柔性閥瓣的彈簧式安全閥在線整定技術。

1 彈簧式安全閥的工作原理及特點

1．1彈簧式安全閥的工作原理

安全閥彈簧的預緊力FT通過閥桿傳遞給閥瓣上方，而系統內介質的壓力作用在閥瓣下方，在FT的作用下閥瓣的密封面與噴嘴密封面緊緊結合，從而起到密封作用。當系統的介質的作用力Fx與FT平衡時，閥門開始起跳，即安全閥開始起座。起跳壓力等于，其中f表示閥門內部零件的機械摩擦力。當安全閥起跳排放降壓，直至鍋爐容器內的介質的壓力降低到作用于閥瓣上的力小于彈簧的作用力時，安全閥才能回座關閉，其結果是保證鍋爐設備在規定的壓力范圍內工作。

1．2 Crosby柔性閥瓣的彈簧式安全閥的結構特點

由于Crosby具有柔性閥瓣的彈簧式安全閥是在閥瓣密封面背側加工了一道環形的凹槽，這就使閥瓣的密封面具有一定的彈性，所以這類閥瓣叫做“柔性閥瓣”。

從結構上比較，柔性閥瓣對于普通平面閥瓣的優點在于：

①降低了閥桿力的作用點，密封性能提高。普通平面閥瓣的閥桿力作用點不但高于密封面，而且非直接作用在閥瓣上。對于柔性閥瓣的閥門，閥桿力作用點降低到密封面以下，而且直接作用在閥瓣上。這種結構上的改進使閥門的抗震動能力大幅提高，也就是密封穩定性大幅提高。換句話說，在閥門存在相同程度震動的情況下，柔性閥瓣閥門更不容易發生泄漏。這種性能已在安全閥實際運行中得到驗證。

②“柔性閥瓣”結構不但提高了運行密封性能，而且提高了保持密封性的運行壓力值。對于設計普通平面閥瓣，當運行于壓力升高到閥門設定壓力(即整定壓力的95％)時閥門會出現“預泄”。對于彈簧式安全閥來說，“預泄”的存在是正常現象，而“預泄”的存在在一定程度上可以幫助彈簧式安全閥起跳。因此克羅斯比公司將彈簧式安全閥的設計壓力與最大運行壓力的差值定為5%以上。“柔性閥瓣”結構將系統壓力導入閥瓣密封面背側的環形的凹槽并作用在與閥瓣密封面相對的環形斜面上，由于密封面具有一定的彈性，隨著系統內介質壓力的升高，閥瓣密封面被系統的壓力向下推壓產生微小變形，并與噴嘴密封面緊密結合，從而使閥門預泄點推遲。在保證閥門整定壓力準確的前提下、“柔性閥瓣”結構可以使閥門在運行壓力達到設定壓力96％以上仍然無泄漏。通過我們對Crosby彈簧式安全閥整定校驗的結果統計表明，柔性閥瓣的安全閥的預泄點可以達到了整定壓力的98.5％甚至99％，而且起跳準確、回座干脆、無泄漏現象。

2．柔性閥瓣的彈簧式安全閥的在線整定技術分析與探討

依據《電力工業鍋爐壓力容器監察規程》（DL 612-1996）的有關要求，鍋爐安裝和大修完畢及安全閥經檢修后，都應校驗安全閥的起座壓力。純機械彈簧式安全閥可采用液壓裝置進行校驗調整，一般在75%～80%額定壓力下進行。經液壓裝置調整后的安全閥，應至少對最低起座值的安全閥進行實際起座復核。安全閥應定期進行放汽試驗。鍋爐安全閥的試驗間隔不大于一個小修間隔[1]。

儀器在線測量方式是目前較為先進且普遍采用的方法。彈簧式安全閥的在線儀表測量裝置的種類較多。如英國FURMANITE公司于八十年代研制的TREVITEST安全閥檢測系統和Crosby公司生產的便攜式液壓壓力整定裝置（HSPD）等。但它只能校驗出廠前或檢修后預定的起跳壓力是否準確，并不能檢驗起跳時間的長短、起跳回座壓力的高低、啟閉壓差的大小及動作過程中出現的問題。所以用此類裝置校驗的安全閥動作的準確性，最終還要實際升壓加以驗證。

2．1彈簧式安全閥在線測量整定裝置的設計原理

彈簧式安全閥的開啟、關閉動作是依靠其進口端的介質壓力變化和彈簧預緊力來使閥瓣自動開啟及關閉。當介質壓力（內壓）升高至其所產生的提升力比彈簧預緊力大時，閥瓣克服彈簧預緊力自動開啟，泄放多余的介質，隨著系統內介質的壓力降低，又由于彈簧力的作用，當內壓降至安全值時，閥瓣自動關閉，泄放停止。

