型设备上运行的安全阀为保证每年至少能得到一次有效的校验整定，在线校验仪的应用得到了越来越广泛的推广。

安全阀是一种自动开启关闭的阀门，一旦承压装置内部的压力超过限定值时安全阀开启泄放，为承压装置起到超压保护的作用，一旦压力恢复正常安全阀能自动关闭起到密封的作用，安全阀的工作状态好坏直接影响到所保护的承压装置的安全。

因此，安全阀在性能上必须达到“准确开启、适时全开、稳定排放、及时关闭、可靠密封”的基本要求。针对承压装置上的安全阀的定期检验要求，必须按《安全阀安全阀技术监察规程》中的规定执行，检验周期每年至少一次。[ 1-5 ]

1 安全阀在线检验检测方式

安全阀在线校验是指阀门不需要从承压装置上拆卸下来，在实际运行状态下对其进行的检验。

当前普遍采用的在线检验检测方式有三种：

1.1 采用被保护系统内介质及其压力进行试验

该方式为升压实跳方式，利用装置内系统介质本身的压力，升高至安全阀开启状态进行校验，实跳方式具有一定的风险性，在这种情况下承压装置会面临超压风险，一旦发生频跳或颤振直接威胁到承压装置和现场校验人员的人身安全。

1.2 采用其他压力源进行试验

该方式要求现场被测安全阀必须具备进口端预留校验管口，安全阀入口端配备有截止阀，采取隔绝手段来完成校验。要求具备的条件多。如预先无预留接入口，改造需要花费一定的时间和成本，但校验中发生频跳或颤振现象比较容易处理。

1.3 采用辅助开启装置进行试验

该方式利用辅助开启装置进行校验，需要使用专业机电设备，对运行安全阀的弹簧进行提升操作，记录相应数据，依靠工业用平板电脑计算出安全阀的开启压力值，达到校验目标，一旦发生频跳或颤振，其危害同在线实跳相当。

2 安全阀工作状态下的动作原理

在线校验技术的应用带来校验过程便捷的同时，也难于避免安全阀可能会在在校验过程中突发频跳和颤振事故，如因在线校验过程中发生频跳和颤振，将直接影响到承压装置的正常运行，严重的可能引发设备故障，导致机毁人亡等严重事故。我们经历了长期的安全阀在线校验工作，对安全阀在线校验过程中突发性的频跳、颤振事件进行了潜心的研究。

为了更好地解释安全阀在在线校验中发生频跳或颤振现象，我们从安全阀的动作原理进行分析：

1）安全阀是一种自动阀门，当安全阀入口介质压力超过工作压力时会自动开启，当压力回到工作压力或略低于工作压力时，又自动关闭。由于多数工况條件下普遍采用的是弹簧直接载荷式安全阀，现以全启式弹簧式安全阀的启闭件阀瓣的受力情况作为分析对象进行说明。

2）当安全阀的整定压力大于被保护系统的工作压力，阀门处于关闭状态，如图1（a）所示。

此时建立如下的平衡关系式：

注：

P1为阀瓣上弹簧的作用力N；

P重为阀瓣上构件自身的重力N；

p为安全阀入口处的表压力MPa；

S为与介质相接触的阀瓣内表面面积m2；

Pm为密封面上所产生的密封比压力N。

作用在阀瓣上的力有弹簧预紧力P1，弹簧、弹簧座、反冲盘、阀杆等零件重力P重（因与介质工作压力相比较小，故可忽略，只有当开启压力很小时，才考虑）方向向下，介质的作用力p·S方向向上；阀座对阀瓣的托力（压紧力）Pm，这个压紧力在密封面上产生密封比压力，保证了安全阀关闭件间有了必需的密封性。

3）当系统中的压力p不断升高时Pm在不断减小（即阻止泄漏的密封能力越变越差），但此时阀瓣没有离开阀座没有产生位移，弹簧的作用力未发生变化，升高的压力仍能保持阀瓣上下受的平衡力未被破坏（合力不为零）。

此时阀瓣在入口介质压力的作用下，有向上作功的趋向，使得关闭件密封面上的密封比压力随之减少； 随着介质压力的进一步升高Pm=0（此时P1=p·S），安全阀达到开启状态，如图1（b）所示。

