汽包上弹簧式安全阀冷、热态校验的偏差分析与应对措施

谢艺华,周扬飞,马柯,林沐野,郑鑫

（广州特种承压设备检测研究院，广东 广州 510525）

1 前言

安全阀是一种自动阀门，安装在锅炉、容器、管道等特种承压设备上，当被保护系统工作压力达到规定值时，安全阀开启，自动排出系统中的部分介质，确保系统压力上升时不超出允许值，随后迅速回座、密封，从而保证系统安全、可靠地运行。

按照国内现行有关标准规定，安全阀必须定期检验，一般每年至少检验一次。安全阀的定期检验一般是将安全阀从其附属设备上拆卸下来，送至检验机构实验室内进行离线检验。

实验室离线校验安全阀所用介质一般为常温空气、氮气，而汽包上安全阀长期在高温工况中工作，金属的物理特性发生改变，直接影响安全阀开启的压力。

实验室内的离线校验台是模拟特种承压设备的实际工况，将安全阀安装在校验台上，用校验介质迫使安全阀开启，通过压力表或传感器确定其起跳压力。但离线校验台校验与安全阀实际工况存在明显差异，如介质种类、介质温度。

大量的安全阀检验实践证明，汽包安全阀在线热态检验测得其起跳压力明显小于离线冷态校验的起跳压力，且安全阀实际工况温度越高，其冷、热态所测得的整定压力偏差越大。因介质密度，流速不同，金属在不同温度下物理特性不同，因此此压力偏差无法避免。

TSG11-2020锅炉安全技术规程有规定蒸汽锅炉安全阀整定压力需根据锅炉的额定工作压力、设计工作压力进行设定（如表1）。

表1 蒸汽锅炉安全阀整定压力 单位为兆帕

GBT12243——2005弹簧直接载荷式安全阀有规定蒸汽锅炉用安全阀整定压力的极限偏差（如表2）。

表2 蒸汽锅炉用安全阀的整定压力极限偏差 单位为兆帕

若安全阀离线冷态校验整定压力取要求整定压力的下偏差值，便相当接近蒸汽锅炉的工作压力。那么在安全阀日常运行中，轻微的压力波动也极有可能使得安全阀动作，或使安全阀发生频跳，甚至无法回座，致其无法起到正常的泄压、密封作用，最终损坏或发生更严重事故。

例：某蒸汽锅炉工作压力为1.00MPa，安全阀要求整定压力最低值为1.04MPa，安全阀实际整定压力取要求整定压力最低值的下偏差1.04MPa×97%＝1.0088Mpa≈1.00MPa。

虽然安全阀在安装使用前先做离线检验，安装后再次进行在线热态校验，能更准确测出安全阀实际工作时的起跳压力值，但安全在安装使用与在线热态校验中间存在一时间段，为安全阀实际起跳压力测量值盲区。

因此，为了满足安全阀整定压力能有效保护锅炉系统，本文根据安全阀在锅炉上运作时的实际起跳压力P在线，提出一套针对高温蒸汽安全阀整定压力偏差的修正系数K公式计算方法，然后加以大量实践检验案例佐证此公式合理性，用于推导出相应的安全阀阀离线冷态校验对应的理论整定压力P理论，从而使安全阀经过离线检验后安装在汽包上使用，整定压力的人为偏差，有效抵消高温、介质对安全起跳压力造成的改变。

本文提出一套新的计算公式，若离线所测得起跳压力P冷态与理论冷态校验起跳压力P理论的计算误差小于0.1%，则视为修正系数K公式有效、成立。

2 试验装置与方法

2.1 试验装置

关于本次探讨汽包上弹簧式安全阀冷、热态校验所存在的整定压力偏差需要以下检验仪器和锅炉设备：

（1）A48Y-100型安全阀若12个

（2）安全阀离线校验台

（3）安全阀在线校验仪

（4）电站在用锅炉

（5）各种检验所需工具

2.2 检验方法

2.2.1 离线检验

离线校验台模拟汽包的实际工况，将安全阀安装在校验台上，用压缩空气作为介质迫使安全阀开启，通过压力表或传感器确定其起跳压力。

图1 离线检验系统

2.2.2 在线检验

安全阀在汽包上正常工作，承受汽包内高温蒸汽的压强，依然处于闭合状态。将用在线检测仪器安装在安全阀上，提升装置与阀杆连接，通过液压油泵把安全阀阀杆拉起，压缩弹簧，汽包内蒸汽顶起阀瓣，排放汽包内的蒸汽介质。