根據這個原理，可以設想，在線（又稱熱態）測量或調整安全閥時，如果由外部提供一個向上的附加力，則當介質壓力與這個附加力的總和剛剛克服彈簧預緊力時，閥瓣同樣也會開啟，甚至在沒有介質作用的離線（又稱冷態）條件下，單獨由外部附加力克服彈簧預緊力時，閥瓣也可開啟動作，圖1清楚地表示了這種力的平衡關系。

很明顯，我們可以看出，此時閥瓣開啟動作的條件為：

式中 FT——彈簧預緊力，N；

FW——安全閥起跳時加在閥桿上的外附加力，N；

PX——系統內介質的壓力，MPa；

S ——密封面積，mm2；

冷態時開啟動作壓力Ｐ為：

則在熱態時開啟動作壓力Ｐ為：

顯然，在一般情況下，如果能夠準確地測定附加外力FW，就可以根據已知的閥瓣面積S和系統內介質的工作壓力PX，很容易地求得安全閥的開啟壓力P。這即為安全閥在線整定技術的設計依據和原理。

2．2 彈簧式安全閥在線測量整定的技術依據

根據對彈簧式安全閥開啟動作特性的分析[2]，可以得出：在外加力FW的作用下，一個安全閥從關閉到開啟，再由開啟到關閉的全過程中，外附加力FW的變化規律

統內介質的作用力之和正好為彈簧預緊力FT時，閥門微啟，增大了介質作用面積Ｓ，使得用來克服彈簧預緊力FT的系統介質的作用力急劇增大，其結果在瞬間減小了外附加力FW。從而出現第一個特征拐點Ａ。當外附加力FW逐漸減小而達到關閉點時，由于介質作用面積忽然減小，為保持力的平衡關系，此時，外附加力會出現瞬間回升現象，即第二個特征拐點Ｂ。上述兩個特征拐點Ａ和Ｂ是在線條件下檢測彈簧式安全閥開啟壓力、回座壓力的技術依據。

圖2（ｂ）為冷態環境時的測試過程曲線，當安全閥未開啟之前，外附加力FW克服閥瓣靜態剛性力，當達到開啟點以后，外附加力改為克服彈簧的彈性力，兩者隨時間變化的斜率不同，從而出現第一個特征拐點C，同樣情況，在安全閥回座時也會出現另一個特征拐點D。這兩個特征拐點分別對應安全閥的開啟和回座動作位置點，這是作為冷態條件下測試彈簧式安全閥開啟、回座壓力的技術依據。

從以上分析可以看出，彈簧式安全閥在線測試技術的關鍵在于如何正確迅速地找到對應其開啟動作的特征點。

2.3柔性閥瓣的彈簧式安全閥的在線整定技術分析與探討

①人為因素影響對測量整定值的影響

目前，寶二發電公司現場采用的Crosby公司生產的便攜式液壓壓力整定裝置（HSPD），該測量裝置均須由操作者人工判別安全閥起跳的特征點和活塞的瞬時壓力值，通過手工計算出最終結果，整個測量過程均需多人密切協作參與，故測量結果的一致性受人為因素影響很大，測量精度難以確保。此類產品僅適用于自己廠家生產的安全閥，對國產和其他廠家安全閥就顯得無能為力。九十年代起，國內也出現部分仿制型，在技術上并無太大突破，仍然存在測量一致性差、測量精度低的缺點。

NSH系列安全閥在線定壓儀系由北京邦備機電技術有限公司及北京勞動安全技術裝備中心研制開發的新型便攜式儀器，其基本工作原理等同于英國FURMANITE的TREVITEST安全閥檢測系統和Crosby公司的便攜式液壓壓力整定裝置（HSPD），但在設計和工藝上有重大突破。NSH系列安全閥在線校驗儀可在機組停運或運行的情況下，僅需2-5秒開啟時間即可完成對安全閥進行在線性能檢測和工作參數檢測，也可對經檢測不合格的安全閥進行在線整定，可以測量和記錄安全閥的開啟壓力和安全閥所在位置系統介質壓力等參數。

