背压对液氨制冷系统用安全阀技术性能指标影响的讨论

赵昆玉 孙 琦 谢青延

（深圳市特种设备安全检验研究院 深圳 518109）

背压对液氨制冷系统用安全阀技术性能指标影响的讨论

赵昆玉 孙 琦 谢青延

（深圳市特种设备安全检验研究院 深圳 518109）

目前，国内安全阀型式试验装置无带背压型式试验系统，针对有背压的封闭式安全阀仍采用不带背压型式试验装置（排放为大气压）进行型式试验；在日常校验中，氨制冷用安全阀校验环境是大气环境下校验，使用环境为带背压排放环境。这样，由于使用与校验环境条件的不同造成整定压力等技术参数的偏差。以上两个原因造成在设计、制造、型式试验以及以后的使用监管环节都存在安全阀使用的风险，本文就可能存在的风险进行研究分析。

安全阀型式试验装置 背压排放环境 整定压力 液氨制冷

1 研究目的

2013年6月3日，位于吉林省长春市德惠市的吉林宝源丰禽业有限公司主厂房发生特别重大火宅爆炸事故，共造成121人死亡、76人受伤，17234m2厂房及主厂房内生产设备被损毁，直接经济损失1.82亿元。事故发生的原因是：主厂房车间更衣室和毗连的配电室的上部电气线路短路，引燃周围可燃物。燃烧产生的高温导致氨设备和氨管道发生物理爆炸，致使该区域上方屋顶卷开，大量氨气泄漏，介入了燃烧，火势蔓延至主厂房的其余区域。

2013年8月31日，位于上海市丰翔路1258号的上海翁牌冷藏实业有限公司发生液氨泄漏事故，造成15人死亡，25人受伤。据调查，有关部门已初步认定“8·31”重大事故直接原因，操作人员在进行热氨融霜时违章操作，引发液锤现象，压力瞬间升高，致使存有严重焊接缺陷的压缩机回气集管封头脱落，造成氨泄漏。

这两起事故虽然与安全阀没有直接联系，但是，由于氨制冷系统用安全阀的特殊性（特殊性是使用介质为易燃易爆有毒有害介质，其使用的是封闭带排放背压的安全阀），需要引起大家重视。

氨制冷系统使用封闭带排放背压安全阀的存在的风险主要由以下两方面造成：

1）由于目前国内安全阀型式试验装置无带背压型式试验系统，针对有背压的封闭式安全阀仍采用不带背压型式试验装置（排放为大气压）进行带背压的型式试验；

2）在日常校验中，同样不可能在一个背压的校验系统中进行校验，校验环境同样是大气环境下校验。这样，由于使用与校验环境条件的不同，也会造成整定压力等技术参数的偏差。

以上两个原因造成在设计、制造、型式试验取证以及以后的使用监管环节都存在安全阀使用的风险。

广东是氨制冷压力容器的使用大户，以深圳为例，共有大型氨制冷系统60余套(每套使用的安全阀大小共20余只)，考虑到其他小型氨制冷系统，仅深圳市就会有近3000个潜在风险因素。如何消除这些危险因素，就是笔者项目研究之旨。

安全阀虽小，意义重大。为防止类似于“吉林宝源丰”及“上海液氨泄漏”事故的再次发生，全国各级、各地政府高度重视。2016年，深圳市人民政府把氨制冷行业的安全生产作为“深圳市2016年16个专项整治行动”。由此可见，氨制冷系统用安全阀在安全生产中的重要性不言而喻。

2 研究方法

2.1 研究基础

深圳市特种设备安全检验研究院是国内三家安全阀型式试验单位之一，作为国内唯一一家既是安全阀型式试验单位，也是锅炉、压力容器、压力管道用安全阀校验的法定检验机构，对安全阀设计、制造、检验及使用过程的全过程都参与了监管。

