安全阀是一种自动阀门，它不借助于任何外力而利用介质本身的力来排出一额定数量的流体，以防止压力超过额定的安全值。当压力恢复正常后，阀门再行关闭并阻止介质继续流出[1]。离线校验、在线实跳校验都真实反映出自动起跳的全过程，而借助于在线校验仪的起跳过程却是一种被动的开启。采用在线校验仪的关健在于密封直径如何测取，假如无法准确测算，这种校验方法根本无法进行，这一问题长期困扰业内人士，笔者长期从事安全阀校验工作，从专业的角度与客观、公正、实事求是的态度，分析、论述在线校验技术存在的问题及实际应用，以便更好地为安全阀的校验工作查找、探索出更为合理有效的检测途径和实施方法。本文由上海五岳泵阀制造有限公司转载分享，上海五岳为专业的安全阀厂家，主要生产各类弹簧式安全阀，先导式安全阀，并终身为使用单位提供相关产品技术支持。 
　　关键词：整定压力；密封压力；密封直径；频跳；颤振；卡阻 
　　安全阀作为锅炉、压力容器、压力管道等承压设备的超压保护装置，性能上必须达到“准确开启、适时全开、稳定排放、及时关闭、可靠密封”等基本要求，对在役安全阀的校验，选择哪种方法来完成只是一种手段问题，校验过程真正要实现的目的不只要求开启压力的准确性，还要检验安全阀动作的灵活性、密封件关闭后的密封性。以下我们将分析论述在线校验方法在什么条件下校验才能更便捷、更准确和更有效。 
　　1 安全阀在线校验的思路 
　　目前，锅炉、压力容器、压力管道上广泛选用且最具代表性的是弹簧直接载荷安全阀，现以该类型全启式安全阀在动作中阀瓣的受力情况作为分析对象，用（如图11～图14）的开启状态简图进行说明。 
　　1.1 在线校验仪的基本原理 
　　（1）在线校验仪的基本原理是建立在一个简化的理想动作模型上，一个处于关闭状态且正常运行的安全阀，向下作用有阀瓣的弹簧预紧力P1，预紧力一部分用来抵抗介质作用力p・S，另一部分用来产生阀门密封件之间的相互压紧力（及密封比压力Pm），弹簧预紧力P1足以保持安全阀呈密封状态（图11）。随着介质压力p・S的提高，密封件间的相互压紧力Pm随之减少，当介质压力达到开启压力Ps时，相互压紧力等于零（及Pm=0），安全阀开启，见（图12），此时应满足 
　　P1 = Ps ・S （1） 
　　（2）如果安全阀处于正常运行的关闭状态，从外部加给安全阀阀瓣一个向上的附加拉力ΔF，则弹簧预紧力P1除抵御介质作用力与密封件间产生的相互压紧力外，弹簧预紧力还会被附加拉力ΔF抵消（图13）。随着附加拉力的增加，密封件间的相互压紧力将逐渐减小。当附加拉力增加到一定值时压紧力等于零（及Pm=0），此时安全阀完全丧失了密封而达到被开启的状态，此时介质作用力p・S与附加力ΔF之和刚好克服弹簧预紧力P1（图14），即： 
　　P1=p・S +ΔF （2） 
　　显然在提升或改变附加力ΔF时（及阀瓣还没有产生位移，弹簧压缩比没有改变），存在于（1）、（2）公式中，作用在阀瓣上的弹簧预紧力P1=常数，则可以得出 
　　ps・S = p・S +ΔF 
　　等式两边同时除以S，得到安全阀在线定压的基本公式： 
　　ps = p +ΔF/S （3） 安全阀在线调校技术就是根据这个理想公式设想出来的。 
　　由此可知，在线调校技术的核心问题是如何测量和记录外力以及如何判别安全阀呈开启状态。不同的调校装置采用不同的办法但原理都是一样的，作用在阀瓣上的外加力通过延伸到阀外的阀杆提拉，施加外力的方式采用油压千斤顶（油缸）或机械式螺纹千斤顶。外加力测量一般为电阻应变片式压力传感器配以各种二次计量仪器，如快速电子记录器、单片机系统、微机系统等。 