② 柔性閥瓣的密封面積S對整定值的影響

“柔性閥瓣”結構是在閥瓣的密封面背側加工有一道環形的凹槽，使密封面具有一定的彈性，將系統壓力導入閥瓣密封面背側的環形凹槽，并作用在與閥瓣密封面相對的環形斜面上。隨著運行壓力的升高，閥瓣密封面被系統的壓力向下推壓產生微小變形并與噴嘴密封面緊密結合，隨著壓力的增加，閥瓣密封面會由其外徑對應的面積向其內徑對應的面積變化，從而使閥門預泄點推遲。

因此，引起柔性閥瓣的彈簧式安全閥的密封面積S的變化的因素主要有以下兩個方面。

其一，隨著具有柔性閥瓣的彈簧式安全閥的解體研磨檢修，使得閥瓣的密封面積S逐漸增大，系統內的介質壓力PX對閥瓣所產生的作用力Fx逐漸增大，勢必造成柔性閥瓣的彈簧式安全閥的開啟壓力P的測量結果偏小。所以，如長期不加以修正，可能引起安全門的拒動。

其二，由于柔性閥瓣結構使得密封面具有一定的彈性，隨著系統介質的壓力和溫度的升高，閥瓣密封面一方面在系統介質所產生的向下推壓力的作用下發生微小變形，另一方面閥瓣的密封面隨其溫度的升高發生膨脹變形，其結果是引起柔性閥瓣的密封面積S發生變化。

在大多數安全閥在線整定裝置的設計中，安全閥的密封面積S被視為定值，

安全閥的密封面積計算的一個近似公式，它是綜合考慮了各種因素而提出的，它與理論計算和實際整定過程中的安全閥的密封面積均存在有一定的差距。

經過計算分析可以得出，如果僅不考慮系統內介質的工作壓力PX變化對柔芯閥瓣的密封面積S的影響的條件下。具有柔芯閥瓣的彈簧式安全閥開啟壓力在線測量的相對誤差值已大于2％，遠遠超出了安全閥整定的起座壓力允許范圍為整定壓力值的1%的規定[3]。 由此可見，在彈簧式安全閥在線測量整定過程中，系統內介質的工作壓力PX對柔性閥瓣的密封面積S的影響還是相當嚴重的，如不加以考慮，就勢必造成安全閥的拒動或誤動，嚴重威脅著設備的安全。

因此，對于具有柔性閥瓣的彈簧式安全閥在線整定的關鍵是準確確定安全閥的密封面積。

對于彈簧式安全閥來講，彈簧的壓縮(放松)與壓力的理論關系是一個重要的參數。它是安全閥廠家必須提供的。它表示彈簧正向或反向旋轉調整螺母一周，其安全閥起跳壓力值升高或降低ΔΡ，此值為理論標準值，但必須注意不同的安全閥此值是不同的。利用安全閥的該重要參數即可計算出安全閥的密封面積和當前安全閥的起跳壓力。計算的具體過程為：在系統介質的工作壓力PX的情況下，使用安全閥在線整定裝置，安全閥起跳動作時加在閥桿上的外附加力為FW1；在保持系統介質壓力PX穩定的條件下，調節安全閥調整螺母一周后，此時安全閥起跳時加在閥桿上的外附加力為FW2，安全閥的起跳壓力變化為ΔΡ（視其為矢量，即增加為+，減小為－）。

此方法必須保持在系統介質壓力穩定的前提下進行，它避免了大量的實際測量和計算工作，實現了安全閥的密封面積未知的情況下對起跳動作壓力的在線測量。需要指出的是，此方法計算得到的面積S已不是完全意義上的安全閥的密封面積，它是整合了整個測試過程中的所有影響密封面積的因素后得出的數值，所以，由此得到的安全閥的開啟動作壓力更接近于實際動作值。經過現場的實際測試，采用此方法得到的安全閥的開啟動作壓力較常規方法要準確的多，與實際開啟動作壓力的誤差在1％以內，符合有關標準規定值。

3 結束語

⑴對于彈簧式安全閥在線測量整定技術的關鍵在于如何正確迅速地找到對應開啟動作的特征點。采用NSH系列安全閥在線定壓儀是解決測量結果的一致性和準確性,免受人為因素影響的有效措施。 ⑵根據對具有柔性閥瓣的彈簧式安全閥起跳過程的研究分析可以看出，確定柔性閥瓣的彈簧式安全閥開啟瞬間閥瓣的密封面積S是確保安全門開啟動作準確的關鍵。

⑶在保持系統介質壓力PX穩定的前提下，根據彈簧的特性參數可實現在密封面積S未知的情況下，對彈簧式安全閥的起跳動作壓力的在線測試。它整合了整個在線測試過程中的所有影響密封面積S的因素，所以，由此得到的安全閥的開啟動作壓力更接近于實際動作值。

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