安全阀密封试验快速封堵装置研究与开发

周杨飞 封小亮 刘课秀 郑鑫

（广州特种承压设备检测研究院，广东 广州 510663）

1 前言

安全阀是承压类特种设备（锅炉、压力容器、压力管道等）上最重要的安全保护装置，广泛应用于石油化工、电厂、燃气、危险化学品等企业，当特种设备内部介质压力超过安全阀开启压力时，安全阀会自动开启排放介质释放压力，当设备内部压力降低到安全值时，安全阀又会自动关闭，防止介质泄漏，因此安全阀被称为特种设备的“最后一道防火墙”[1-3]。由于安全阀的极端重要性，根据《安全阀安全技术监察规程》[4]等相关法规规程的要求，安全阀每年至少要校验一次。

图1 弹簧式安全阀剖面图

为了确保安全阀的有效密封，在定期校验中，“密封试验”是必须进行的检验项目之一，对于存在可燃、易爆、有毒等特殊介质的封闭式安全阀，要求采用检测泄漏气泡数和泄漏流量的方法来计算泄漏率，当泄漏率符合标准要求时，密封试验才合格，密封试验合格后安全阀方可投入使用。对于封闭式安全阀密封试验，《安全阀安全技术监察规程》要求采用堵盖封堵安全阀出口收集泄漏介质，来读取泄漏气泡数和泄漏流量值，但规程和国家标准《弹簧直接载荷式安全阀》（GB/T 12243）[5]均未明确堵盖形式与封堵措施，也未指出泄漏流量和“气泡数”的具体检测方法。

国内相关的检验机构和研究机构进行了很多关于安全阀密封试验检测、密封试验封堵方面的研究。江南大学朱海清[6]进行了安全阀密封性能数字化测试系统设计，江南大学江南大学施晓敏[7]进行了自动化安全阀密封检测系统研究，合肥通用机械研究院吴磊[8]等人进行了LNG安全阀性能试验分析及试验装置的改进，内蒙古自治区锅炉压力容器检验研究院李松涛[9]进行了新型便携式精密安全阀校验装置整定压力与密封性能精度的测试，西安特种设备检验检测院的薛红伟[10]进行了关于在用安全阀校验密封性能试验的研究。上述学者针对呼吸气瓶检验的研究，主要集中在检验流程、检验系统等方面，但是对于安全阀密封试验快速封堵装置的相关研究工作，目前开展的较少。

目前，检验机构对于封闭式安全阀密封试验的方法，存在如下问题：一、在安全阀出口侧密封面的封堵方面，主要还是采用人工封堵盖板，或者采用夹钳或螺栓对出口端法兰面从不同角度方向进行封堵，如图2所示，但是采用这种方法，存在着操作步骤繁杂，操作不便，且易出现受力不均衡，导致密封不严密而漏气；同时，为适配不同规格安全阀密封试验需求，还需更换不同规格堵盖、夹具或螺栓，这将影响整个作业效率。二、在泄漏率检测方面，目前检验机构大多采用人工肉眼观察集漏管出口端泄漏气泡数，观察时间且不低于一分钟的方法来计算泄漏率，而这种方法对于泄漏率较大的安全阀，人工数气泡容易带来计数误差，而且这种方法无法进行监控和自动记录，在安全阀检验行业中甚至存在着检验人员为了减少工作量，而人为缩短观察时间，对测试数据造假等违规行为，这对安全阀的密封性能试验带来了很大的挑战，严重影响了安全阀校验工作的正常开展。

图2 采用传统的夹具进行密封试验

针对当前安全阀密封试验中存在的安全阀出口侧密封面封堵方式过于粗糙、落后，操作上不统一、测试数据准确度不高、数据真实性存疑等诸多问题，特别设计了一套可快速实现封堵的安全阀密封试验装置，该装置结构简单，主要包含安全阀出口侧密封面快速封堵机构、泄漏率检测系统等部件；装置自动化程度高，可有效提高安全阀出口侧密封面的封堵效果、降低测试误差、防范数据造假、提高工作效率，并将为推动安全阀校验向智能化、自动化发展提供有力技术支撑，如图3所示。

图3 安全阀密封试验快速封堵装置系统图

该装置主要由安全阀出口侧密封面快速封堵机构和泄漏率检测系统组成。其中安全阀出口侧密封面快速封堵机构，如图4-图5所示，由橡胶密封垫、爪臂、堵盖、涡旋线盘、卡盘构成，结构简单，易于操作。泄漏率检测系统由激光气泡数计数器、可记录微型流量计、快速接头、耐压软管等组成，检测过程可视化，检测结果可记录。通过密封面快速封堵机构，可极大简化密封面的封堵过程，确保严密密封；通过泄漏率检测系统，可在设定记录时间内自动读取和实时记录经集漏管泄漏流量值和集漏管出口端泄漏气泡数，完成安全阀密封试验。