　　式中用来计算开启压力的外加力ΔF是安全阀开启时的瞬间值。因此，在施加外力过程中应该缓慢均衡地增加，过快加载很容易超过瞬间值，并应严格监视安全阀开启瞬间的状态，以便适时撤掉外加力使安全阀及时回座关闭。 
　　在利用公式求解开启压力时，有两个重要的参数：介质压力p与密封面积S的计量和测算问题需要解决。 
　　1.2 介质压力p 
　　确切地说，介质压力p应指安全阀入口处测得的表压力。测量用表精度要高于百分之一（≥1.0级）[1]，要能正确反映安全阀入口压力值，测点距安全阀较远或者测点与安全阀之间局部阻力损失较大时均会影响最终的校验结果，必须从误差传递角度考虑对安全阀入口压力测量的准确性要求。 
　　1.3 密封面积S 
　　密封面积S并非简单地指阀瓣内径所包围的介质作用面积，密封件接触表面上的质点不可能百分之百地绝对接触，事实上存在着许多微观沟通，介质不停地从内部向外沿进行着微观流动，也就是存在边界层的问题，越靠近内径的地方密封面越容易被介质所浸润（图2），很多专著对这方面都有详细的论述[6]，本文在此不再展开分析。从安全阀校验角度来讲，在对安全阀进行泄漏率检测时所计量的每分钟气泡数，即属这种微观流动的宏观表征，（图2）所示为典型的金属平面对平面式密封结构示意。 
　　通常密封面的宽度28mm，在这样狭窄的区间里可以假设密封面里的压力分布是线性分布，许多专著从理论上探讨过这个问题，得出同样的结论。根据上述看法我们可求得介质作用在阀瓣上的等效直径，即密封直径。在安全阀入口处介质向上作用于阀瓣的力P为： 
　　式中P为入口处表压力，So为等效密封面积，r1为阀瓣内径，r2为阀瓣外径，p为密封面内部介质压力。按照前述边界条件和压力分布的线性假设和推导，最终可得出等效密封面积为： 
　　在线调校技术通常使用所谓的平均面积S来计算开启压力，即： 
　　，等效密封面积So与平均面积S的相对偏差为： 
　　。 
　　根据有关资料的分析[7]及安全阀密封件的测量数据统计结果表明：平均面积S对应的直径就叫中径（r1+ r2）/2，这样给现实测量带来了可操作性。 
　　1.4 判开准则 
　　安全阀在线调校装置的判开准则是指在施加连续外力的过程中，判别阀瓣已达到开启状态的事实依据。实践表明，最常用的方法是用听觉感知安全阀的开启，即以开始听到介质的连续排放声为判开准则。 　　1.5 安全阀在线助跳技术的优点 
　　（1）在线助跳技术最大且最突出的优点就是可以对在役的安全阀做在线校验，并且能在设备运行情况下对离线校验结果进行热态复验，这是校验站做离线校验无法实现的功能。 
　　（2）在线助跳技术对在役焊接式安全阀可以实现每年至少一次的在线校验[1]，这一优势是离线校验技术无法替代的。笔者所经历过的校验项目有：福建省鸿山热电有限公司1期、2期电站锅炉，晋江天然气发电有限公司1期、2期电站锅炉、晋江热电有限公司电站锅炉、福建省东南电化有限公司自备电站锅炉，福建省三安钢铁有限公司自备电站锅炉，创冠（惠安、晋江）有限公司电站锅炉，福建联合石化有限公司设备，福建省嘉龙石化有限公司设备等企业安全阀的在线检测，他们的共同之处是企业管理规范，安全阀使用状态良好，有定期检查和手动排放记录能确保阀瓣不至于“粘死”或卡阻，有安全阀维修记录和历次校验报告整定值可参照，安全阀铭牌上有出厂整定值，大修时有拆解阀瓣准确测量“中径”的机会，有实施在线实跳复验后的记录，企业也建立了完备的安全阀基础数据，现场实施在线校验有可参照的铭牌上的整定值，具备可靠的现场检测条件，出现偏差有诸多参照和对比可控性强，最终校验结果符合标准规范上的要求[15]。对于良好状态、具备校验条件的安全阀，采用在线仪进行校验还是有其独特的优势所在。 
