安全阀在线检测系统研制和应用

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(1.中石油 北京天然气管道有限公司，北京 100101；2.中国特种设备检测研究院，北京 100029； 3.大连理工大学 化机学院，辽宁 大连 116012)

在石油化工、天然气等工业领域大量使用的安全阀可以防止承压设备发生超压破坏，保证工艺过程平稳可靠。弹簧式安全阀是直接载荷式安全阀的一种，也是应用最为广泛的安全阀形式[1]。弹簧式安全阀在运行过程中，由于弹簧材料的特性，在操作压力、操作温度、介质侵蚀等作用下，其整定压力(也称开启压力)和密封性能等可能会发生改变，导致安全阀不能按照规定的压力开启或者发生泄漏，从而影响生产安全[2]。因此，相关法规规定安全阀需要进行定期校验。我国标准和法规规定的安全阀定期校验有离线和在线2种方式。目前，安全阀的定期校验大多采用离线方式。离线校验方式在实际应用中存在多种缺点，例如安装和使用条件受限、拆装过程风险大、受运输过程影响以及对人员的依赖性大等。

文中综合考虑安全阀安全技术规范的要求，结合数据采集技术和计算机控制技术，开发了一种安全阀在线检测系统。此安全阀在线校验系统具有校验范围广、精度高、可靠性好、自动记录数据过程完整、校验过程不影响正常生产及硬件轻便易携等优点，可作为安全阀校验的一种有效选择和离线校验的补充。

1 安全阀在线检测系统研制的意义、价值和现状

1.1 安全阀在线检测系统研制意义

安全阀在线检测系统针对安全阀离线校验实践中显现的不足而开发。目前安全阀离线校验的做法是，将安全阀从被保护装置上拆下，送到专用校验台上进行校验。离线校验有5方面的缺点：①安全阀校验期间，如无其他安全阀替代，被保护装置则处于无保护状态或只能停车。石油化工和天然气工业均为连续生产过程，即使有停车检修周期，安全阀的检验周期与大修周期也往往不一致，造成安全运行与经济运行之间的矛盾。②由于安装及使用条件的限制，有些安全阀的拆卸、安装及运输较为困难，校验成本高。③安全阀的拆装过程存在物体打击、人员跌落和可燃气体闪爆等危害因素，存在较大安全风险，且多次的拆装过程易造成密封面的损伤或密封性能下降，在设备运行过程中易造成泄漏风险。④在校验台上已校验合格的安全阀，由于安装运输等方面的原因，其整定压力及密封性能可能发生变化，从而影响设备的安全和经济运行。⑤目前的校验过程主要是校验人员眼看、耳听、手记，检测结果误差较大、依据不充分，结果的可靠性低。

1.2 安全阀在线检测系统研制价值

TSG 21—2011《固定式压力容器安全技术监察规程》[3]和TSG ZF001—2006《安全阀安全技术监察规程》[4]均规定安全阀一般每年至少校验-次。此外，TSG ZF001—2006在B6.3.2部分中还规定了安全阀校验周期可以适当延长的基本条件，其中一条为，通过在线检查和在线检测均符合使用要求。TSG ZF001—2006中第B1.3条的检测方法也规定，在线检测方法可采用其他压力源进行试验。这2条规定从另一个侧面说明，在线检测系统是比离线检测系统更先进和有效的检测手段，有利于保障安全阀的长周期安全运行，有进行深入研究和开发的价值。

1.3 安全阀在线检测系统研制现状

毕明树、周一卉等[5-8]开发的安全阀在线检测装置,采用计算机自动采集数据，通过不断改进系统提高了安全阀校验的可靠性。刘锡光、章剑波、郭崇志和李治涛等[9-12]根据现场实际需要研制开发了不同的安全阀在线校验装置并成功应用于实际工作 。宋华兵[13]的研究工作则结合了数值仿真技术。孙力等[14]对在线校验中采用改变系统压力和旋转调整螺杆2种计算安全阀泄放面积的方法进行分析, 探讨其适用性、局限性以及需注意的问题。

本文开发的安全阀在线检测装置研制过程中结合了天然气压气站的设施特点，在以下几方面进行了改进和提高。

(1)校验系统在安全阀与被保护设备或系统之间设隔离阀门，隔离阀门采用高于设备安全阀的等级，确保隔离阀门密封良好。安全阀校验过程中只需关闭安全阀前段隔离阀门，隔离阀门后端注入氮气检测安全阀的整定值。

(2)对在用安全阀采用预装校验管路系统。实施校验时，只需拆装仪表管接口即可，操作更为便捷、省力。当校验内部存储易燃、易爆介质的设备或者系统上的安全阀时，只需用氮气置换安全阀与隔离阀门之间短节处的可燃气，由于短节容积很小，因此置换简便安全。

(3)安全阀与被保护装置连接密封处没有任何的操作，只需拆装安全阀校验注氮用的仪表接口，不会出现因操作不当造成安全阀与被保护装置连接密封性能下降。

2 安全阀在线检测系统方案

2.1 系统最佳配置一般原则

安全阀在线检测系统应该具有对安全阀的临时隔断功能、对校验过程数据的记录功能和对检测数据的处理功能。安全阀在线检测最佳的系统配置应包括隔断装置、多参数数据自动采集系统、安全阀在线检测软件3个部分。选择安全阀在线检测用的隔断阀时，首先应注意隔断效果应高度可靠，其压力等级要高于承压设备压力等级至少3倍，以使安全阀的现场校验可靠、安全，其口径还应保证在设备正常运行时不影响安全阀的使用。选择数据采集系统时应考虑安全阀校验现场空间有限，提高数据记录不方便位置数据采集的自动化程度。选择在线检测软件时应提高软件处理数据的智能化程度。

