付红栓
上海市特种设备监督检验技术研究院 上海市 200062
摘要：在线校验技术存在的人为操作因素对检测结果影响很大，校验时的开敞性造成人为介质泄漏，安全性差的问题，且许多安全阀在实施在线检测之后阀心不能回座，从而导致密封失效和泄漏，形成新的安全隐患。为此，尝试将传统的安全阀阀心结构设计成阀心传感器，利用数据采集软件，结合变送器、数据采集卡、计算机等组成测试系统，以实现安全阀运行状态的实时检测。进行了阀心传感器标定试验、水压试验、气压试验。水压试验的目的主要是利用水压造成阀口的启闭过程状态变化，从而初步了解整个数据采集装置的性能。利用阀心传感器配置得到安全阀检测系统所完成的现场试验表明，与标准传感器相比，阀心传感器具有测试数据精度高，刻画安全阀全启过程准确细致，更符合测试数据重现性好等优点。
关键词：安全阀；在线检测；阀心传感器测试系统试验验证
0引言
安全阀在系统中起安全保护作用。当系统压力超过规定值时，安全阀打开，将系统中的一部分气体／流体排出，使系统压力不超过允许值，从而保证系统不因压力过高而发生事故，当压力恢复正常后，阀门再自行关闭并阻止介质的继续排出。根据国家质量监督局锅炉压力容器监察局颁布的《蒸汽锅炉安全技术监察规程》、《电力工业锅炉压力容器监察规程》以及《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》的规定，“在用锅炉的安全阀每年至少应校验一次”，“锅炉安装和大修完毕及安全阀经检修后，都应校验安全阀的起座压力”，“各种压力容器安全阀应定期进行校验和排放试验”。这些规定都明确了对电站安全阀的定期校验工作。安全阀校验普遍采用的方法有离线校验和在线校验两种手段，离线测量是一种直接测量方式，需要在设备停车时拆下安全阀送到检验台上，较费时费力，且该种测量方法不能解决温度对安全阀整定压力的影响，而对一些不可拆下的安全阀(如焊接阀等)更是无能为力。在线测量又分为升压实跳测量安全阀整定压力和仪器测量两种。实跳测量是指提高安全阀入口介质压力使安全阀开启并记录安全阀整定压力等参数，这种方法虽然最为直接准确，但会对安全阀造成不必要的伤害，并且噪声污染和测量时的安全性问题已越来越引起人们的重视。仪器测量方式是一种间接测量方式，是目前较为先进且普遍采用的方法，它可在系统不停车或离线不带压状态下仅需1～3秒钟便能完成对安全阀参数的检测，进而指导操作人员对安全阀进行正确地调节，直到合格为止。同时也可通过测量曲线判断安全阀动态特性质量。
1阀心传感器性能分析研究
阀心传感器有很好的线性度，拟为了验证设计方案的可行性，用ANSYS软件合出的电压信号和压力信号关系式为。对设计的阀心传感器进行有限元数值分析。实体建p20.647U一0.0452模采用轴对称平面单元PLANE82，创建的阀心二其拟合度R2达到0.99996。维截面模型如图1所示，加载的最大工作压力为试验测得阀心传感器相关参数为：传感器精度1.4MPa。
图1测元件的二维截面模型
阀心传感器标定：标定试验中，传感器和相关测试仪器组成标定试验装置。通过标准活塞式压力计加载标准砝码，进行5次重复升降压测试，对阀心传感器系统进行误差分析，最后通过软件拟合出阀心传感器输出信号与压力之间的关系式。试验测得阀心传感器相关参数为：传感器精度1.4MPa。为0.9％F.S，满量程输出(F.S)为0～1.4MPa，在1.4MPa时的灵敏度为0.3828mV／V，变送器输人直流电压为12V，输出直流电压为6V，放大倍数为954。
2水压试验
测试的目的主要是利用水压造成阀口的启闭过程状态变化，从而初步了解整个数据采集装置的性能，为后面成本更高的气压试验做好准备。试验用手摇试压泵不断加压，造成安全阀反复开启和关闭，软件界面会出现一个个峰值。
当阀瓣关闭，即处于静压时，2个传感器的测试信号几乎重合，但安全阀开启时，阀瓣传感器测试的信号比标准传感器的数值要小，大约0.04MPa。
试验时，标准传感器检测的是试压泵处的压力，阀瓣传感器测试的是阀瓣密封口处的压力，两者由铜管相连，且泵与管相连和管与安全阀相连的管径也不同，存在降压。所以阀瓣传感器测得的压力值与标准传感器测得的压力值不同，两采集曲线不重合。