4）此时一旦阀瓣稍微离开阀座，介质开始排出并汇集在反冲盘的压力聚集室下，如图2所示。当介质压力p积聚到某一瞬间，利用作用在反冲盘式阀瓣扩大了的面积上的静压力以及流束的反冲作用力，安全阀便急速地打开到阀瓣的全开启高度，如图3所示，整个过程在瞬间完成。

5）当介质压力p降低到小于弹簧的作用力P1时，阀瓣会在弹簧力的作用下迅速地回落到关闭位置，使关闭件间又产生了密封比压力，阻止了介质从密封面间流出，安全阀又处在了新的密封关闭状态，系统压力又回到了正常工作状况，如图1（a）所示。

3 采用辅助开启装置进行安全阀在线校验的基本原理

如果在安全阀处在正常运行的关闭状态，从外部给安全阀阀杆施加一个向上的附加拉力ΔF，则弹簧预紧力P1除抵御介质作用力p，以及阀门密封面间产生的相互压紧力Pm外，还会被附加拉力ΔF抵消，如图4（a）所示。

随着附加拉力ΔF的增大，密封面间的相互压紧力Pm将逐渐减小。当附加拉力ΔF增大到一定值时，相互压紧力Pm=0，此时安全阀完全达到被开启的状态，介质作用力p·S与附加力ΔF之和刚好抵消了弹簧预紧力P1，图4（b）。

此时阀瓣尚未产生位移，弹簧压缩比还未改变，作用在阀瓣上的弹簧预紧力P1还是保持不变，由公式（1）、（2）可以得出：

公式（3）两边同时除以S，得到安全阀在线定压的基本公式：

注：ps为安全阀在线整定的压力值。

安全阀在线校验技术就是根据公式（4）实现的[ 6 ] 。

4 在线校验中安全阀可能发生频跳或颤振，其原因分析如下

安全阀频跳是指安全阀阀瓣快速异常地来回运动，运动中阀瓣接触阀座；安全阀颤振是指安全阀阀瓣快速异常地來回运动，运动中阀瓣不接触阀座。

并不是每次进行安全阀在线校验都会发生频跳或颤振现象，但设备运行中由于所处的环境或同时遭受周边诸多因素的影响，实施安全阀在线实跳时偶然性发生频跳或颤振现象还是存在的，而采用辅助开启装置进行安全阀在线校验同样也有可能偶然性发生频跳或颤振，这是安全阀调校过程中所不允许出现的，因此我们对在线校验时偶然发生频跳和颤振的原因进行了深入的分析和研究，与同行共勉，而采用其他压力源进行在线试验偶发频跳和颤振容易处理在这不作讨论。

1）被保护系统压力不稳定造成在线校验过程中发生频跳和颤振，從图5可以看出，当安全阀开启或阀杆被辅助开启装置拉起时，因设备内部介质本身存在着压力迫使介质从阀瓣与阀座的缝隙间冲出，聚集在压力聚集室形成向上托举反冲盘的力，当介质压力快速往外泄放时，一旦系统的压力不稳定，反冲盘托举作用减少或消失，反冲盘和阀瓣在弹簧力的作用下快速跌落，安全阀关闭，此时安全阀入口处介质的压力再次聚集上升，又一次顶开阀瓣，介质快速往外泄放，如果系统压力还是激烈波动且出现周而复始状态，将造成阀瓣频繁的开闭，引起频跳和颤振的发生。

2）长期使用的安全阀排放口或连接管积液、积垢或被堵，安全阀排放管口横截面积将会减小，安全阀开启时排放可能就不会顺畅，会造成频跳和颤振发生：安全阀排放管口的最低位置常设置有旁路接管，用于排放积液。如果平时疏于管理，用于排放积液的管路被堵造成排放管道阻力过大，介质排放时有过大的背压，排放出的介质还回并在压力聚集室聚集，反冲盘没能起到反冲作用，托举效果消失，反冲盘和阀瓣在弹簧力的作用下快速跌落，安全阀关闭。其过程同上面论述的一样，将引发频跳和颤振的发生。