　　1.6 安全阀在线助跳技术的缺点或不足 
　　在线校验仪校验前必须输入两个重要参数①被测安全阀进口处表压力；②安全阀密封直径，假如无法准确测得进口压力和密封直径，在线校验便无法实施，这就是在线助跳技术的软肋所在，因此实际操作中必须严谨、认真，来不得半点马虎。 
　　（1）进口处表压力的读取存在的不足：检测现场很多时候安全阀进口处表压力的获取是由“中控系统”的远程传感器所得的数据通过通信手段通知现场人员，或校验人员从被校安全阀附近安装的压力表读取，偏差较大。读取的结果同校验仪要求的精度相距甚远，采集或现场读取时要慎之又慎，一定要经过再三确认后才能录用，如果把握不准校验结果往往偏差较大，这是现场校验的难点之一。 在无法确保准确获取安全阀进口表压力的情况下，整定出来的结果只能做为参考，最终必须通过在线实跳来进一步验证其结果的准确性。 
　　（2）现场测量“中径”存在的不足：在线助跳技术最重要的参数之二就是校验前必须预先得知密封直径，很多专著论证过密封直径接近或基本等于阀瓣或阀座的“中径”[7，8]，用“中径”来代替密封直径进行校验前的参数输入。同时也存在很多论著提出必须现场测量安全阀的“中径”或内、外径，但现场又哪来的机会让你测得“中径”这一关健数值，假如无法准确测得在线检测就无法进行。当今很多电站安全阀多选用进口阀门，要国外厂家提供安全阀“中径”成为不可能的现实，即使是国产安全阀，铭牌上或说明书上都很少标明“中径”这一参数。运行中的系统现场如果要测量？只有等待停产或在线检修的时候，待安全阀拆解开拿出阀瓣时才有机会测量得到，这种检测“中径”的提法简直等同于“杀鸡取蛋”，如果是这样在线校验还能叫在线校验吗？“中径”问题是业内人士不愿意提及的内伤，想要解决这一难题，必须建立相关的安全阀大数据库。 
　　（3）反推法测算“中径”存在的不足：通常采用两种较为有效的方法： 1）通过改变系统压力计算阀座有效面积；2）通过改变调整螺母计算阀座有效面积，相关论著都已经做了较详细的说明[9]。但凡有在线校验经历的人员都很清楚，第一种办法靠系统本身稳定在两个压力值下来反推测算“中径”值，确实让人勉为其难，如果是在实验室稳定气源的条件下确实是很容易做到的，我们曾经试图采用这种办法测算“中径”， 都因系统压力波动，每次所测出的值偏差多远超出实际值的5%以上，这种不可控的检测值谁敢采用？即使采用了，整定出来的压力值能靠谱吗？第二种依靠改变弹簧压缩量来获取两个开启压力值，反推测算出“中径”的方法：首先必须预先知道弹簧的压缩比（就是旋松或旋紧调整螺母一圈所改变的弹簧预紧力），相关论著中[9]强调这一参数必须由弹簧制造厂提供，这对现场校验人员来说也是很难做到的事情。但如果系统压力稳定或预先能得知弹簧的压缩比，采用这两种方法校验出来的整定压力值还是有参考价值的，由于诸多的不确定性，但凡这样其整定结果都必须通过在线实跳来进一步验证。 