2.2 弹簧式安全阀在线校验系统设计

2.2.1隔断装置

本文研制的弹簧式安全阀在线校验隔断装置主要由安全阀隔断球阀、连接校验接口三通、引压管件和阀门等部件组成。隔断球阀(容器在用情况下，隔断阀门应处于全开铅封状态)安装在安全阀与容器之间，隔断球阀与安全阀之间设置变径三通短节，在短节变径接口上连接引压管件，并将引压接口(日常情况下该接口用丝堵密封)设置在全阀校验人员站在地面上就可方便操作的位置。安全阀校验时关闭安全阀前段隔断阀门，打开引压接口处丝堵及引压管路上的阀门，待安全阀与隔断阀门之间短节处的介质放空后，在引压接口处接通注氮装置进行校验。

此隔断装置设计简化了安全阀校验操作程序，不再需要校验前后的弹簧式安全阀拆卸与重装，仅用梯子辅助即可完成隔断阀门的开关操作。此隔断装置设计还降低了人身安全风险，校验人员无需高空作业，在地面就能完成安全阀的操作，可以有效降低安全阀与被保护装置连接密封损伤或密封性能下降的风险。隔断装置采用高等级球阀作为安全阀和承压设备，在整个线检测过程中对安全阀与被保护装置连接密封处没有任何操作，只需拆装校验加压用仪表接口。

2.2.2多参数数据自动采集系统

安全阀在线检测数据自动采集系统由硬件和软件2部分组成，见图1。

图1 安全阀在线检测数据自动采集系统组成示图

安全阀在线检测数据自动采集系统硬件部分主要包括压力源及压力传输系统、压力传感器、检测记录仪和测量变送仪等设备和仪器。标准配置的压力源为便携式铝质气瓶，气瓶的最高气压力可达15 MPa。如遇特殊情况，也可根据现场情况指定委托检测的企业提供气源。

安全阀在线检测数据自动采集系统的检测软件采用高精度压力和位移传感器作为测量元件，可以完整地记录安全阀检测全过程中压力和阀杆位移的变化，并且能够在检测数据的基础上，智能化判定安全阀的主要性能指标，为安全阀的进一步调试和评定提供依据。安全阀在线检测软件的编制，完全依照的是GB/T 12241—2005《安全阀一般要求》[15]和GB 12242—89《安全阀性能试验方法》[16]中关于安全阀性能检测的规定和描述，为安全阀在线检测系统专用程序，是安全阀在线检测技术的核心组成部分，在系统硬件配合下，可以完成安全阀工作性能的在线或者离线调试。

安全阀校验现场空间有限，数据记录不方便，传统的安全阀校验方式必须将安全阀从被保护设备上拆下，放置在专用的校验台上进行，校验过程只能依靠检验人员直接读取压力表的方式，这种方式决定了校验精度不会太高，安全阀的各项参数的记录无法实现实时过程数据采集，性能评定必然粗略而模糊。在线校验系统可对多参数测量方法提出较高要求。本文所采用的数据自动采集操作系统可以完成自动记录校验过程，同时还能完成对安全阀起跳压力、密封压力和阀杆起跳高度的实时数据采集，具有轻便、易于携带等特点。

3 安全阀在线检测系统应用[17]

在某压气站选择1台安全阀(设定压力为1.1 MPa)进行改造，在安全阀和承压设备之间加装隔断装置，见图2。

图2 安全阀在线检测装置现场图片

试验前，按照安全阀校验要求检查安全阀的外观和附件，采用压缩空气对安全阀排气口部分进行吹扫，随后连接试验装置。试验时，先打开气瓶控制阀，加压至安全阀的设定压力pset。待安全阀在设定压力点起跳停止加压并且安全阀的阀瓣(因气体泄压)回座时，继续打开气瓶控制阀加压至安全阀的密封压力(0.9pset)，保压5～10 min观察压力是否降低，确认安全阀性能正常。该安全阀现场校验的试验数据曲线见图3。

图3 安全阀实时校验曲线

图3a是现场在线校验系统升压至整定压力，安全阀在设定的整定压力值处正常起跳泄压、阀瓣回座后保压在密封压力的过程记录，可以检查安全阀的整定压力和密封性能。图3b则是校验系统通过连续2次升压，观察安全阀连续起跳泄压时其起跳压力变化的情况。现场通过对该台安全阀反复试验，对照多次试验记录，实施校验曲线可以准确直观地反映安全阀性能等情况，证明该系统完全可靠。

4 结语

安全阀的定期校验是保证安全阀能否准确可靠工作的重要措施。随着安全生产要求的不断提高，安全阀在线检测技术既是离线校验的一种有效补充，又能很好解决生产要求和安全要求之间的矛盾。本文开发的安全阀在线检测系统软件主要具备以下功能。

(1)建立受试安全阀数字化技术文档，可同时对多台安全阀的校验过程进行实时监控和管理。

(2)在程序控制下对安全阀检测的全过程，包括整定试验前密封性能测试、整定压力试验、整定试验后的密封性能测试、阀杆起跳位移(需增加位移传感器)测试等，实现数据自动采集、存储、分析和整理。

(3)在分析试验数据的基础上，智能化判断安全阀的关键技术参数，特别是开启压力的准确判定以及密封性能的准确评定。

(4)可自动生成符合国家标准的检测或校验报告，包括试验曲线、关键数据和检测结果。