火炬系统中爆破针阀选型分析——从ASMEUD认证说起

王金良(惠生工程（中国）有限公司，上海 201210)

火炬系统中爆破针阀选型分析
——从ASMEUD认证说起

王金良(惠生工程（中国）有限公司，上海 201210)

本文将从ASMEUD认证说起，介绍UD认证的过程以及该认证的重要性，并阐述了UD认证的局限性和相关用户对于UD认证的常见误区。接下来，本文讨论了火炬系统工况对于爆破针型阀的特殊挑战，分析了时间和温度对于实际爆破压力的影响，并以实验数据为佐证重点分析了时间因素对于三类常见的爆破针型阀长期可靠性的影响。最后本文提出了爆破针型阀选型时UD认证之外的具体要求。

火炬系统；爆破针型阀；静摩擦系数；UD认证

1 引言

设置火炬系统的目的是将工艺装置在各种工况下排放的无法回收和再加工的可燃物料收集并送到火炬头及时燃烧，以确保装置的安全运行，并减少对环境的污染。

火炬系统工艺技术的安全性非常重要，如排放不畅，就有可能造成爆炸的危险，对人员和设备构成巨大威胁。因此，任何可能导致排放管道不畅通的设备均应设置“失效安全型”的非重闭式泄压装置（爆破片或者爆破针型阀）作为旁路，旁路的动作必须不依赖其它外界条件，在主路不能完成泄放任务时自动开启以将火炬气泄放至火炬头燃烧，以保证火炬系统自身及其上游装置的安全性。

与爆破片相比较，设计良好的爆破针型阀具有动作精度高、复位安全简单迅速、无需定期更换、泄放时不会产生碎片、长期使用成本低等优势。因此，爆破针型阀受到越来越多用户的青睐，成为火炬系统中旁路的首选。

对于多数用户而言，爆破针型阀是一种较新的泄压装置，选型经验欠缺。很多用户在采购阶段对爆破针型阀认识仅限于ASMEUD认证，并且认识十分有限，且某些厂家也在故意混淆某些概念，企图打擦边球，这会给用户带来诸多困惑。同时，不同爆破针型阀的设计原理和泄压方案差别较大，即便均通过了UD认证，不同产品的泄压精度、泄压可靠性和密封性能等关键指标差异巨大，这也会使得用户在对爆破针型阀选型时变得十分困难。

本文将从UD认证说起，介绍UD认证的过程以及该认证的重要性，并介绍相关用户对于UD认证的常见误区。在此基础上，本文将提出除了UD认证之外，火炬项目对于爆破针型阀的其它关键要求进行分析，供相关用户在选型时参考。

2 ASMEUD认证的过程及常见认识误区

2.1 ASME UD认证过程

ASME认证中属于锅炉与压力容器范畴的有21种，如U、U2、U3、UV、UD、S等，其中UD认证和授权钢印是针对非重闭式泄压装置的。申请UD认证和授权钢印，需经历如下过程：

(1)申请单位向ASME发函，获取、填写并提交申请表格和文档材料，并缴纳相关费用；

(2)ASME对收到的申请材料进行审核，包含但不限于产品型式、产品设计计算书、产品图纸、材料清单、尺寸和压力范围、认证介质、流道特征、测试方法等。上述申请材料审核通过后，ASME会确定第一批送检样品的规格和数量，通常而言ASME要求的样品规格不少于3种，每种规格不少于3台。

(3)申请单位按ASME要求制造第一批送检样品，制造完毕后送至ASME指定的实验室，按照ASME规范要求进行检测。若样机检测结果不符合规范要求，申请将被驳回。

(4)申请单位接到ASME关于送检样品通过检测的通知后，向ASME提出现场联检申请。随后ASME安排现场联检时间，并要求申请单位准备联检使用的样品。

(5)按照预定的联检时间，ASME代表（联检组长）抵达申请单位的工厂，对企业的质量控制体系及其实施情况进行严格审查，通常联检时间不少于两天。联检内容包括但不限于：质控体系文件的审核；质控团队的审核；质控体系的贯彻实施的考核；分供货商管理；原材料采购要求及材料质量控制；来料检验程序；加工工艺；核心部件加工演示；产品装配演示；无损检测程序、演示及实施；焊接工艺评定及演示；热处理；测量及测试设备的校验及评定；爆破针的材料控制、加工要求、加工过程、无损检验和试验；爆破针型阀试验程序及实施；文档保管维护；不符合项处理；爆破针及爆破针型阀的标识。