　　（4）对“柔性密封结构形式”的安全阀校验的不足：当今很多电站锅炉选用的安全阀都是进口品牌，相对于国产安全阀进口安全阀选用的弹簧刚性好、热稳定性高、反复压缩变形量少，特别是阀瓣结构采用“柔性密封结构形式”如（图3），其密封面积随预紧力的增大或减少而增大减少，用“中径”测量法或反推测算法是无法测算出有价值的数据的。国内多种在线仪都无法校验“柔性密封结构形式”的安全阀，而必须依赖国外安全阀生产厂家提供的专业检测设备进行校验，这也是在线校验人员必须特别注意的事项。 
　　（5）安全阀开启后排放状态的检查存在不足：从（图4）我们清楚地看到，①上弹簧座、②弹簧、③阀杆、④下弹簧座、⑤导向套、⑥阀瓣、⑦阀座，弹簧的预紧力是靠被压缩的弹簧把力传递到阀杆使之下压，再把力传递到阀瓣密封面上，使阀瓣与阀座形成密封比压，最后起到密封的作用。但是有过在线校验经验的人士都非常清楚，在线助跳技术是通过向上提拉阀杆，此时的阀瓣是在介质内压力的作用下被动抬起的，假如阀瓣卡阻或锈死在导向套内，而校验前未能发现，此时的阀杆虽然被提拉上来，但阀瓣可能没有紧跟阀杆被顶起，这将造成安全阀开启的假象，这时虽然安全阀阀瓣有微启并泄放出少量的介质，但这种微启特征并不明显，终将导致仪器的误读、误判，更别说在吵杂环境下依赖声音判别法来判开捕捉开启瞬间的可能性了，这种现象的发生也是现场校验非常担心的事情，给整定值带来很多不确定的因素。同时，只靠微启得出校验合格结论的做法也是很不靠谱的，安全阀能否适时全开、足量排放更是确保系统安全的关键，不能仅凭微启就判定安全阀会开启，但凡这样其整定结果都必须通过在线实跳来进一步验证。 　　（6）准确的判开是捕捉整定压力值的关键其存在的不足是：根据不同装置可采用声音判别法、触点探针法和在线仪显示的校验曲线特征峰值点的方法来判定安全阀开启。把握好安全阀的开启时机是准确获取整定值的关键，但凡有现场校验经历的人员都很清楚，现场工作场景是一个非常吵杂的地方，也许到处都有泄漏的声音或震动的声音、特别是处于高空作业的地方风的声音特别大，工作人员相互交流对话都很难听见，还有排放口引致高空或装有消声器的安全阀，靠声音判开法误判的可能性很大，必须多人密切配合；触点探针法由于仪器本身间隙的预消除或环境震动带来的误差也会影响到校验的准确性；而采用曲线特征点法判开同样受到安全阀起跳动作灵活性和仪器精准度的影响、阀瓣与导向套粘死或卡阻直接影响曲线特征点的出现或特征点漂移造成的误判，这些同样影响判开的准确性，这些问题的存在不得不让人担心校验结果的有效性。有关专家的论著里描述到：对电站锅炉的11台安全阀在做完在线助跳之后，还谨慎地再次对每一个安全阀进行在线实跳验证[8]，这是非常负责任的一种工作态度，但也从另一侧面反映出编者对模拟被动开启的校验方式的可靠性多留了一份心思，但凡这样最终还是要借助于在线实跳来进一步验证[2]。 
　　（7）在线助跳仪自身的校准及有效性的验证存在的不足：每种仪器都有校验有效期，在线助跳仪本身是否精准，以及仪器上用的压力表、传感器等是否在有效期内，都必须有明确的要求与规定，不能因仪器自身的偏离造成校验结果的无效。在线助跳仪自身的检定还必须从顶层设计上做进上步的规范。 
　　2 安全阀在线助跳技术的应用与离线校验、在线实跳的互补关系 
　　笔者无意对某一种校验方法做过份的褒贬，每一种校验方法都有其优势和不足，作为长期从事安全阀校验的专业人员，我们以客观、公正、实事求是的态度来分析对待每一件事。 
