在線校驗(yàn)中安全閥突發(fā)頻跳和顫振的預(yù)防措施

鄭志雄

(福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院泉州分院，福建 泉州 362000)

在線校驗(yàn)中安全閥突發(fā)頻跳和顫振的預(yù)防措施

鄭志雄

(福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院泉州分院，福建 泉州 362000)

安全閥突發(fā)頻跳和顫振的異常現(xiàn)象都是在安全閥開啟時(shí)發(fā)生，特別是生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備超壓或在線校驗(yàn)過(guò)程中安全閥開啟時(shí)引發(fā)的頻跳和顫振，它直接威脅到設(shè)備安全和現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)人員的人身安全。當(dāng)前采用輔助開啟裝置（即安全閥在線校驗(yàn)儀）進(jìn)行校驗(yàn)的方式越來(lái)越得到普及與應(yīng)用，為避免和克服頻跳和顫振事故發(fā)生在在線校驗(yàn)的過(guò)程中，文中作了如下的分析，并采取了相應(yīng)的防范措施與方法。

頻跳；顫振；卡阻

安全閥作為承壓裝置超壓保護(hù)的一個(gè)關(guān)鍵附件，一直以來(lái)被廣泛應(yīng)用于核電站、垃圾焚燒發(fā)電站、大型石化行業(yè)及鍋爐、壓力容器、壓力管道等承壓設(shè)備及蒸汽系統(tǒng)中，為保證設(shè)備系統(tǒng)上的安全閥能處于安全準(zhǔn)確有效的運(yùn)行狀態(tài)顯得特別重要，在大型或超大型設(shè)備上運(yùn)行的安全閥為保證每年至少能得到一次有效的校驗(yàn)整定，在線校驗(yàn)儀的應(yīng)用得到了越來(lái)越廣泛的推廣。安全閥是一種自動(dòng)開啟關(guān)閉的閥門，一旦承壓裝置內(nèi)部的壓力超過(guò)限定值時(shí)安全閥開啟泄放，為承壓裝置內(nèi)部減壓，一旦壓力恢復(fù)閥門能自行關(guān)閉再次起到密封保護(hù)的作用，安全閥的工作狀態(tài)好壞直接影響到所保護(hù)的承壓裝置的安全。因此，安全閥在性能上必須符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，校驗(yàn)時(shí)必須按《安全閥安全閥技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中的規(guī)定執(zhí)行，檢驗(yàn)周期每年至少一次。[1-5]

1 安全閥在線檢驗(yàn)檢測(cè)方式

安全閥在線校驗(yàn)是指閥門不需要從承壓裝置上拆卸下來(lái)，在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)其進(jìn)行的檢驗(yàn)。當(dāng)前普遍采用的在線檢驗(yàn)檢測(cè)方式有三種：

（1）采用被保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)及其壓力進(jìn)行試驗(yàn)：該方式為升壓實(shí)跳方式，利用裝置內(nèi)系統(tǒng)介質(zhì)本身的壓力，升高至安全閥開啟狀態(tài)進(jìn)行校驗(yàn)，實(shí)跳方式具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性，在這種情況下承壓裝置會(huì)面臨超壓風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生頻跳或顫振直接威脅到承壓裝置和現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)人員的人身安全。

（2）采用其他壓力源進(jìn)行試驗(yàn)：該方式要求現(xiàn)場(chǎng)被測(cè)安全閥必須具備進(jìn)口端預(yù)留校驗(yàn)管口，安全閥入口端配備有截止閥，采取隔絕手段來(lái)完成校驗(yàn)。要求具備的條件多。如預(yù)先無(wú)預(yù)留接入口，改造需要花費(fèi)一定的時(shí)間和成本，但校驗(yàn)中發(fā)生頻跳或顫振現(xiàn)象比較容易處理。