(6)在ASME联检过程中，ASME会随机抽取生产过程中的两台产品，进行压力和密封性能试验以及动作性能试验。这两台产品测试合格后，ASME代表会将其铅封，并要求作为第二批送检样品送至指定的实验室进行检测。

(7)经现场联检，如果ASME代表认为申请单位符合要求，其将向ASME提出颁发认证和授权钢印的建议。待第二批送检样品也通过ASME规定的测试后，ASME将向申请单位颁发ASME钢印和授权证书。

在收到UD钢印和授权证书后，持证企业方可以宣传其认证范围内（产品系列、尺寸、压力均应在认证范围内）的产品已通过UD认证，并承揽打UD钢印产品的生产制造。

2.2 ASME UD认证的重要性

从以上过程不难看出，UD认证的意义不仅仅在于对产品的测试，更是对质量控制体系的严格考核，以保证企业能够生产出质量稳定的产品。

对于用户而言，UD认证更重要的意义在于ASME对于被认证企业和产品的严格监管，这是UD认证的精华和核心。在取得UD认证后，ASME代表还可随时对认证企业和产品进行“飞行检查”，并且在发货前产品技术和质控资料将在National Board（代表ASME）备案，ASME代表可对全套资料审查，而且ASME代表可随时到产品安装现场实地考察。所有这些对产品使用者而言都是一种保障，因此，相关用户纷纷要求所供货产品必须通过UD认证，且带UD钢印。多数保险公司对于采用未经ASME等权威机构认证的产品的项目不予承保。

2.3 对于ASME UD认证的常见认识误区

在实践中，不少用户对于爆破针型阀以及UD认证的认识十分有限，且某些厂家也在故意混淆某些概念，企图打擦边球，这给用户带来了诸多困惑，并造成了一些认识误区。

2.3.1对企业持有UD认证与其产品带UD钢印的关系认识不清

持有UD认证证书是企业生产出ASME认可的产品的必要条件，但不是充分条件。UD认证是对企业和产品的双重认证，某企业持有UD认证证书，并不意味着其生产的爆破针型阀均经过ASME认可并可以打UD钢印。也就是说，与其它类型的ASME认证一样，任何企业所持的UD证书都是有认证范围的，该认证范围在美国锅炉与压力容器国家委员会（National Board，简称NB）的公开出版物“NB-18”中详细列出，并在NB官方网站每周更新。

只有在认证范围内（设计、图纸均需与在ASME的备案一致），且严格遵循ASME质控要求生产的产品，才可以打UD钢印。对于出厂时打了UD钢印的产品，ASME对其设计和质量进行背书。对于未打UD钢印的产品，即便是由持有UD证书的厂家生产的，ASME也不对其设计和质量进行背书。

2.3.2对ASMEUD认证的局限性认识不足

UD认证的局限性主要体现在认证过程中两次检验所使用的阀门的尺寸、测试压力以及要求的爆破精度与实际火炬项目相去甚远。据了解，受ASME测试实验室实际条件的限制：

（1）ASME选取的阀门规格较小（通常小于3”），最常选取的阀门尺寸为2”、2.5”和3”。

（2）测试时通常仅选择一个测试压力，最常选取的测试压力为 15 psi（100kPa）。

（3）测试条件为室内常温，介质为氮气。

（4）对于爆破精度测试，验收标准执行ASME锅炉及压力容器规范第Ⅷ卷第1册UG 127篇的要求：当设定压力小于等于40 psi(300 kPa)时，爆破压力的允许偏差不应超过±2 psi(±15 kPa)；当设定压力大于40 psi(300 kPa)时，爆破压力的允许偏差为±5%[1]。

（5）对于泄放量测试，测试的目的仅是为了验证阀与阀之间的泄放量是否存在较大的个体性差异，并以此考察制造商能否生产出个体差异性小的产品，而非以此定义每一个规格阀门的实际泄放量。

不难看出，相对于火炬项目而言，UD认证的主要局限性包括：

第一，认证测试中执行的是ASME标准中对于爆破针型阀的最低精度要求，并不能满足实践中火炬项目（低压应用）对于爆破针型阀精度的要求。也就是说，即便产品通过了UD认证，也无法保证该产品一定能够对火炬系统起到有效保护作用。