气压试验：新设计的阀心传感器测试系统与安全阀组装后进行带压运行试验。试验系统采用25m3的压缩空气储罐作为压力源，该压力源的气量足以保证安全阀短时全启排放所需气量。排气主管道直径为80mm(安全阀的喉径为32mm)。电动阀保证安全阀排放时瞬间全启。手动阀1可以使管路中的气压缓慢上升，便于调试安全阀的整定压力值。当电动阀和手动阀处于关闭状态时，手动阀2开启排放压力管道中的剩余气体。压力传感器装在主管道上，用于与阀心传感器采集的信号对比。
压力信号在泄放过程中的变化。可以将全启过程划分为以下几个阶段(或状态)：(1)静止阶段。安全阀处于关闭状态时，管道内压力处处相等，阀心传感器的输出信号值与标准压力输出信号值相等，并且无扰动，曲线平稳。(2)开启阶段。电动阀快速启动后，管道内气体压力从a点开始迅速上升，而安全阀的阀心在气体弹性作用下瞬间打开(事实上开度已经接近全开启位置，注意b点与d点的高度位置几乎相同)，气体快速排放出去，从而导致阀心传感器测得的压力信号迅速下降(信号从b点下降到C点)，而这种快速反应时间很短，压力下降的信号来不及传递到标准压力传感器的位置就被快速涌来填充的压力气体淹没。所以，气体压力在阀口附近的变化只有阀心传感器能够测到，距离一定位置处的标准压力传感器信号几乎没有改变，而标准压力传感器的测试值仍然表现出压力上升(从口点升至d'点)。阀心传感器经过瞬间压力泄放后，压力下降必然导致阀心在弹簧力的作用下回座(即阀心回到接近关闭的位置)，气体又被封闭，从而气体压力又开始上升，只要气体来流的压力足够高，能够连续不断地填补泄放气体排放留下的容积空间，则阀心传感器和标准压力传感器的压力信号测试值就会继续升高，直到阀心达到全开启位置(阀心传感器的d点，标准传感器的d'点均表示安全阀的全开位置压力示值)，压力维持相对稳定。(3)稳定排放阶段。稳定排放阶段也可称为连续排放阶段。此阶段由于系统气体不断连续地补充到安全阀泄放口，压力的下降非常缓慢。现场试验表明，此阶段的长短主要视储气系统的容量和罐压的高低而定，如果容量大，罐压高，则此阶段的起始点(d，d')压力示值与终点压力示值(e，e')差别很小，即泄放过程中储气系统的压力下降较小。而起始点压力即为文献中定义的全启压力。由于在通常的安全阀系统中，压力传感器的测点并不位于阀口处。所以，标准压力传感器的测试值与阀口处的实际压力数值稍有差别，在笔者测试系统的情况下，两者大致相差0.2—0.3MPa。(4)回座阶段。此阶段电动阀关闭，气源被切断，关闭后没有大量气体及时补充，管道内气体压力迅速下降，气体泄放量快速降低，阀瓣回座(即e点到厂点)，阀口关闭之后，尚未泄放的气体被封闭，从而导致关闭后气体压力升高(／点到g点)。这一压力迅速降低后又升高的过程只有阀心传感器可以检测到，而标准压力传感器(e7点到g'点)无法检测到。
3结束语
笔者通过对安全阀阀心传感器的数值分析验证、传感器性能标定试验验证以及实验室水压试验和现场气压试验，对新型阀心传感器检测专利技术进行了研究。得到如下结论：(1)利用安全阀阀心进行功能扩展的创新技术研究，所得到的阀心传感器既可作为安全阀内部构件使用，也可作为传感器使用，使得配置这种新型传感器的安全阀具备了在线检测功能，使用价值大大提高；(2)利用结构数值分析技术对阀心传感器的分析表明，对阀心进行结构设计改造，使之成为传感器，其安全可靠性是足够的；(3)传感器的性能试验表明，所设计的阀心传感器具有良好的性能参数，完全满足安全阀性能参数测试要求。
参考文献
[1]陈卫平,张明,严祖平,陈立龙,沈永强,王轶栋,沈国庆.安全阀静态性能检测方法的应用与分析[J].阀门,2021(01):24-27.
[2]王俊,李芳芳,宋尚能.一种先导式安全阀在线校验的方法[J].低碳世界,2020,10(09):215-216.
[3]张佳炎.当前安全阀离线检测技术的不足与应对措施研究[J].锅炉制造,2020(04):62-64.
[4]郭崇志,梁寒雨.安全阀在线检测新技术研究[J].石油机械,2009,37(08):28-31.