（3）采用輔助開啟裝置進(jìn)行試驗(yàn)：該方式利用輔助開啟裝置進(jìn)行校驗(yàn)，需要使用專業(yè)機(jī)電設(shè)備，對(duì)運(yùn)行安全閥的彈簧進(jìn)行提升操作，記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)，依靠工業(yè)用平板電腦計(jì)算出安全閥的開啟壓力值，達(dá)到校驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，一旦發(fā)生頻跳或顫振，其危害同在線實(shí)跳相當(dāng)。

2 安全閥工作狀態(tài)下的動(dòng)作原理

在線校驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)校驗(yàn)過(guò)程便捷的同時(shí)，也難于避免安全閥可能會(huì)在校驗(yàn)過(guò)程中突發(fā)頻跳和顫振事故，如因在線校驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生頻跳和顫振，將直接影響到承壓裝置的正常運(yùn)行，嚴(yán)重的可能引發(fā)設(shè)備故障，導(dǎo)致機(jī)毀人亡等嚴(yán)重事故。筆者有長(zhǎng)期的安全閥在線校驗(yàn)工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)安全閥在線校驗(yàn)過(guò)程中突發(fā)性的頻跳、顫振事件進(jìn)行了潛心研究。

為了更好地解釋安全閥在在線校驗(yàn)中發(fā)生頻跳或顫振現(xiàn)象，從安全閥啟閉受力情況進(jìn)行分析：

（1）安全閥作為一種能自動(dòng)啟閉的閥門，一旦入口處介質(zhì)壓力超過(guò)工作壓力時(shí)會(huì)自動(dòng)開啟減壓，一旦壓力回落至工作壓力或低于工作壓力，閥門又會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。由于多數(shù)工況條件下普遍采用的都是全啟式彈簧式安全閥，現(xiàn)參照該類型安全閥的啟閉受力情況進(jìn)行分析說(shuō)明。

（2）當(dāng)安全閥的整定壓力值大于系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的工作壓力值，閥門處于正常關(guān)閉狀態(tài)，如圖1（a）所示。此時(shí)建立如下的平衡關(guān)系式：

圖1 工作狀態(tài)下閥瓣受力情況圖

（4）此時(shí)一旦閥瓣稍微離開閥座，介質(zhì)開始排出并匯集在反沖盤的壓力聚集室下，如圖2所示。當(dāng)介質(zhì)壓力積聚到一定程度，利用作用在反沖盤式閥瓣擴(kuò)大了的面積上的靜壓力以及流束的反沖作用力，安全閥急速打開至全開啟高度,如圖3所示，整個(gè)過(guò)程在瞬間完成。

圖2 安全閥壓力聚集狀態(tài)圖

圖3 安全閥全開啟狀態(tài)圖

（5）反之系統(tǒng)壓力p回落到小于彈簧作用力P1,閥瓣向下迅速回落到關(guān)閉狀態(tài)，關(guān)閉件間再次形成密封比壓力，起到密封保護(hù)作用，安全閥建立新的密封關(guān)閉狀態(tài)，如圖1（a）所示。

3 采用輔助開啟裝置進(jìn)行安全閥在線校驗(yàn)的基本原理

當(dāng)安全閥處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，從外部施加給閥桿一個(gè)向上的附加拉力，此時(shí)的彈簧預(yù)緊力向下，除要抵御向上的介質(zhì)作用力和密封比壓力外，還要克服附加拉力的作用，如圖4（a）所示。隨著附加拉力逐漸加大，密封比壓力將逐漸下降，當(dāng)附加拉力施加到一定值時(shí)，密封比壓力=0，此時(shí)安全閥達(dá)到開啟的條件，介質(zhì)作用力·與附加力之和剛好抵消了彈簧預(yù)緊力，圖4（b）。