第二，认证中的泄放量测试使用的阀门尺寸很小，且仅仅验证了阀与阀之间泄放量的一致性，阀门选型过程中应找到合理的方法以核算阀门的泄放量。

第三，认证测试仅限于3”以下阀门，而火炬项目中使用的爆破针型阀尺寸普遍在8”以上，直至28”甚至48”。能够生产出通过ASME测试的阀门，未必能够有能力生产火炬项目所需要的爆破针型阀。

第四，测试条件为室内常温，介质仅为氮气。火炬系统内的介质条件以及环境工况比这要复杂得多。

本文将从爆破精度和泄放量核算等各个方面分别讨论火炬项目对于爆破针型阀的其它关键要求。在讨论爆破精度时，本文除了提出火炬系统对于爆破针型阀爆破精度的基本要求之外，还从长期运行角度对几种不同设计的爆破针型阀满足相关要求的难易程度和可能性进行分析。

3 火炬系统对于爆破精度的要求

火炬系统是工厂的最后一道安全防线，而作为旁路使用的爆破针型阀则是火炬系统最后的安全保障，其必须保证在主路不能完成泄放任务时准确开启。因此，爆破精度这一参数对于火炬系统中爆破针型阀的选型具有特殊重要的意义，是必须着重考虑的一项。

火炬系统是全厂装置公用的安全设施，受各个工艺装置排放条件的制约，火炬气总管和各个支管的最高允许背压通常较低，也就是说所选用爆破针型阀的设定压力很低，通常在20～100kPa，某些低压工况甚至低于10kPa。

如前文所述，ASME规范对于该压力水平下爆破精度的要求为±2 psi（±15kPa）。也就是说，如果在采购爆破针型阀时仅规定其通过UD认证，则其爆破精度验收时将执行这一标准。这一验收标准是针对所有行业压力容器与压力管道的最低要求，并无法满足火炬系统特殊低压工况的要求。在火炬设计阶段，工程公司及用户必须根据其火炬系统的实际情况提出爆破精度的明确要求。根据近年来的工程实践，火炬系统用爆破针阀的动作精度可规定为：当整定压力高于40kPa时，精度为±5%；当整定压力低于40kPa时，精度为±2kPa。

众所周知，如何保证超低压力工况下较高的泄压精度，对于任何泄压装置而言，均是一个挑战，爆破针型阀也不会例外。因此，本文将着重分析几种不同设计的爆破针型阀满足火炬项目精度要求的难易程度和可能性。

此外需要特别指出的是，火炬系统的特殊低压工况决定了任何能够引起实际爆破压力发生改变、漂移的因素都应该格外注意辨明，并请爆破针型阀厂家提出合理且成熟的解决方案。对实际爆破压力会产生显著影响的因素包括时间和介质温度等因素，本文也将着重分析。

3.1 爆破精度与密封性能难以兼得

爆破针型阀主要由开关阀体和泄压触发机构两部分组成[2]，其中泄压触发机构动作原理如下：介质压力作用在加载元件上产生动力，此动力在克服相关阻力后的剩余力经加载机构作用在爆破针上，当爆破针承受的载荷达到其失稳临界载荷时，其会失稳弯曲进而触发泄压。

相关阻力（主要是摩擦力）有一定的变动性，不可能100%地精确计算，因此，控制相关阻力与介质动力相比较所占的比例对于保证爆破针型阀精度至关重要。阻力与介质动力相比较所占的比例越低，阻力的变动性对于爆破针型阀精度的影响越小，越有利于保证爆破针型阀的精度。

为提高爆破精度，爆破针型阀的设计人员必须尽力降低相关阻力，例如，降低密封副之间的摩擦力。然而，密封副之间的摩擦力是不能随意降低的，原因是这些密封副之间的摩擦力在某种程度上与密封性能是成正比的，为保证密封性能，就必须得有一定水平的摩擦力。

金属密封副表面无论经过多么精密的加工，从微观角度来讲，其表面总是凹凸不平的，存在沟槽，这些沟槽成为密封面的泄漏通道，因此必须在一定的力的作用下，使密封元件表面嵌入到密封面的凹凸不平处，将沟槽填没或形成微观毛细管，消除上述泄漏通道。为实现密封，有效密封面单位面积上的压紧力（即实际密封比压）需要大于密封材料的必须比压，并且有效密封面应达到一定的宽度，以保证微观毛细管具有一定的长度，从而保证密封效果。