针对氨制冷用安全阀，笔者关注多年。经过多年的工作实践，从型式试验及日常使用监管的角度出发，其对我国氨制冷用安全阀安全使用存在的风险有不同角度的看法。

为切实做好风险分析，笔者在2013年申请了国家质检总局科技计划项目《带附加背压力安全阀（蒸汽、气体）型式试验装置的开发研究》2014QK038，该科研项目是解决带附加背压力安全阀型式试验装置的开发研究，该平台已完成的安全阀带背压型式试验有：氨制冷用弹簧直接载荷式安全阀、波纹管安全阀及先导式安全阀。通过平台的建设，使氨制冷用弹簧直接载荷式安全阀打破常规，直接采用带背压型式试验装置进行带背压的型式试验，提供了一个全新的技术研究平台。

笔者应用此平台进行氨制冷用弹簧直接载荷式安全阀的研究，具体研究方法如下：

1）通过氨制冷用弹簧直接载荷式安全阀在排放环境为大气环境和背压环境中动作性能和排放性能不同技术测试指标的比对，探究其原理、本质；

2）通过氨制冷用弹簧直接载荷式安全阀在背压环境中（模拟真实的排放工作环境）动作性能和排放性能不同技术测试指标的比对，探究其原理、本质；

2.2 氨制冷安全阀在背压环境中的工作原理及影响因素

安全阀排放侧的压力称为背压力，背压力根据产生的原因和机理不同分为排放背压力和附加背压力，具体为：

1）排放背压力：指介质通过安全阀流入排放系统时在阀门出口处形成的压力。或安全阀排放时，因排放侧阻力在安全阀出口形成的压力。

2）附加背压力：指装置运行时在安全阀出口处存在的静压力。它是由其他压力源在排放系统中引起。

目前，针对安全阀排放侧排向大气的形式，只要安全阀排放管的安装符合国家安全技术规范的要求，排放背压力形成的压力较小，不足以引起影响安全阀的性能。因此，本文研究重点关注类似于氨制冷装置安全阀运行过程中产生附加背压力的影响。

针对弹簧直接载荷式安全阀在文献《克服变动背压对安全阀动作性能影响的新途径》[1]中有总结：

1）常规弹簧直接载荷式安全阀口径越大或背压越高对阀门动作性能影响越大。随着背压的增加，阀门的整定压力提高。所以，常规弹簧直接载荷式安全阀不能用在背压超过10%整定压力的场合。

这里可以看出，类似于液氨制冷用安全阀一般都为弹簧直接载荷式安全阀，其排放环境为带背压排放环境。在对类似于液氨制冷用安全阀日常校验时，采用的是背压为大气环境进行校验，但在使用时，确安装在排放背压环境中。这样，在实际使用环节，安全阀的实际整定压力提高了，可能会造成安全阀的整定压力大于压力容器的设计压力，相关压力容器的安全运行就得不到保证，其危害可想而知。

2）由于阀瓣上方承受背压的面积较大，因此，背压对阀瓣上方的影响远远大于对阀瓣下方的影响，这样，随着背压的上升阀门的回座压力也会上升。

这里可以看出，类似于液氨制冷用安全阀在使用过程中，由于回座压力的上升，可能会出现安全阀频跳等不安全因素。

3）在文献《背压对安全阀性能的影响》[2]中，在安全阀开启后，由于排放压力大于背压力，背压力对阀瓣底部的影响与未开启时一样，这样，随着背压的上升阀门的排放压力也会上升，相对于开高就会降低，同样，排放量会降低。

这样，由于排放压力的升高，相对于原有工作压力下，其开高降低，排放量相应减少。这样，会造成因排量不足设备超压甚至爆炸。

究其原因，造成安全阀在排放背压环境其整定压力、回座压力及排放压力提高的根本原因是由于安全阀在未开启状态下，阀瓣上下作用面积不等，上面积大于下面积的影响造成的，因此，弹簧直接载荷式安全阀在一定的背压环境中不能应用，其使用风险值得分析研究。

