安全阀密封面在维修校验过程中应注意的几个问题
安全阀是保证锅炉、压力容器、压力管道安全运行的重要部件,是承压设备上安装的一种超压保护装置。它是一种自动阀门,不借助任何外力而又利用介质本身的力来排出一额定数量的流体,以防止系统内压力超过预定的安全值。当系统压力恢复正常后,再自行关闭并阻止介质继续流出的一种阀。
安全阀使用广泛,它可以防止设备超压产生爆炸危险的发生,确保设备的安全运行。如:酒钢动力厂的大型压力容器、球罐、天然气储罐;炼铁高炉煤气罐;炼钢转炉汽包及蓄热器;中板厂高压水除鳞系统;动力介质的压力管道等,这些都是安全阀发挥重要作用的场所。
安全阀的性能要求能够准确地开启,适时地全开,稳定地排放,良好的回座和可靠的密封;动作必须平稳,无频跳、颤振、卡阻等现象。可靠的密封是安全阀工作时重要环节之一,安全阀的质量和使用寿命取决于密封面的工作期限,也是安全阀zui薄弱的环节。
安全阀密封性能的好坏,直接影响到承压设备的安全运行及效率。密封性能差,安全阀处于长漏状态,使承压设备内的系统压力达不到要求,满足不了工作需要,降低了生产效率,严重时会造成停产事故;对有毒、有害、易燃、易爆、窒息性等介质使用的安全阀,密封面泄漏严重时会造成人身伤害事故。
2安全阀校验工作原理
2.1安全阀工作原理
安全阀主要由三部分组成:阀座、阀瓣和加载机构。阀座和座体有的是一个整体,有的组装在一起,与容器连通。阀瓣通常连带有阀杆,紧扣在阀座上,阀瓣上面是加载机构,用来调节载荷的大小。当容器内的压力在规定的工作压力范围之内时,器内介质作用于阀瓣上的压力小于加载机构施加在它上面的力,两者之差构成阀瓣与阀座之间的密封力,使阀瓣紧压着阀座,容器内介质气体无法排出;当器内压力超过规定的工作压力并达到安全阀的开启压力时,介质作用于阀瓣的力大于加载机构加在它上面的力,于是阀瓣离开阀座,安全阀开启,容器内气体通过阀座排出。如果容器的安全泄放量小于安全阀的排量,器内压力逐渐下降,很快降回到正常工作压力,此时介质作用于阀瓣上的力又小于加载机构施加在它上面的力,阀瓣又压紧阀座,气体停止排出,容器保持正常的工作压力继续工作。安全阀通过作用在阀瓣上的两个力的不平衡作用,使其启闭,以达到自动控制压力容器超压的目的。
以通常使用的全启式安全阀为例,弹簧产生的压力:
F=-Kx ⑴
式中:K为弹性系数; x为位移距离。
介质在阀瓣作用下的压强:
P=F /S⑵
式中:F为压力; S为接触面积。
利用外接气源压力大小控制安全阀的主动起跳(开启压力),安全阀根据阀瓣开启高度的不同,安全阀分为微启式和全启式。以全启式安全阀为例,如图1所示,安全阀开启时阀瓣开启高度h≥d0/4(d0为流道zui小直径)。阀瓣开启高度已经使其帘面积(阀瓣升起时,在其密封面之间形成的圆柱形或圆锥形通道面积)大于或等于流道直径(阀进口端到密封面间流道的zui小截面积)。为增加阀瓣的开启高度,装设上、下调节圈。装在阀瓣外面围成一个很窄的缝隙,当开启高度不大时,气流两次冲击阀瓣,使它继续升高,开启高度增大后,上调节圈又迫使气流方向弯转向下,反作用力使阀瓣进一步开启。这种形式的安全阀灵敏度较高,调节圈位置很难调节适当,近年来制造的全启式安全阀普遍采用反冲盘的结构,与阀瓣活动连接。
2.2安全阀校验工作介绍
安全阀校验分在线校验和离线校验两种方式,在线校验只能对整定压力进行测定、调整,无法测定密封压力。因在调校过程中设备系统内存在压力,安全阀一旦发生故障,不能卸下检修,保证不了设备的正常运行,严重时造成停产。
酒钢特种设备检测中心采用离线校验方式,检测设备为校验台,用酒钢自产的瓶装氮气作为气源,可调校整定压力为0. 1~35MPa,适用介质为蒸汽、空气或其他气体及液体,满足了酒钢在用安全阀校验的需要。
工艺路线:在用安全阀冷态校验→委托→接受委托→宏观检查→解体检查→清洗、维修→整定压力校验→密封性能试验→挂牌铅封→出具报告→审核、盖章→存档(发放用户)→上报统计。
在校验过程中,整定压力和密封性试验为安全阀的主要性能指标,具体见图2。
2.3安全阀密封面损坏过程及原因分析