火炬系统中介质动力的稀缺性决定了设计人员必须竭尽全力降低相关阻力。多数厂家采取的第一个措施便是减小密封元件的宽度以降低密封副之间的摩擦力，但这必然会牺牲密封性能和使用寿命。在与某厂家交流时，曾注意到该厂家对于其火炬系统用爆破针型阀仅承诺启闭25次，启闭25次后应更换主密封，否则无法保证阀门的密封性能，这便是由提高精度而减小密封元件宽度造成的，因此，该厂家推荐为每台阀门均准备一套密封元件作为备件[3]。其它厂家的爆破针型阀，如果设计不合理，也会存在类似的问题。

火炬气均为易燃易爆气体，爆破针型阀必须拥有良好的密封性能，既要杜绝外漏，又要避免内漏以防止回火闪爆的发生。因此，当爆破针型阀厂家对精度作出优于ASME标准的承诺时，应要求厂家充分解释其提高精度的措施以判断其是否存在顾此失彼的倾向。

3.2 时间对于爆破压力的影响

ASME标准规定爆破针型阀出厂时需要做两次爆破试验，也就是说只要这两次试验的爆破压力落在了允许偏差范围之内，就认为爆破精度符合要求。然而，爆破针型阀的用户更应该关注的是安装一段时间之后的实际爆破压力，这一点在爆破针型阀选型时经常被遗忘。而实际上，密封副之间的摩擦力会随着时间的推移而发生变化，这种变化会直接影响实际爆破压力。

摩擦学相关研究表明，两个刚性体接触时的摩擦系数只与接触表面的形貌有关。然而，表面硬度和弹性差别较大的表面作相对运动时，它们的摩擦行为更加复杂，摩擦不再只与接触表面形貌有关，还与接触副材料、静接触的持续时间、温度、相对运动速度、预压缩率以及材料的磨损与老化程度等诸多因素相关。

橡胶或塑料密封圈与对偶件形成相对运动之前需要克服的静摩擦力主要由两部分组成[4]：

第一部分是粘附力。当非金属密封圈与刚性的对偶件之间产生相对滑动时，密封圈表层的分子链与刚性对偶件的粗糙峰会由于分子之间的范德华力而发生黏着，形成类似于冷焊点一样的节点，滑动作用对这些分子链产生了拉伸、破坏、回弹等作用，产生了粘附力Fa。

第二部分迟滞力，非金属密封圈在滑动时会经过许多刚性体的粗糙峰，由于非金属的弹性模量远远小于其对偶件，所以非金属会被反复挤压变形然后再复原。在这个挤压复原过程中，非金属内部产生了能量损失，也就是滞后损失，这部分能量损耗由外力做功来弥补，这个力就是迟滞力Fh。

为减小密封副之间的摩擦力或者摩擦力的变动性，爆破针型阀厂家通常会采取以下措施：

其一，降低对偶件的表面粗糙度。相关试验证明，当物体表面特别光滑时，粘附力占主导，摩擦力随表面粗糙度的减小而增大。当表面粗糙度增加到一定程度时，迟滞力占主导，摩擦力随表面粗糙度的增加而增大。也就是说，当表面粗糙度降低到一定程度时，继续降低表面粗糙度并不能减小摩擦力，因为此时密封圈与对偶件表面贴合紧密，粘附力变大。并且当对偶件的表面粗糙度低至一定水平时，其表面润滑膜难以维持，摩擦力反而增大。

表1 直接加载式直线开启爆破针型阀实验数据

其二，采用润滑剂。润滑膜在一定的程度上能将对偶件的粗糙峰与密封圈表面分开，急剧降低两者之间的粘附作用，从而几乎消除粘附力。相关试验和研究表明，润滑剂的存在不仅能够极大降低密封副之间的摩擦力，也能够消除摩擦力的变动性，这对于提高爆破针型阀的动作精度极其重要。

然而，随着非金属密封圈与其对偶件的静接触持续时间增长，它们之间的润滑剂会被挤出，并且非金属密封圈的分子会由于微布朗运动（分子热运动）迁移到对偶件的表面，逐渐形成转移膜。随着润滑剂被挤出以及转移膜的形成，静摩擦系数会逐渐升高。国外学者关于静接触持续时间对静摩擦系数的影响进行了实验研究，得出了一些材料与304不锈钢对偶副之间的静摩擦系数增加量与静接触持续时间之间关系的拟合曲线。其中常见的密封材料VITON的曲线如下图1所示。[5]