1.针对采购预算的不合法性，在采购预算过程中，高校存在随意追加或削减预算的现象，要强化检察高校在政府采购时预算的合法性。高校预算部门的组成之一就是政府采购预算部门，主管部门在进行部门预算批准时，涵盖了部门的政府采购预算。所以，高校有必要申报政府采购的预算流程、批准、并且对临时预算程序的增设进行严格审查。重点审查在预算过程中，重点审查是否存在任何额外或预算削减，以及补充或减少过程是否按照所需的批准程序处理。

3 实验能力、实验结果及分析

3.1 实验能力介绍

背压系统试验装置是深圳特检院新开发的带附加背压力安全阀型式试验装置，装置的设备参数见表1。

表1 背压试验装置设备参数表

背压型式试验装置能力如下：

空气系统：系统最大工作压力≤24MPa；系统最大流量≤80t/h；

背压系统：系统最大背压力≤9.98MPa；系统最大试验口径≤DN200mm

背压系统试验设备如图1、图2所示。

3.2 系统的背压的控制能力介绍

图1 背压系统（背压容器）

图2 背压试验阀门背压侧连接情况

在整个背压系统中，背压容器的选型尤为重要。背压容器容积小，则系统压力波动大，系统对背压的控制能力有限，系统测量误差较大；背压容器容积足够大，系统对背压的控制能力大，系统测量误差较小，但投资大，更重要的是不符合现实使用情况。为此，系统背压的控制能力设计思路如下：

关于背压罐容积的选型主要是考虑试验装置调节阀的调节速度与反映时间及升压气量能够满足最大试验阀门DN150的需要。

由于安全阀从起跳、排放至回座期间，会往背压储罐排放大量的介质（以空气为例），为了维持背压储罐内的压力稳定，须开启调节阀将多余的介质排出，而调节阀的开启需要一定的响应时间。假设在调节阀还未有动作的前提下，即背压储罐在试验时无介质输出的情况下，如果此时背压罐容积的大小能够满足试验时，背压罐的压力稳定（一般认为超压不超过10%）。则在调节阀动作的状态下该背压罐仍能满足试验的要求。

假设在进行试验时，背压罐进口端有空气输入，此时试验容器即为一个进口的压力容器，如图3所示。假定背压罐容积为v（m3），排放前背压罐内空气的密度为ρ1（m3/kg），质量为m1，被试安全阀的排量为G（kg /s），在经过定量的排放时间t（s）后，背压罐内空气的密度为ρ2（m3/kg），质量为m2，可得以下方程：

联立以上三方程可得：v=Gt/(ρ2-ρ1)

图3 排放背压罐示意图

●3.2.2 排放背压罐容积选型核算

以本项目设计的带附加背压力安全阀型式试验装置的规模选取最高参数的安全阀来进行体积核算（即：若背压罐的容积能满足最高参数安全阀的试验要求，则其同样能满足普通参数的安全阀的试验要求），所选取的高参数安全阀如下：DN100，喉径65mm，整定压力4.0MPa，排放背压2.0MPa，额定排量系数0.5。

根据《安全阀 一般要求》（GB/T 12241—2005）中规定的空气系统安全阀型式试验排量计算方法：

式中：

Wtg——理论排量，kg/h；

Pd——实际排放压力（稳压），MPa；

A ——流道面积，mm2；

C ——绝热指数函数，C取2.7；

M ——气体的分子量，kg/kmol，取28.96；

Z ——压缩系统，Z取1；

T ——实际排放温度，K，取常温；

则DN100空气介质安全阀的理论排量：

安全阀的额定排量系数取为0.5，则DN100空气介质安全阀的实际排量

取调节阀响应时间t = 0.5s，试验前表压2.0MPa 下(绝压2.1MPa)对应的空气密度ρ1为24.591kg/m3；按照10%的超压计算，试验时，表压2.2MPa下（绝压2.3MPa）对应的空气密度ρ2为26.933kg/m3，将数据代入公式