另一方面，排放口通径变小，超压介质无法及时排放而被反弹回来，可能造成水击现象，严重的可能引起安全阀阀体或接管爆裂，直接影响到设备安全和人身安全。

3）阀杆变形，图5①中可以看出，弹簧作用力P1是靠阀杆传递到反冲盘和阀瓣上，一旦阀杆变形，垂直向下的弹簧作用力P1将产生一个侧向分力，导向套与反冲盘之间的活动间隙、反冲盘与阀瓣之间的活动间隙都有可能因侧向分力的作用产生卡阻现象，弹簧作用力无法垂直传递到阀瓣上，造成阀瓣和阀座密封面接触不均匀，密封面排放出来的介质将会跑偏，造成安全阀开启时介质排放不稳定而引起频跳和颤振的发生。

4）由图5③中可以看出，如敞开式结构的安全阀一方面有利于弹簧等构件的散热，但弹簧暴露在外，长期接触并受到高温、高腐蚀性介质的影响，引起腐蚀变形，原本弹簧的刚度发生变化，因腐蚀弹簧线径粗细不均，当安全阀开启或被辅助开启装置拉起时，随着弹簧位移的变化，弹簧的作用力并没有按“胡克定律”的线性规律变化，反冲盘和阀瓣在不稳定的弹簧力的作用，在附加拉力ΔF拉起的过程中造成了阀瓣与阀座之间产生频跳和颤振。

5）由图5④中可以看出，敞开式安全阀除弹簧暴露在外，导向套与反冲盘之间的活动间隙、反冲盘与阀瓣之间的活动间隙都会因落灰、积垢影响到阀瓣、反冲盘在导向套内的上下活动，动作不畅会出现卡阻现象，弹簧作用力因卡阻无法及时传递到阀瓣上，反冲盘和阀瓣在不稳定的弹簧力的作用，造成频跳和颤振的发生。

6）从（图5）我们清楚地看到，弹簧的预紧力是靠被压缩的弹簧把力传递到阀杆使之下压，把力传递到阀瓣密封面上使阀瓣与阀座形成密封比压最后起到密封的作用。

但是有过在线校验经验的人士都非常清楚，在线助跳技术是通过向上提拉阀杆，此时的阀瓣是在介质内压力的作用下被被动顶起的，假如阀瓣卡阻或锈死在导向套内，而校验前未能有效发现，此时的阀杆虽然被强制提拉上来，但阀瓣可能没有紧跟阀杆被顶起，这将造成安全阀开启的假象，这时虽然安全阀阀瓣有微启并泄放出少量的介质，但这种微启特征并不明显，终将导致仪器的误读、误判，更别说在吵杂环境下依赖声音判别法来捕捉开启瞬间的准确性了，这种事情的发生也是现场校验非常担心的事情，给整定值带来很多不确定的因素。

如果校验员无法及时捕捉到开启的瞬间，可能继续施力向上提拉阀杆，在此情况下阀杆有可能被过度拉起，微启泄放出的少量介质聚集在聚集室，但无法使反冲盘正常托举引起阀门频繁开闭，造成频跳和颤振的发生。

5 预防在线校验中安全阀突发频跳和颤振的措施与方法

从上面分析的情况可以看出，安全阀实施在线校验出现偶发性的频跳和颤振不仅对系统设备危害极大，同时危及到现场校验人员的人身安全，因此对安全阀实施在线校验工作之前，应该制定一套行之有效的校验方案和紧急事故应急处理措施，从实施校验的技术手段入手却应该做到如下几点要求：

（1）确保现场监护、带好通信设备与压力中控室保持通信畅通，随时监控确保校验过程中系统压力稳定，除了应制定一套完整的校验方案和紧急事故应急议案外，被检用户还必须派专业技术人员全程监护协助安全阀在线校验工作的进行，特别是热电联产发电系统，一方面要确保汽轮机组的正常运行，还必须保证周边热力用户的连续化生产要求。因此，确保系统压力稳定是避免安全阀在线校验突发频跳和颤振事故发生最基本的前提条件。