从以上曲线不难看出：首先，密封圈与其对偶件之间的静摩擦系数会随着时间的推移而不断增加；其次，在静接触初期，静摩擦系数的增加速度较慢，也就是说爆破针型阀的动作圧力增加会较慢，这为爆破针型阀通过出厂时两次试验提供了条件；再次，在静接触一定时间后，静摩擦系数会进入加速增加阶段；最后，在结束加速增加阶段之后，静摩擦系数会进入低速增加阶段。

静接触时间对于静摩擦系数的影响在爆破针型阀选型时经常被忽略，结果导致用户会选择出厂时能够通过爆破试验但安装一段时间后爆破压力却严重漂移而不能有效保护火炬系统的产品。

图1 静摩擦系数增加量与静接触持续时间之间关系的拟合曲线

图2 直接加载式直线开启爆破针型阀

3.3 温度对于爆破压力的影响

除非特殊规定，爆破针型阀出厂试验均在常温下进行。然而，火炬气来自工厂内不同生产装置或者压力储罐，不同来源的火炬气在温度等方面差异很大，有的火炬气可能是极端低温或者极端高温。因此，在爆破针型阀选型时应充分考虑介质温度这一因素。温度对于爆破针型阀的影响主要表现在以下两个方面：

其一，破坏密封材料而带来泄漏，包括外漏和内漏。多数密封材料在超低温状态下，都会变硬变脆，失去弹性和韧性，从而丧失密封性能，而在高温状态下（超过200℃），多数密封材料也会损坏失效而失去密封作用（甚至熔化），而无法保证密封。在这种情况下，爆破针型阀不仅不能保护相关设施，还可能因为内漏和外漏成为安全隐患。

其二，非金属材料的膨胀系数较金属材料大得多，常用的非金属密封材料的线性膨胀系数较钢材高3～10倍。也就是说，非金属材料对温度的影响十分敏感，在温度大幅度变化时，密封圈与相应密封副之间的配合关系和摩擦力会发生改变，也就是说爆破压力会大幅度改变。

表2 先导式式直线开启爆破针型阀实验数据

此外，对于超低温应用，若未设置长颈结构，超低温介质的冷量会传递至阀杆密封以及密封之外的区域（甚至包括泄压触发机构区域），使得这些区域会结冰，导致阀门卡死而无法开启，更谈不上如何能够保证动作精度。关于此问题，之前的研究中已经详细论证，在此不再赘述[6]。

3.4 不同设计爆破针型阀对于火炬系统保护有效性分析

介质动力的稀缺性决定了并非任何一种设计的爆破针型阀均适用于火炬系统。以下将简要介绍三种不同设计的爆破针型阀的工作原理并分析它们长期保证精度的难度和可能性。

3.4.1直接加载式直线开启爆破针型阀

直接加载式直线开启爆破针型阀的典型设计结构如图2所示。这种类型爆破针型泄压阀的开关阀本体部分的密封是基于柱塞原理设计的，由镶嵌于柱塞型阀瓣外侧的密封环与阀体内侧的阀座间的过盈配合实现。这种类型的爆破针型阀的柱塞式阀瓣承受介质压力而产生动力，此动力在克服相关阻力（包括阀杆与阀盖密封元件之间的摩擦力和活塞与阀座之间的摩擦力等）后的剩余力通过与阀瓣一体的阀杆沿其轴向直接加载在爆破针上。当作用在阀瓣上的动力达到一定极限时，爆破针失稳弯曲，阀瓣与阀座会脱离进而达到泄压的目的。

以往研究曾对此类爆破针型阀的局限性进行了详细论述[7]，包括：其一，开启时阀瓣对于阀盖的冲击力巨大，大口径阀门更是如此，甚至可能将阀盖冲破；其二，复位时密封件极易咬伤而无法继续保证密封性能；其三，该类型爆破针型阀用作旁路时爆破针、阀杆、阀瓣等部件均处于水平位置，这会造成密封元件的偏压而增大摩擦力的变动性而使得动作精度难以保证。

然而，这些研究并未就时间对于该类爆破针型阀长期爆破精度的影响进行阐述。该类爆破针型阀的密封均由非金属密封圈保证。如上文所述，非金属密封圈与其对偶件之间的静摩擦系数会随着时间的推移而不断增加，这会导致该类爆破针型阀安装后的实际爆破压力会持续升高而无法有效保护火炬系统。

