基于严苛条件下承压系统安全阀技术分析

杨洪哲

（广东省特种设备检测研究院肇庆检测院526070）

摘要：安全阀作为主要的安全附件，对承压系统的安全运行具有十分重要的保护作用。对此，本文在严苛条件下，从密封性设计、排量性设计、抗震性设计等方面对安全阀精准设计技术进行分析，并对热态性能试验技术以及处于工作状态下的安全阀结构完整性保障进行研究和评价。

关键词：严苛条件；承压系统；安全阀技术

引言：安全阀属于管路与承压设备工作的一个安全附近，是系统中的一道被动保护措施。安全阀在介质作用下即可开启，无需其他外力帮助，确保系统压力不超过事先设定的数值。大量事故表明，安全阀自身也存在失效的可能，进而造成无法弥补的损失，对此本文在严苛条件下对承压系统中的安全阀技术进行分析。

1.安全阀精准设计技术

1.1密封性设计

为了提高安全阀的密封性能，可采用金属密封结构，在此方面的研究主要体现在微通道泄漏与微尺度接触方面；Harphan等将接触面转换为螺旋形与径向通道相结合的方式，采用立方定量对密封面的泄漏情况进行估算；Ronald等采用有限元方法对安全阀变形对密封状态产生的影响进行分析，在接触时对粗糙程度进行精简，并与实际金属面产生偏差，忽视了微尺度流通对壁面滑移产生的影响。为了对微通道流动的实际情况进行分析，尤其对粗糙壁面介质流动问题进行研究，可采用规则结构替换粗糙面，对壁面速度产生影响。另外，安全阀由于受到特殊结构的影响，密封比压与中径的选择有较大关联，一般情况下，中径为密封内径与外径的平均值，但从实际情况上看，却存在十分显著的误差。

1.2排量性设计

20世纪中期，Belinda针对安全阀的设计进行实验研究，提出用动力学方程替代二阶线性微分方程的构想。随着网络技术的飞速发展，计算流体力学营运而成，逐渐渗透到安全阀内部流场研究之中，起初只是借助流场稳态模拟方式，针对背压与流动特性间的关系进行模拟分析，将研究重心放置在安全阀两相流释放模拟方面。虽然流场稳态模拟的方式较为简易，但却难以从开始到回座的动作特性进行模拟。对此，华东理工大学研究团队利用网格预变性、流域分块、动网格等方式，对相应技术进行模拟，针对阀板的动态特性进行编译，对其运动状态进行有效的计算。同时，该团队利用响应面法对四个机构的位置进行调节，对安全阀开启与关闭时的调节规律进行分析，从而对实验结果的相关性进行充分验证。

1.3抗震设计

当安全阀应用到系统之前，一般会对其抗震性进行检测，主要采用反应谱法、静力法或者动力分析法。其中，静力法主要利用固定载荷对安全阀的应力进行计算，此种方式的应用应满足以下标准：结构为一阶，且固有频率与工况相比频率要更高，且不会对结构产生较大影响；动力分析法主要利用时程分析的方式，对频谱、振动、持时等数值进行处理，通过直接积分法对整体结构状态进行计算。现阶段，国际上开展的安全阀抗震实验主要围绕地震前后模态与结构的变化进行，对多种状态下安全阀的应力与变形情况进行分析，并判断其抗震性是否能够为核电站提供切实保护[1]。

2.安全阀热态性能试验技术

我国安全阀技术水平较为滞后的关键因素在于热态实验技术较低，该实验主要包括锅炉、控制系统、控制阀等，造价超过亿元，且实验十分复杂繁琐。现阶段，该实验标准为美国的ASMEPTC25。对实验精度与流程进行说明，但实现难度相对较大。目前，我国已经具备许多能力较强、具有实验资质的机构，但却缺少以蒸汽为介质的热态试验系统；我国共有四套安全阀实验台架，均采用升压直至安全阀起跳的作用，可对力学性能进行有效测量，将其称为是“自由膨胀法”，该方式一旦应用不当，很可能导致整个系统出现额定开高减低等问题。对此，华东理工大学研制出了国际上参数最高的热态试验装置，可对蒸汽品质与流动性进行严格控制，对阀门动作、性能等进行准确试验，利用变形监测确保实验装置的安全，主要为CAP1400主蒸汽安全阀、C3C4稳压器安全阀等。另外，在高温安全阀方面，尤其是以蒸汽为价值的安全阀更使排量系数得以缩小，但因其结构较为复杂，在缩小比例的过程中势必会使其物理性质受到影响，由此成为整个行业的难题，对安全阀承压系统安全与性能的提高产生较大的不利影响。

3.工作状态下的安全阀结构完整性保障分析

在对安全阀进行检测的过程中，如若利用常温空气对其进行整定，则需要借助相应修正系数作为辅助。目前，国际上许多安全阀的生产厂家明确了实际温度修正参数，虽然因压力方面存在偏差，没有获得全行业的认可，但却在理论上做出了突破。另外，对于大口径蒸汽安全阀来说，业内多采用九阀法，可对特殊工况进行校验，对安全阀延期使用时存在的风险问题进行评估，这始终是我国安全阀应用中的热点话题。对于安全阀与管线失效等情况，通过大量研究可知，我国目前已经制定了一系列标准，并将风险检验法也引入其中，对经济风险与失效概率等进行有效评估。此种方式还可在事故发生就，针对产生的后果将风险因素进行排列，准确找出系统中的薄弱环节，实现对系统本质的检修与处理。

Pierre等针对安全阀的主要参数特征进行误差分析，从中选出主要的几种失效因素，并将安全阀自身看成失效情况产生的条件性因素，与失效危害等级相结合，进而得出最佳安全阀检验周期。在安全阀日后发展中，智能安全阀技术是必要发展趋势，尤其对于结构健康监测技术来说，更是在多个领域完成多次成功尝试。在设计方面，利用健康监测技术能够提早对阀门失效情况进行预防。另外，于新海等发明了一种新型的蒸汽安全阀在线监测装置，可通过设置固定发声装置的方式，对安全阀的密封面进行检测，力求以往实现对阀门泄漏情况的在线检测，防止各类噪声对检测结果产生不良影响[2]。

结论：综上所述，随着工业技术的不断发展，承压系统的工作强度与环境逐渐复杂，对安全阀的各项性能提出了更加严苛的要求。本文将在此背景下，对安全阀的设计、运行技术进行分析，并对其日后的发展方向进行展望，力求安全阀结构更加完整高效，充分满足新时期下的各项严苛要求。

参考文献：

[1]高伟光.严苛条件下承压系统安全阀技术[J].化工进展,2019.

[2]夏舒阳.高温蒸汽安全阀工作特性研究[D].浙江工业大学,2017.