（2）进行在线校验前应了解掌握被检单位对安全阀的日常维护和巡回检查工作记录是否存在问题，问题是否得到及时的解决，特别是长期使用的安全阀排放口或连接管积液、积垢或被堵现象经常都有存在，校验前都要得到彻底解决，检查时可在系统压力低于工作压力的70%以下进行检查性的手动排放试验，查明安全阀的动作是否灵活可靠，排放管口是否固定牢固，介质排放是否顺畅，积液连接管是否畅通，在确保安全无误的情况下展开下一步工作。

（3）校验前对安全阀的宏观检查工作必不可少，安全阀进行宏观检查时应认真查找安全阀阀体是否存在裂纹或严重腐蚀缺陷，接管联接、焊接、固定是否牢固，避免安全阀开启排放时引起强烈振动引发不可预测的事故。对敞开式安全阀可从开口处观察弹簧、阀杆是否遭受严重腐蚀或生锈，是否存在有弯曲变形现象，观察口内是否有异物存在，会否影响校验结果。同时还可以从开口处观察弹簧座是否落灰严重，会否影响在线校验，也可用压缩空气进行吹扫，清除阀杆与弹簧座、反冲盘与导向套间隙间的杂物，消除活动间隙间的卡阻，避免存在校验时安全阀动作的不灵活，事先做好一切准备工作，才能尽量大可能避免校验中引发频跳和颤振事故的发生。

（4）除在線实跳外，借助在线辅助开启装置的在线校验方式对辅助开启装置的依赖性特别强，要求精准度特别高，这就要求我们对在线校验仪的选择、维护及精准度提出更高的要求，校验前应该对在线仪器进行检查比对（同在冷态条件下，与离线校验结果进行比对）以确保其精准有效。在线辅助开启装置的工作原理中可以清楚地知道，在吵杂环境下如果校验员无法及时捕捉到开启的瞬间，可能继续施力向上提拉，阀杆有被过度拉起的可能，为频跳和颤振的发生提供了空间和条件。因此现场校验人员平时应苦练内功提升自身校验技术水平，这是任何仪器设备都无法替代的技能。

（5）一旦发生频跳和颤振，现场人员应该沉着应对采取相应措施，及时消除引发频跳和颤振原因或故障，参照（（1）～（4））分析的问题一一排查。当发生频跳和颤振，阀瓣在导向套内来回高速频繁上下运动，严重时阀瓣冲击阀座，阀瓣或阀座密封面上的硬质合金层有可能被打裂或打碎，造成密封面密封失效，这是校验工作所不允许发生的事情；且阀瓣在导向套内高频上下运动，阀门进出口介质可能引发强烈振动或水击现场，严重时引起安全阀壳体或联接管管道暴裂造成严重事故。在线校验中一旦出现有频跳和颤振的苗头，应暂停校验工作，及时采取降压或稳定压力的措施，待系统稳定下来后再行校验；如频跳和颤振未能消除，应暂时停止或退出现场校验工作，待系统设备检修期间拆解安全阀进行认真检查或送离线校验。但目前很多高参数电站用安全阀都是采用焊接式联接，安全阀的故障排除可待设备检修时对安全阀进行在线拆解、维修、研磨，合格后再行现场校验。

6 总结

其实造成频跳和颤振的因素很多，有时是多种因素叠加影响，但这对我们在线校验工作影响很大，给现场校验带来了很大的风险，如何克服和避免频跳和颤振事故的发生，是我们安全阀在线校验工作者应认真对待和努力研究的方向。本文提出的觀点、措施与方法希望能与同业人员学习、探讨与共勉。

参考文献：

[1] TSG ZF001-2006《安全阀安全阀技术监察规程》[S].

[2] DL/T 959-2005《电站锅炉安全阀应用导则》.

[3] GBT12243-2005《弹簧直接载荷式安全阀》.

[4] TSGR0001-2012《锅炉安全技术监察规程》.

[5] TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》.

[6] 张传虎，刘琨，侯君达.电站锅炉安全阀校验新技术[J].中国电力，2001（5）：73-75.

作者简介：

郑志雄（1963-），男，高级工程师，（锅、容、管）检验师，长期从事锅炉、压力容器检验及安全阀校验工作。