图2 在线检验系统

2.2.3 检验原理

在安全阀正常工作中，作用在阀瓣上的力有弹簧的预紧力F预，弹簧、弹簧座、反冲盘、阀杆等零部件的总重力G0（汽包介质压力相比压力G0较大，因此以下计算不作考虑）。

安全阀密封面受力计算：

F预——弹簧的预紧力，N；

P工作——介质的压力，MPa；

S密封——阀瓣上的受压面积，mm2；

FS——阀瓣受弹簧预紧力与阀座密封，所产生的密封附加力，N，

Fset——安全阀要求整定压力，N。

安全阀在线校验的原理为：在安全阀阀杆上端施加一个向上提升的外力△F，使安全阀动作开启，安全阀新的受力平衡计算：

安全阀在线检验整定压力计算公式为：

依据以上公式，对安全阀冷、热态整定压力偏差进行试验计算。

3 修正系数计算

3.1 温度修正系数K1

实验中所用安全阀牌子企业无相关推荐修正系数提供，又因国产A48Y型安全阀所用弹簧材料为50CrVA，与进口安全阀弹簧材质相仿，所以借鉴国外企业的推荐温度修正系数K1。

美国克罗斯比阀门企业推荐的温度修正系数K1如表3。

表3 温度修正系数K1表

3.2 介质修正系数K2

安全阀的冷态校验是使用安全阀离线检验台模拟安全阀实际工况，所用检验介质一般为空气、氮气，本论文主要针对使用空气为检验介质的离线检验台。锅炉汽包内，工作介质为蒸汽。

由于空气、水蒸气中的分子体积、流动特性、张力不同且对安全阀阀瓣阀座密封有一定的影响，空气中主要离子成分为氮分子和氧分子，水蒸气中主要离子为水分子，水分子体积更大，粘度更大、张力更大，所以在一定的密封环境中更不容易发生泄漏。

国产安全阀所采用的阀瓣、阀座材质相仿，加工工艺方法也基本一致，因此往往存在类似的微观结构。一般来说，阀瓣和截面比阀座横截面更窄，同时也存在微观上的倾斜接触，如图3。

图3 密封面微观图

当安全阀密封面结构、平面度、粗糙度一定时，介质的粒子大小不同，对密封面的渗透率不同，介质对密封面渗透越深，安全阀的有效密封面积越小，而安全阀的有效密封面积又直接影响安全阀的整定压力。

蒸气中水分子直径是0.4nm，而空气中含有约78%的氮气、约21%的氧气，氮分子直径是0.304nm，氧分子直径是0.296nm，因此粗略计算空气平均粒子直径计算如下。

0.304×80%+0.296×20%=0.3024nm

设安全阀最小密封内径为d0，介质为蒸汽的安全阀密封直径为d蒸汽，介质为空气的安全阀密封直径为d空气，蒸汽介质在密封面的渗进距离为L蒸汽，空气介质在密封面的渗进距离为L空气。

所以有：

L蒸汽——蒸汽介质在密封面的渗进距离;

L空气——空气介质在密封面的渗进距离;

d0——安全阀最小密封内径；

d蒸汽——介质为蒸汽的安全阀密封直径；

d空气——介质为空气的安全阀密封直径。

安全阀在介质为空气和蒸汽时，密封面积如下式：

S蒸汽——介质为蒸汽的安全阀密封面积；

S空气——介质为空气的安全阀密封面积。

又因：

当汽包工作压力P工作一定时，介质为蒸汽、空气的安全阀起跳压力之比等于安全阀密封面积之比。

得：

P蒸汽——介质为蒸汽的安全阀起跳压力；

P空气——介质为空气的安全阀起跳压力。

因此，介质修正系数为：

3.3 汽包安全阀冷、热态整定压力修正系数公式

结合安全阀的温度修正系数和介质修正系数，推导得出安全阀冷、热态校验整定压力的关系式，如下式。

P冷态——安全阀使用空气介质在25℃环境下进行冷态校验的整定压力；

P热态——安全阀使用蒸汽介质在高温环境下进行热态校验的整定压力；

K1——温度修正系数；

K2——蒸汽介质修正系数。

4 检验实例验证

通过实际检验中安全阀的实际整定压力得出一系列数据，用于验证以上公式的准确性。

案例：12台附属于A级锅炉汽包的安全阀

实际安全阀整定压力测定中有锅炉6台，均为A级电站锅炉，汽包内蒸汽温度约为250℃，压力约为3.70MPa，每台汽包上装有2台安全阀，合计12台安全阀且12台安全阀制造厂家、型号、规格一致，提取12台安全阀的离线检验记录和在线检验记录中的整定压力测量值，整理成表4。