某爆破针型阀厂家曾就时间对于爆破针型阀长期爆破压力的影响进行实验性研究。该实验性研究所采用的阀门信息及获得的数据汇总如表1所示。

在实验之前，该厂家抽取了一台3”阀门，将其爆破针置于水平位置（即：与实际用作旁路时相同的位置）进行了20次爆破试验。然后将该阀门的爆破针置于铅直位置进行了20次爆破试验。两次结果比较，发现铅直位置明显优于水平位置的爆破精度。这说明密封元件偏压造成的摩擦力变动性的确明显降低了爆破针型阀的动作精度。为了消除密封件偏压这一扰动因素，上表中所有爆破压力均是在爆破针处于铅直位置时测得。

从以上9组实验不难看出，所有9组试验均表明，实测爆破压力会随着静置时间的延长而持续升高，而且静置时间越长，爆破压力升高的幅度越大，这显然会导致该类爆破针型阀安装后无法长期有效保护火炬系统，静置6周后偏离值已经大大超过ASME规范允许的最大偏差。并且，从上表中数据中看出，爆破压力的升高幅度随着阀门尺寸加大有增大的趋势，也就是说，火炬系统中应用的更大口径阀门的爆破压力升高幅度可能会更大。

此外，值得注意的是，该类爆破针型阀的设计决定了，其无法设置长颈结构，无论应用于高温还是低温介质，阀杆密封和阀座密封都会受到介质温度的损害而失效，也无法保证动作精度。

图4 膜片加载先导式旋转开启爆破针型阀

3.4.2先导式直线开启爆破针型阀

先导式直线开启爆破针型阀的设计原理与先导式安全阀的原理相似。如图3所示，先导阀的上腔通过连通管与系统下游管道连通，先导阀泄压时压力会向系统下游管道泄放。先导阀下腔与主阀的上腔连通，而主阀的上腔和下腔通过主阀阀瓣上的小孔都与系统上游管道连通。因此，主阀下腔、上腔和先导阀的下腔都是与上游管道连通的，这几部分的压力与上游管道压力相等。

当系统压力超过泄压设定值时，爆破针失稳，先导阀会向系统下游管道泄压。此时主阀上腔的压力会迅速向下游管道泄放而降低，下腔与上腔之间的压差会使主阀阀瓣的下表面压力大于上表面压力，此压力差会将主阀阀瓣从主阀阀座上推开，从而实现上游介质向下游泄压。

以往研究曾对此类爆破针型阀应用于火炬系统的劣势进行了总结[7]，包括：其一，主阀复位时密封件极易咬伤而造成泄漏；其二，对于设定压力较低的工况，该类爆破针型阀可能无法开启而无法保护火炬系统；其三，主阀阀杆可能对人身造成伤害。

然而，这些研究并未就时间对于该类爆破针型阀爆破精度甚至阀门能否开启的影响进行论述。该类爆破针型阀的密封由非金属密封圈实现，这些非金属密封圈与其对偶件之间静摩擦系数随着时间推移的增加，会导致该类爆破针型阀安装后爆破压力持续升高，也可能会导致主阀无法开启而带来灾难性后果。

某爆破针型阀厂家曾就时间对于该类爆破针型阀爆破压力以及主阀开启的影响进行了一些实验。这些试验采用的阀门信息及获得的数据汇总如表2所示。

这类先导式阀门的先导阀采用了直接加载式直线开启爆破针型阀。对于6”阀门的实验，在爆破压力升高方面获得的结果与直接加载式直线开启爆破针型阀相似。由于其先导阀为水平放置，静置之前20次实验获得的爆破精度较差。

对于8”阀门的实验，由于其设定压力为30kPa，其先导阀使用的密封元件的直径远小于设定压力为100kPa的阀门，故静置之前20次实验获得的爆破精度优于6”阀门。

在静置9周之后，将压力升高至50kPa，阀门没有动作，也就是说，爆破压力至少较之前试验获取的最大值升高了16.1kPa。

此时，实验人员将爆破针取下，空打阀门，以验证静置时间对于主阀开启的影响。当压力升高至27.6kPa时，不带针的先导阀动作，但主阀未随着先导阀的开启而开启。这说明，主阀密封元件与其密封副之间的持续静接触使得静摩擦系数大幅度增加，导致主阀下腔与上腔之间形成的压差不足以将主阀阀瓣从主阀阀座上推开。