因此，背压罐的容积核算至少为1.7m3，考虑到后期可能继续提高试验装置的能力，将背压罐的容积确定为2m3。

背压系统背压控制能力的核心就是在背压式安全阀测试过程中能提供一个相对稳定的背压测试环境。该背压系统在高参数安全阀，参数如下：DN100，喉径65mm，整定压力4.0MPa，排放背压2.0MPa，额定排量系数0.5的测试及背压控制方面，能满足±10%的目标。值得说明的是：目前国家相关标准没有提出背压波动范围±10%，此指标是参照在GB/T 24921.1—2010《石化工业用压力释放阀的尺寸确定、选型和安装》中给我们推荐背压阀门的使用情况：当背压力≤10%整定压力时采用弹簧直接载荷式安全阀。但是，此评价指标是否合理需进一步研究，但不影响此次以下的试验过程。

3.3 试验过程及结果分析

尤其是背压的模拟控制能力，以及取得的初步成果，如观测到带背压排放与大气直排的差别。

为验证氨制冷带背压排放安全阀与大气排放安全阀的相关技术指标的差异，笔者准备了两只弹簧直接载荷式安全阀进行型式试验，安全阀型号：A42Y-25C，其技术参数分别为：

1）DN65、整定压力1.50MPa、回座压力1.28MPa、开启高度6.0mm；

2）DN80、整定压力1.45MPa、回座压力1.23MPa、开启高度10.00mm。

样品的试验数据曲线如图4所示。

图4

观测到带背压排放与大气直排的差别见表2，为样品的试验数据。簧直接载荷式安全阀有影响，针对试验结果我们把背压对安全阀性能参数的影响总结如下，见表3。

表2 背压试验试验数据表MPa

表3 背压对性能参数影响表

4 结论

从上文可以看出：以整定压力为例，氨制冷用安全阀实际使用时其整定压力会比预定的参数升高。由于笔者试验样品的数量有限，升高多少无法定量分析计算。

在氨制冷压力容器使用过程中，一般情况下，压力容器的设计压力是我们整个压力体系的最高允许压力，设备运行的工作压力都不能超过容器的设计压力，安全阀的整定压力一般规定为：小于等于容器设计压力，大于容器工作压力。这样，当设计的氨制冷压力容器上用的安全阀整定压力在小于容器设计压力一定小范围的情况下，就可能会造成压力容器日常使用过程中安全阀的实际整定压力大于压力容器的设计压力，容器有超压甚至爆炸的可能性。对此，为确保氨制冷用压力容器的安全使用，笔者建议：

1）在型式试验监管环节，针对有背压的封闭式安全阀采用带背压型式试验装置（排放为背压环境）进行带背压的型式试验；

2）通过相关科研项目的研究，在我们日常校验中，引入整定压力修正系数，针对氨制冷安全阀不可能在背压的校验系统中进行校验造成整定压力等技术参数的偏差进行修正。

[1] 叶勤．克服变动背压对安全阀动作性能影响的新途径[J]．流体工程，1989，(03)：17-21+64.

[2] 闫正伟，金寿根．背压对安全阀性能的影响[J]．中国化工装备，2004，(01)：25-27+19.

表2试验结果表明，由于结构的原因，背压对弹

Discussion on the Influence of Back Pressure on Technical Performance of Safety Valve Used in Liquid Ammonia Refrigeration System

Zhao Kunyu Sun Qi Xie Qingyan
(Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test Shenzhen 518109)

There is no safety valve type testing system with back pressure in China, while the type testing device without back pressure is still used in the type testing of a back pressure safety valve. In the daily inspection of safety valve, the valve used in liquid ammonia refrigeration system which is a back pressure safety valve is inspected in the atmospheric environment. Because of the different environmental condition, there are deviations exited in set pressure and other technical parameters. So there are risks exited in the design, manufacture, test and supervision. This paper is going to analyze the probably exiting risks.

Type testing device of safety valve Relief environment with back pressure Set pressure Liquid ammonia refrigeration system

X933.4

B

1673-257X(2017)05-0067-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.05.015

赵昆玉(1961～)，男，本科，高级工程师，从事承压类特种设备安全检验与研究工作。

孙琦，E-mail: sunq@sise.org.cn。

2016-09-01）