圖4 施加附加拉力后閥瓣受力情況圖

由公式（1）、（2）得出：

公式（3）兩邊同時(shí)除以S，得到安全閥在線定壓的基本公式：

安全閥在線校驗(yàn)技術(shù)就是根據(jù)公式（4）實(shí)現(xiàn)的[6]。

4 在線校驗(yàn)中安全閥可能發(fā)生頻跳或顫振，其原因分析如下

從標(biāo)準(zhǔn)定義中可知，頻跳是指安全閥閥瓣快速異常地來(lái)回運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)中閥瓣接觸閥座；顫振發(fā)生時(shí)閥瓣不接觸閥座。但并不是每次進(jìn)行安全閥在線校驗(yàn)都會(huì)發(fā)生頻跳或顫振，設(shè)備運(yùn)行中由于所處的環(huán)境或同時(shí)遭受周邊諸多因素的影響不盡相同，實(shí)施安全閥在線實(shí)跳時(shí)偶然性發(fā)生頻跳或顫振現(xiàn)象還是存在的，而采用輔助開啟裝置進(jìn)行安全閥在線校驗(yàn)同樣也有可能偶發(fā)頻跳或顫振，這是安全閥調(diào)校過(guò)程中所不允許出現(xiàn)的。因此，文中對(duì)在線校驗(yàn)時(shí)偶發(fā)頻跳和顫振的原因進(jìn)行了深入的分析和研究，與同行共勉，而采用其他壓力源進(jìn)行在線試驗(yàn)偶發(fā)頻跳和顫振容易處理在這不作討論。

（1）當(dāng)被保護(hù)系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定造成在線校驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生頻跳和顫振，從圖4可以看出，當(dāng)安全閥開啟或閥桿被輔助開啟裝置拉起時(shí)，因設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)本身存在著壓力迫使介質(zhì)從閥瓣與閥座的縫隙間沖出，聚集在壓力聚集室形成向上托舉反沖盤的力，當(dāng)介質(zhì)壓力快速往外泄放時(shí)，一旦系統(tǒng)的壓力不穩(wěn)定，反沖盤托舉作用減少或消失，反沖盤和閥瓣在彈簧力的作用下快速跌落，安全閥關(guān)閉，此時(shí)安全閥入口處介質(zhì)的壓力會(huì)再次聚集上升，又一次頂開閥瓣，介質(zhì)快速往外泄放，如果系統(tǒng)壓力還是激烈波動(dòng)且出現(xiàn)周而復(fù)始狀態(tài)，將造成閥瓣頻繁的開閉，引起頻跳和顫振的發(fā)生。

（2）長(zhǎng)期使用的安全閥排放口或連接管積液、積垢或被堵，安全閥排放管口橫截面積將會(huì)減小，安全閥開啟時(shí)排放可能就不會(huì)順暢，會(huì)造成頻跳和顫振發(fā)生，安全閥排放管口的最低位置常設(shè)置有旁路接管，用于排放積液。如果平時(shí)疏于管理，用于排放積液的管路被堵造成排放阻力過(guò)大，介質(zhì)排放時(shí)有過(guò)大的背壓，排出的介質(zhì)還彈回來(lái)回并在壓力聚集室聚集，反沖盤沒(méi)能起到反沖作用，托舉效果消失，反沖盤和閥瓣在彈簧力的作用下快速跌落，安全閥關(guān)閉。其過(guò)程同上面論述的一樣，將引發(fā)頻跳和顫振的發(fā)生。

圖5 全啟式安全閥基本結(jié)構(gòu)圖

另一方面，排放口通徑變小，超壓介質(zhì)無(wú)法及時(shí)排放而被反彈回來(lái)，可能造成水擊現(xiàn)象，嚴(yán)重的可能引起安全閥閥體或接管爆裂，直接影響到設(shè)備安全和人身安全。