从以上2组实验不难看出，静置时间这一因素对于该类阀门的影响体现在以下两个方面：其一：导致爆破压力升高；其二，导致主阀密封元件与其密封副之间的摩擦力增加，甚至导致主阀在先导阀动作后无法开启。这些对于火炬系统而言，都是巨大的安全隐患。

3.4.3膜片加载先导式旋转开启爆破针型阀

该类阀门将爆破针技术、膜片加载技术及角行程开关阀完美地结合起来，其动作原理如图4所示。

爆破针型先导阀的腔体通过压力连通管线与蝶阀上游相连接，介质压力通过膜片加载在阀杆上并传递至爆破针。当管线内压力小于设定压力时，爆破针保持稳定，与阀杆固定连接为一体的锁止卡套将两个锁止手柄卡住，使得锁止手柄将助力机构的顶杆顶住，蝶阀处于关闭状态。当管线内压力达到设定压力，爆破针失稳弯曲而丧失承载能力，管线内介质压力将推动膜片并进而带动锁止卡套向右移动直至失去对锁止手柄的约束。此时，锁止手柄将释放助力机构的顶杆，助力机构带动蝶阀开启而达到泄压的目的。

该类爆破针型阀的创新性设计主要体现在以下两个方面：

第一，在设计上将先导阀与主阀的摩擦系统隔离开来，使得先导阀的动作不受主阀密封系统摩擦力的影响，也就是说主阀密封系统摩擦力对于先导机构的动作不会产生影响，而主阀本身是是通过弹簧式执行器开启的，主阀选择时无需考虑介质压力产生的动力的制约，可选择密封等级很高的蝶阀，主阀密封性能得以保证。

第二，爆破针型先导阀采用膜片作为加载元件，解决了其它爆破针型阀存在的动作精度与密封性能无法同时兼顾的问题。膜片具有弹性变形大、密封性好等特点，彻底解决了阀芯与阀座配合不可靠而产生泄漏的问题以及阀芯与阀座之间的摩擦力变动性较大而无法保证精度的问题。

某爆破针型阀厂家曾就时间对于该类阀门长期爆破压力的影响进行实验性研究。该实验性研究所采用的阀门信息及获得的数据汇总如表3所示。

从以上6组实验未发现静置时间这一因素对于爆破压力的影响。也就是说，该类型爆破针型阀通过其更加合理的设计，保证了同时获得最佳的爆破精度和密封性能，并且长期爆破精度可以保证。

此外，先导阀与主阀之间有足够长的连接管，并且先导阀和连接管内的介质始终处于不流动的状态，这意味着不论爆破针失稳与否，内部介质都不会流动。此结构可保证温度梯度的形成，保证了先导阀始终处于常温下而不受高温或超低温介质的影响。并且，该类爆破针型阀可以使用金属密封蝶阀，这些均保证了该类爆破针型阀既适用于高温工况，又适用于超低温工况。

4 火炬系统对于爆破针型阀泄放量的要求

ASME对于流阻系数的测试更多的是为了验证阀与阀之间的泄放量是否存在较大的个体性差异，并以此考察制造商能否生产出个体差异性小的产品。在本质上这是一种泄放量一致性测试，并非以此定义每一个规格阀门的实际泄放量。

并且ASME实验室条件有限，决定了试验对象和试验工况极其有限，因此，ASME认证也有其局限性；受ASME实验室条件所限，只能测试3寸以下的阀门。而且厂家可以选择某种方式(真实产品或等比例模型)选取样品送检，各个厂家选取样品的方式不同，决定了厂家之间的流阻系数不具有可比性。

在实践中，为了突破ASME试验的局限性，更好地反应阀门的真实泄放量，在需要核算流通能力时，可以要求爆破针型阀厂家提供Cv值，以依据TP-410按照阀门尺寸、介质物性、操作温度、流体压力等工况条件以及阀门的Cv值计算阀门的真实泄放能力。这一计算方法，是相关国际标准和国内外工程公司普遍认可的计算方法[8]。

5 结语

火炬系统作为全厂共用的安全设施，工艺技术的安全性至关重要，如排放不畅，就有可能造成爆炸的危险，对火炬自身以及上游设备和人员造成巨大威胁。作为火炬系统的最后一道安全防线，爆破针型阀的选型十分关键，必须全面考虑各方面因素以确保其能够长期可靠地起到保护作用。