表4 安全阀基本资料

K2——介质修正系数。

安全阀实际起跳压力区三次测量起跳压力数值的平均数。

当安全阀公称通径D n=1 0 0 m m，则，d0=66mm，在250℃蒸汽的工况下，安全阀整定压力的温度修正系数K1=1.01，蒸汽介质修正系数K2≈1.004。

4.58 4.650 4.648 4.649 4.649 4.51-4.65 10 4.66 4.727 4.729 4.728 4.728 4.59-4.73 11 4.58 4.647 4.646 4.648 4.647 4.51-4.65 12 4.66 4.726 4.719 4.727 4.724 4.59-4.73 9

结合表5中安全阀离线检验3次测量起跳压力平均值与表6中安全阀在线检验3次测量起跳压力平均值得表7。

表5 安全阀离线检验整定压力测量值

表6 安全阀离在线检验整定压力测量值

表7 冷、热态校验整定压力公式推导表

分别用安全阀在线热态校验所测出的起跳压力分别乘K1K2得P理论，与其离线冷态校验所测出的起跳压力P离线相除，得表8。（设误差N为计算温度修正系数和蒸汽介质修正系数时，通过热态实测起跳压力所推导的理论冷态校验压力的误差。）

表8 压力误差对比表

由表8可知，

N实际——实际误差；

P理论——安全阀在线检验所测起跳压力乘上K1K2，理论上对应的离线冷态检验压力。

案例分析：

安全阀在不同的介质、温度等工况下，起跳压力会发生一定的改变，如上文数据所示，随着温度增大，安全阀起跳压力降低；工作介质由空气变成蒸汽，安全阀起跳压力降低。

而通过本文所提出的公式 ，用温度修正系数K1、蒸汽介质修正系数K2对在线检验所测安全阀的起跳压力进行修正，所求得的实际误差小于0.1%，理论冷态校验压力P理论约等于P冷态。

因此本文提出的修正系数K计算公式成立。

5 应对措施

5.1 检验方法

因大型电站对汽包安全阀的稳定性、可靠性要求极高，此类安全阀适宜先离线冷态检验，后在线热态检，根据实测数据对安全阀的起跳压力作出有必要的调整。

5.2 离线检验

在汽包安全阀离线检验前，应先了解锅炉的正常工作压力、最高工作压力以及蒸汽介质温度，并根据锅炉设计制造文件，对安全阀整定压力进行定值、检验。在汽包安全阀离线检验时，通过温度、蒸汽介质修正系数计算出离线校验应调整的实际压力，利用安全阀整定压力可存在允许偏差的规定，取其上偏差值。一般情况下，实际调整的安全阀压力大于要求整定压力，但仍在允许误差范围内。

把安全阀拆卸下来，进行离线检验，可及时、方便、直观地发现安全阀是否存在缺陷并对症下药，确保重新安装后可有效工作，保护附属设备的正常运作。

5.3 在线检验

在线检验时，需根据现场和中央控制室的多块压力表、温度表、压力传感器、温度传感器获取汽包内蒸汽的压力、温度，确保锅炉平稳运作，汽包内蒸汽介质无压强波动和温度边度，从而确保检验数据的准确性；每对同一安全阀进行重复在线检验需间隔一定时间，待汽包内蒸汽重新达到新的压强平衡，方可再次进行在线检验。

安全阀的在线热态检验比离线冷态检验所测得的数据更为精确，因实验室安全阀离线校验台仅为模拟安全阀的工作状态，但介质、温度变化依然明显，则无法考虑到安全阀实际工况的安全阀起跳压力的明显影响。只有在线检验所测得的安全阀起跳压力为要求整定压力。

6 结语

6.1 针对安全阀冷、热态校验整定压力所存在的偏差，本文提出温度、蒸汽介质修正系数，并得出一条计算计算公式，并通过大量安全阀实际的离线、在线检验数据进行验证，证明实际测量数据与本文提出的公式计算结果几乎一致。

6.2 本文所提出的修正系数可延伸至其他各种介质，针对不同介质、工况温度的安全阀计算出各自适用的离线检验整定压力修正系数。

6.3 安全阀检验人员应当更充分了解安全阀的结构、工况条件，合理利用安全阀整定压力的上下允许偏差，对安全阀设定更优更合理的起跳压力。

6.4 国内阀门制造企业可针对自有品牌的安全阀进行不同温度、介质下的性能测试，起跳压力测试，为安全阀的使用企业、检测机构提供有效的整定压力修正系数。