图4 安全阀密封试验快速封堵装置爆破视图

图5 安全阀密封试验快速封堵装置爆破视图

2 安全阀出口侧密封面快速封堵机构

2.1 结构

1）橡胶密封垫：堵盖与法兰之间的密封垫。

2）堵盖：为整个装置提供装配基础，并起强度支撑作用。堵盖中间有一圆形通孔，用于设置集漏管；堵盖外沿为环形坡面，堵盖沿坡面均匀分布三个条形卡槽，用于设置爪臂，卡槽限制爪臂横向位移，坡面结构释放爪臂轴向和径向位移自由度；堵盖内侧紧固橡胶密封垫，贴合法兰密封面实现介质密封。

3）涡旋线盘：环形涡旋线盘，内表面为坡面式涡旋线内螺纹，顺时针渐开式内螺纹与爪臂外螺纹配合，通过顺/逆时针旋转涡旋线盘带动爪臂同步伸缩。

4）爪臂：均匀分布三个爪臂，爪臂为一体成型结构，保证爪臂强度性能，降低安全阀意外起跳而发生意外事故。爪臂外表面有平面外螺纹，外螺纹与涡旋线盘内螺纹配合同步伸缩。

5）卡盘：约束涡旋线盘除绕轴心的旋转自由度以外的其它自由度。

2.2 工作原理

通过顺时针旋转涡旋线盘，渐开涡旋线内螺栓，通过爪臂外螺纹带动其倾斜径向外伸，扩大爪臂张开半径以满足不同规格安全阀密封试验装配需求。反向逆时针旋转涡旋线盘带动爪臂倾斜径向收缩，爪臂与安全阀出口法兰面相互接触，反作用力使橡胶密封垫与安全阀出口密封面贴合，增大旋转扭力，贴合更加紧密，最终实现介质密封。

1）爪臂同步伸缩：爪臂呈120°均匀分布在堵盖卡槽中，卡槽宽度尺寸与爪臂一致，限制爪臂横向位移，爪臂外螺纹与涡旋线盘渐开内螺纹配合，通过顺/逆时针旋转涡旋线盘即可驱动爪臂的同步伸缩，通过爪臂伸缩，以满足不同规格安全阀的密封试验需求。

2）装置的夹紧与松弛：堵盖外沿为环形坡面，爪臂沿坡面伸缩出现径向和轴向两个位移自由度。顺时针旋转涡旋线盘，爪臂外伸，张开半径增大；装置橡胶密封垫与法兰密封面配合，逆时针旋转涡旋线盘，爪臂收缩，轴向位移使得橡胶垫片与密封面贴合，旋转扭力越大，贴合越紧密；试验完成后，顺时针扭动涡旋线盘，爪臂与法兰分离，取下装置。

3、泄漏率检测系统

3.1 结构

泄漏率检测系统，该系统由可记录微型流量计、激光计数器、快速接头、耐压软管等组成。

1）快速接头：连接耐压软管与各组件。

2）耐压软管：作为气路传输的部件。

3）可记录微型流量计：分辨率优于0.1SCCM（每分钟标准毫升），量程优于100SCCM。

4）激光计数器：通过激光接收端是否正常接收信号判断气泡存在并逐步计数，检测数据自动保持。

3.2 工作原理

通过激光测量技术检测水中的气泡来判断安全阀泄漏率是否合格。当通过微型流量计判断泄漏趋于稳定时，设定计数时间，启动激光计数器，计数器通过发生端产生信号，根据接收端信号是否正常接收判断气泡存在情况，并自动记录泄漏的气泡数据和时间，在达到设定时间后停止计数，数据自动录入系统，当泄漏率较大时，结合微型流量计检测数值以单位时间流量表示泄漏率。该系统检测结果准确可靠，可有效避免作业人员计数误差和数据作假。

4 结论

1）研制开发的安全阀密封试验快速封堵装置， 解决了安全阀出口侧密封面封堵紧固过程中密封面泄漏的问题。通过固定均匀分布的爪臂，和同步旋转涡旋线盘带动爪臂伸缩，确保密封应力均匀的分布在环向密封面上，大幅度的提升密封效果。

2）采用爪臂外螺纹与涡旋线盘渐开内螺纹配合，通过顺/逆时针旋转涡旋线盘即可驱动爪臂的同步伸缩，通过爪臂伸缩，以满足不同规格安全阀的密封试验需求，极大提升作业效率，提升了检测的自动化水平。

3）通过激光气泡数计数系统来自动读取规定时间内的气泡数量，大幅降低了因人工操作影响而导致的气泡少检、漏检情况。

4）通过激光气泡数计数系统和可记录微型流量检测系统的自动记录功能，可对检测过程进行质量监控，确保检验质量。

5）通过激光计数器串联可记录微型流量计，流量较小时，以激光计数器检测气泡数表示泄漏率，流量较大时，以单位时间流量值表示泄漏率，提升检测效率和检测质量。