在火炬系统采购过程中，通常要求爆破针型阀通过ASME UD认证，并在供货时带UD钢印。这是十分重要的，产品带UD钢印意味着ASME对于这些产品的严格监管和质量背书。然而，火炬用户必须认识到，UD认证应该是对爆破针型阀的入门级最低要求。火炬系统需要的并不只是通过UD认证的爆破针型阀，而是能够长期可靠地精确泄压的产品。

除了介绍UD认证的局限性和相关用户对于UD认证的常见误区之外，本文重点讨论了火炬系统的特殊低压工况对于爆破针型阀的挑战，并分析了时间和温度对于实际爆破压力的影响。

本文还以实验数据为佐证分析了时间因素对于三类常见的爆破针型阀长期可靠性的影响。对于直接加载式和先导式直线开启这两类爆破针型阀而言，实际爆破压力会随着静置时间的延长而持续升高，并且静置时间越长，爆破压力升高的幅度越大，静置6周后偏离值已经大大超过ASME规范允许的最大偏差，这显然会导致这两种爆破针型阀安装后均无法长期有效保护火炬系统。此外，对于先导式直线开启爆破针型阀而言，主阀密封元件与其密封副之间的持续静接触会使得静摩擦系数大幅度增加，导致主阀下腔与上腔之间形成的压差可能不足以将主阀阀瓣从主阀阀座上推开，致使主阀无法开启。

而膜片加载的先导式旋转开启爆破针型阀，通过其创新性设计，既解决了其它爆破针型阀存在的动作精度与密封性能无法同时兼顾的问题，同时获得很高的精度和可靠的密封，又不存在因静置时间推移而造成爆破压力升高的问题，是火炬系统的合适选择。

总结来看，火炬用户和设计方在选型时，应根据实际工况要求提出UD认证之外的具体要求，包括但不限于：第一，应明确规定爆破针阀的爆破精度，根据近年来的工程实践，火炬系统用爆破针阀的动作精度可规定为：当整定压力高于40kPa时，精度为±5%；当整定压力低于40kPa时，精度为±2kPa。并应要求厂家解释其如何做到精度与密封性能兼顾。第二，应要求厂家解释其如何保证阀门在安装一段时间后爆破压力不发生漂移改变。第三，对于高温和超低温等工况，应要求厂家解释其如何消除介质温度对于爆破精度和密封性能的不利影响。第四，应采用有实际使用业绩的产品，毕竟UD认证测试仅限于3”以下阀门，而火炬项目中使用的爆破针型阀尺寸普遍在8”以上，能够生产出通过ASME测试的阀门，未必能够有能力生产火炬项目所需要的爆破针型阀。第五，如果有条件，可以要求爆破针阀生产厂家进行爆破精度、密封性能和爆破压力随时间飘移的相关现场试验以实地考察厂家能力。

[1]ASME锅炉及压力容器规范第Ⅷ卷第1册,2010.

[2]API Standard 520,Sizing,Selection,and Installation of Pressure-relieving Devices Part I—Sizing and Selection,2014.

[3]Buckling Pin Pressure Relief Technology,BSamp;B Pressure SafetyManagement,L.L.C.公司公开出版物(Catalogue77-1015).

[4]温诗铸,黄平.摩擦学原理[M].第4版.北京:清华大学出版社.2012.

[5]LaurenceW.McKeen.Fatigue and Tribological Properties of Plastics and Elastomers(First Edition)[M].Oxford:William An⁃drew Publishing,1994.

[6]低温地面火炬用爆破针型阀选型分析[J].刘良海,中国化工贸易,2017(1):250-255.

[7]爆破针型阀在火炬系统的应用以及发展历史[J].辛宏亮,化工管理,2017(15):191-195.

[8]Crane Technical Paper TP-410,Flow of Fluid Through Valves,Pipeand Fittings

This paper analyzes the selection of buckling pin valves.It introduces the processand importance of ASMEUD cer⁃tification,and describes themain lim itationsof and m isunderstand⁃ingson UD certification.Themain challenges for the buckling pin valve in flare system isdiscussed due to its low pressure service con⁃dition,and the influence of time and temperature on the bursting pressure isanalyzed.Some experimentaldata are used to prove the influence of time on the reliability of buckling pin valve in the long term.In the end,the main requirements on buckling pin valvesbesidesUD certification are summarized.

Flare System;Buckling Pin Valve;Static Friction Coefficient;UD Certification