（3）閥桿變形，圖5中的閥桿可以看出，彈簧作用力是靠閥桿傳遞到反沖盤和閥瓣上，一旦閥桿變形，垂直向下的彈簧作用力將產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向分力，導(dǎo)向套與反沖盤之間的活動(dòng)間隙、反沖盤與閥瓣之間的活動(dòng)間隙都有可能因側(cè)向分力的作用產(chǎn)生卡阻現(xiàn)象，彈簧作用力無(wú)法垂直傳遞到閥瓣上，造成閥瓣和閥座密封面接觸不均勻，密封面排放出來(lái)的介質(zhì)將會(huì)跑偏，造成安全閥開啟時(shí)介質(zhì)排放不穩(wěn)定而引起頻跳和顫振的發(fā)生。

（4）由圖5中彈簧可以看出，如敞開式結(jié)構(gòu)的安全閥一方面有利于彈簧等構(gòu)件的散熱，但彈簧暴露在外，長(zhǎng)期接觸并受到高溫、高腐蝕性介質(zhì)的影響，引起腐蝕變形，原本彈簧的剛度發(fā)生變化，因腐蝕彈簧線徑粗細(xì)不均，當(dāng)安全閥開啟或被輔助開啟裝置拉起時(shí)，隨著彈簧位移的變化，彈簧的作用力并沒(méi)有按“胡克定律”的線性規(guī)律變化，反沖盤和閥瓣在不穩(wěn)定的彈簧力的作用，在附加拉力拉起的過(guò)程中造成了閥瓣與閥座之間產(chǎn)生頻跳和顫振。

（5）由圖5中導(dǎo)向套可以看出，敞開式安全閥除彈簧暴露在外，導(dǎo)向套與反沖盤之間的活動(dòng)間隙、反沖盤與閥瓣之間的活動(dòng)間隙都會(huì)因落灰、積垢影響到閥瓣、反沖盤在導(dǎo)向套內(nèi)的上下活動(dòng)，動(dòng)作不暢會(huì)出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，彈簧作用力因卡阻無(wú)法及時(shí)傳遞到閥瓣上，反沖盤和閥瓣在不穩(wěn)定的彈簧力的作用，造成頻跳和顫振的發(fā)生。

（6）從圖5清楚地看到，彈簧的預(yù)緊力是靠被壓縮的彈簧把力傳遞到閥桿使之下壓，閥瓣與閥座形成密封比壓同時(shí)起到隔絕介質(zhì)外漏的密封作用。但在線助跳是通過(guò)向上提拉閥桿，閥瓣同時(shí)在內(nèi)部介質(zhì)壓力的作用下被被動(dòng)頂起，閥瓣要是卡阻在導(dǎo)向套內(nèi)而校驗(yàn)前未能有效發(fā)現(xiàn)，閥桿雖然被強(qiáng)制拉起，但閥瓣可能沒(méi)有緊跟閥桿被頂起形成安全閥開啟的假象，嘈雜環(huán)境下依賴聲音判別來(lái)捕捉開啟特征并不準(zhǔn)確，這時(shí)雖然能觀察到出口處有少量介質(zhì)排出，但這種微啟特征并不明顯，校驗(yàn)儀器采集的信號(hào)有可能偏差、誤讀，這給整定值的準(zhǔn)確判定帶來(lái)很多不確定的因素。如果校驗(yàn)員無(wú)法及時(shí)捕捉到開啟的瞬間，可能繼續(xù)施力向上提拉閥桿，在此情況下閥桿有可能被過(guò)度拉起，微啟泄放出的少量介質(zhì)聚集在聚集室，但無(wú)法使反沖盤正常托舉引起閥瓣頻繁開閉，造成頻跳和顫振的發(fā)生。

5 預(yù)防在線校驗(yàn)中安全閥突發(fā)頻跳和顫振的措施與方法

從上面分析的情況可以看出，安全閥實(shí)施在線校驗(yàn)出現(xiàn)偶發(fā)性的頻跳和顫振不僅對(duì)系統(tǒng)設(shè)備危害極大，同時(shí)危及到現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)人員的人身安全，因此對(duì)安全閥實(shí)施在線校驗(yàn)工作之前，應(yīng)該制定一套行之有效的校驗(yàn)方案和緊急事故應(yīng)急處理措施，從實(shí)施校驗(yàn)的技術(shù)手段入手卻應(yīng)該做到如下幾點(diǎn)要求：