　　（1）安全阀离线校验风险小、成本低，其校验结果为在线实跳和在线助跳提供了真实、可参照的依据和支承，随着材料技术和装备制造技术的提高，冷态校验值与热态校验值产生的偏差越来越小，对于电站锅炉经常选用的敞开结构形式的安全阀，弹簧散热效果良好，运行过程中弹簧强度、刚性、弹性变形量冷、热态偏差变化不会太大，且如今大项目大设备配套的安全阀都是直接从安全阀专业生产厂订购来的，不仅在质量上有保证，而且安全阀出厂前都经过了严格的测试过程和必要的热态修正，更方便的是安全阀整定值都刻在了铭牌上方便参照。安全阀在装配到设备上之前，用户还会委托有安全阀校验资质的单位或机构进行离线校验或委托进行现场在线助跳校验，取得合格的校验报告。有的用户在设备试运行初期，担心离线校验因运输吊装造成的偏离，为了慎重还会要求做在线实跳来进行最后的验证，层层的把关为安全阀整定结果打下了坚实的基础。倒是工业锅炉或设备上用的安全阀，因使用的安全阀价低质次冷态校验值与热态校验值常常会出现较大的偏差，如工业锅炉上的安全阀也经常采用在线实跳，这样校验结果更有保证。 
　　（2）由于在线助跳技术的发展，解决了焊接式安全阀实现每年至少一次的校验，既符合了标准规范的要求，重要的是确保系统的安全运行。另一方面由于在线助跳技术的应用，为离线冷态校验的修正带来了便捷的途径，人们不再担心使用在线实跳带给用户和现场校验人员的风险。 
　　（3）在线助跳技术的应用给人们带来了便捷，也带来了烦恼和隐忧：在线助跳“中径”数据的测量方法和数据库还是要尽快建立和落实到位，才能为在线助跳方法的普及和发展打开一扇便捷之门，才能给在线助跳技术的应用增强信心和可信度。不同厂家安全阀“中径”数据的收集和大数据的建立势在必行。否则在线助跳技术的应用不只带来烦恼、还隐隐约约地埋下了安全隐患，极个别校验员因为对安全阀出厂前都校准过的情况太过了解，而且安全阀铭牌上都标明整定压力值，校验时用户还会提供历次安全阀检定报告，因此在实施在线助跳时，由于查找“中径”一时带来的困难，而采取极端的校验方法，随便输入一些参数或撮数据进行校验，或干脆把安全阀直接提开当做开启；还有个别检测公司被利益所驱使承诺什么阀他们都能校。这种极不负责任的行为将给设备的运行埋下严重的安全隐患，市场的开放带来了便捷的服务同时也为不法之徒打开了一扇门。因此，安全阀校验市场必须得到有效的监管和规范。 
　　3 建立大数据势在必行 
　　安全阀铭牌上只标明：产品型号、公称通径、整定压力、启闭压差、工作温度、基准流体的额定排量或额定排量系、流道直径、开启高度、制造厂名、制造日期、出厂编号[1]。但对在线定压来说很重要的中径或密封面内、外径尺寸却没有标明，给安全阀现场校验的人员带来很大的不便，甚至在人员进场后也无法进行现场校验。随着大工程大项目的上马，装备上引进和配套进口安全阀的工程项目越来越多，对于必须预先知道安全阀校验中径值的在线定压方法，确实处于两难的境地，这一瓶颈是安全阀校验人士都很清楚而且不愿意表白的内伤。当今网络发展迅猛，因此，从顶层设计上必须提倡和建立大数据的概念，从国内安全阀生产厂家自身开始，要求其建立起大数据库，或从标准规范上进行要求，要求厂家在安全阀铭牌上和说明书里进行标明，提供可参照的中径或密封面内、外径尺寸数据，建立可查询的网络数据库。企业、用户、检测公司或检测机构也应该不断收集，积极参与大数据的建立，破除行业垄断和技术壁垒，建立起数据的互联互通，有了技术数据的支撑，谁还愿意去冒天下之大不违，大数据的建立将进一步推动在线助跳技术的应用与发展，安全阀校验市场也将得到不够好的拓展。（完）