（1）確保現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)、帶好通信設(shè)備與壓力中控室保持通信暢通，隨時(shí)監(jiān)控確保校驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，除了應(yīng)制定一套完整的校驗(yàn)方案和緊急事故應(yīng)急議案外，被檢用戶還必須派專業(yè)技術(shù)人員全程監(jiān)護(hù)協(xié)助安全閥在線校驗(yàn)工作的進(jìn)行，特別是熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電系統(tǒng)，一方面要確保汽輪機(jī)組的正常運(yùn)行，還必須保證周邊熱力用戶的連續(xù)化生產(chǎn)要求。因此，確保系統(tǒng)壓力穩(wěn)定是避免安全閥在線校驗(yàn)突發(fā)頻跳和顫振事故發(fā)生最基本的前提條件。

（2）進(jìn)行在線校驗(yàn)前應(yīng)了解掌握被檢單位對(duì)安全閥的日常維護(hù)和巡回檢查工作記錄是否存在問(wèn)題，問(wèn)題是否得到及時(shí)的解決，特別是長(zhǎng)期使用的安全閥排放口或連接管積液、積垢或被堵現(xiàn)象經(jīng)常存在，校驗(yàn)前都要徹底得到解決，檢查時(shí)可在系統(tǒng)壓力低于工作壓力的70%以下進(jìn)行檢查性的手動(dòng)排放試驗(yàn)，查明安全閥的動(dòng)作是否靈活可靠，排放管口是否固定牢固，介質(zhì)排放是否順暢，積液連接管是否暢通，在確保安全無(wú)誤的情況下展開下一步工作。

（3）校驗(yàn)前對(duì)安全閥的宏觀檢查工作必不可少，安全閥進(jìn)行宏觀檢查時(shí)應(yīng)認(rèn)真查找安全閥閥體是否存在裂紋或嚴(yán)重腐蝕缺陷，接管聯(lián)接、焊接、固定是否牢固，避免安全閥開啟排放時(shí)引起強(qiáng)烈振動(dòng)引發(fā)不可預(yù)測(cè)的事故。對(duì)敞開式安全閥可從開口處觀察彈簧、閥桿是否遭受嚴(yán)重腐蝕或生銹，是否存在有彎曲變形現(xiàn)象，觀察口內(nèi)是否有異物存在，會(huì)否影響校驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)還可以從開口處觀察彈簧座是否落灰嚴(yán)重，會(huì)否影響在線校驗(yàn)，也可用壓縮空氣進(jìn)行吹掃，清除閥桿與彈簧座、反沖盤與導(dǎo)向套間隙間的雜物，消除活動(dòng)間隙間的卡阻，避免存在校驗(yàn)時(shí)安全閥動(dòng)作的不靈活，事先做好一切準(zhǔn)備工作，才能盡量大可能避免校驗(yàn)中引發(fā)頻跳和顫振事故的發(fā)生。

（4）除在線實(shí)跳外，借助在線輔助開啟裝置的在線校驗(yàn)方式對(duì)輔助開啟裝置的依賴性特別強(qiáng)，要求精準(zhǔn)度特別高，這就要求對(duì)在線校驗(yàn)儀的選擇、維護(hù)及精準(zhǔn)度提出更高的要求，校驗(yàn)前應(yīng)該對(duì)在線儀器進(jìn)行檢查比對(duì)（同在冷態(tài)條件下，與離線校驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)）以確保其精準(zhǔn)有效。在線輔助開啟裝置的工作原理中可以清楚地知道，在嘈雜環(huán)境下如果校驗(yàn)員無(wú)法及時(shí)捕捉到開啟的瞬間，可能繼續(xù)施力向上提拉，閥桿有被過(guò)度拉起的可能，為頻跳和顫振的發(fā)生提供了空間和條件。因此現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)人員平時(shí)應(yīng)苦練內(nèi)功提升自身校驗(yàn)技術(shù)水平，這是任何儀器設(shè)備都無(wú)法替代的技能。

（5）一旦發(fā)生頻跳和顫振，現(xiàn)場(chǎng)人員應(yīng)該沉著應(yīng)對(duì)采取相應(yīng)措施，及時(shí)消除引發(fā)頻跳和顫振原因或故障，參照（1）至（4）分析的問(wèn)題一一排查。當(dāng)發(fā)生頻跳和顫振，閥瓣在導(dǎo)向套內(nèi)來(lái)回高速頻繁上下運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)閥瓣沖擊閥座，閥瓣或閥座密封面上的硬質(zhì)合金層有可能被打裂或打碎，造成密封面密封失效，這是校驗(yàn)工作所不允許發(fā)生的事情；且閥瓣在導(dǎo)向套內(nèi)高頻上下運(yùn)動(dòng)，閥門進(jìn)出口介質(zhì)可能引發(fā)強(qiáng)烈振動(dòng)或水擊現(xiàn)場(chǎng)，嚴(yán)重時(shí)引起安全閥殼體或聯(lián)接管管道暴裂造成嚴(yán)重事故。在線校驗(yàn)中一旦出現(xiàn)有頻跳和顫振的苗頭，應(yīng)暫停校驗(yàn)工作，及時(shí)采取降壓或穩(wěn)定壓力的措施，待系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)后再行校驗(yàn)；如頻跳和顫振未能消除，應(yīng)暫時(shí)停止或退出現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)工作，待系統(tǒng)設(shè)備檢修期間拆解安全閥進(jìn)行認(rèn)真檢查或送離線校驗(yàn)。但目前很多高參數(shù)電站用安全閥都是采用焊接式聯(lián)接，安全閥的故障排除可待設(shè)備檢修時(shí)對(duì)安全閥進(jìn)行在線拆解、維修、研磨，合格后再行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)。

6 總結(jié)

其實(shí)造成頻跳和顫振的因素很多，有時(shí)是多種因素疊加影響，但這對(duì)在線校驗(yàn)工作影響很大，給現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)帶來(lái)了很大的風(fēng)險(xiǎn)，如何克服和避免頻跳和顫振事故的發(fā)生，是安全閥在線校驗(yàn)工作者應(yīng)認(rèn)真對(duì)待和努力研究的方向。文中提出的觀點(diǎn)、措施與方法希望能與同業(yè)人員學(xué)習(xí)、探討與共勉。

[1] TSG ZF001-2006，《安全閥安全閥技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[S].

[2] DL/T 959-2005《電站鍋爐安全閥應(yīng)用導(dǎo)則》[S].

[3]GBT12243-2005《彈簧直接載荷式安全閥》[S].

[4]TSGR0001-2012《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[S].

[5]TSGR0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[S].

[6] 張傳虎，劉琨，侯君達(dá).電站鍋爐安全閥校驗(yàn)新技術(shù)[J].中國(guó)電力,2001(5):73-75.

Preventive Measures for Burst Frequency Hopping and Flutter of Safety Valve in On-Line Calibration

ZHENG Zhi -Xiong
(Quanzhou Branch, Fujian Province Institute of Boiler and Pressure Vessel Inspection, Quanzhou 362000, Fujian,Chian)

The abnormal phenomenon of safety valve burst frequency hopping and vibration are all in the opening status, especially in the overpressure or online verif cation. It directly threatens the safety of the equipment and the f eld inspectors. With The auxiliary opening device (i.e. safety valve online check instrument) popularization , in order to avoid the frequency hopping and vibration occurred in the process of online check, the paper provides some measures and methods of prevention.

Frequency hopping; Flutter; Jamming

2016-11-07

鄭志雄，男，福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院泉州分院，高級(jí)工程師，（鍋、容、管）檢驗(yàn)師