安全阀要求使用的介质为清洁、无颗粒、低黏度的流体。而实际上很多情况下,在用安全阀的使用过程中大部分密封面损坏都是介质中含有颗粒状杂质,在安全阀启跳后粘在密封面上,当阀芯回座时将杂质压在密封面之间而损坏密封面;有时系统压力过高,导致安全阀频繁启跳,造成密封面之间产生冲击、碰撞,砸伤密封面;有的介质(如煤气)腐蚀性较强,密封面长期处在腐蚀性介质中而产生麻点、凹坑,损伤密封面。
泄漏的出现对密封面造成侵蚀,介质通过侵蚀面继续引起金属的化学腐蚀,造成密封面损坏;当遇到高温时密封面产生翘曲、变形等。在关闭状态下密封面早期泄漏有以下原因:密封面的机械损伤,阀芯和阀座工作时的歪斜,周围介质温度的变化而引起密封面变形,密封面受到工作介质中杂质的污染,设备的振动,运输、安装的震动,高温介质下弹簧失效,阀杆歪斜,导向套偏心,调节圈位置过高而导致的虚假密封等。
3安全阀密封性试验后采取的修复方法
3.1密封性能试验的压力及方法
密封性能试验在整定压力调整好后进行,降低并调整安全阀进口压力,使其在密封试验压力状态下,保持一分钟而进行密封性能试验。具体见表1。
对于封闭式安全阀,在安全阀的排放出口侧安装一个集漏管,内径6 mm,管子出口端面和轴线垂直并且保持光滑,放置在敞开式水箱中,管端面插入水下12. 5 mm,并且和水面平行,同外界处于*密闭状态(阀帽、排泄孔、出口等都应封闭)。在密封试验压力状态下,检查每分钟泄漏的气泡数来表示泄漏率。对于金属密封面的阀门,应不超过GB/T12243—2005表12所列的数值;对于非金属弹性材料密封面的阀门,应无泄漏现象(每分钟0气泡)。
对于非封闭式安全阀,在密封试验压力状态下用目视观察压力表指针下降情况或听音检查气体的泄漏声,在一分钟内没发现泄漏现象,则认为密封合格。
安全阀的密封性能试验不少于三次,每次试验的结果都必须符合要求。
根据《压力容器安全技术监察规程》规定,设计压力≥整定压力>密封试验压力>zui高工作压力,安全阀的整定压力为zui高工作压力的1. 05~1. 1倍[2]。特检中心鉴于以上规定,对安全阀的密封试验压力进行提高,见表2。
当密封试验压力低于zui高工作压力时,选取密封试验压力必须高于zui高工作压力,使其在密封试验压力状态下,保持一分钟进行密封性能试验。
3.2密封面的研磨修复
密封面要求要有较高的强度,承受较高的密封比压;有一定的抗冲击韧性,可承受阀芯快速起跳回座的冲击;有较高的硬度,可承受介质冲刷;不能生锈,否则很快泄漏;要耐高温,适用蒸汽等介质,不致高温变软;要耐腐蚀,承受酸碱等侵蚀。密封面都在较高的压力状态下运行,需要很大的预紧力,必须用硬材料密封面,因此,大多采用金属材料做密封面。密封面分为平面密封、锥型密封、球型密封,锥型密封、球型密封加工难度大,损坏后不易修复;平面密封加工、维修方便,应用zui广,当密封面损坏不太严重或密封性能达不到规定的要求时,需研磨修复。
研磨是在其他金属加工方法不能满足工件精度和表面粗糙度要求时,采用的精密加工的方法,在量具、仪器制造和修理中应用广泛,通常采用手工操作。研磨台的材料组织细密均匀,嵌存磨料性能好,有良好的稳定性和耐磨性,润滑性好、效率高,成本低,易加工,做到经常检查维护,如几何精度达不到要求时要及时修正,现采用灰铸铁。在研磨平台上均匀涂上研磨剂(磨料和研磨液调和而成的混合剂),将阀座、阀芯放置平台上,受压要均匀,压力大小应适中。压力大,研磨切削量大,表面粗糙度大,会使磨料压碎,划伤表面,降低了研磨效率。
研磨分粗研、半精研、精研三个步骤,粗研时用1~2 kg/cm2,选用刚玉磨料W40~20微分,速度在每分钟40~60次;半精研时用0. 5~1 kg/cm2,选用刚玉磨料W10微分,速度在每分钟30~50次;精研时用0. 1~0. 5 kg/cm2,选用刚玉磨料W2. 5微分,速度在每分钟20~40次。
4改进措施
依据国家质检总局2006年颁布实施《安全阀技术监察规程》的要求,增加了对安全阀的泄漏率进行测定[3]。根据酒钢公司的现状,对于有毒、有害、易燃、易爆、窒息性等介质的使用情况,本特检中心要求对安全阀的泄漏率为零泄漏,以防止安全事故的发生,因此对安全阀的密封要求很高,这样安全阀密封面的维修有了较大的难度。按照以往的工作方式与方法,达不道零泄漏的要求。
4.1改进措施
4. 1. 1安全阀选用
根据现场使用经验,安全阀选型十分重要。由安全阀操作压力决定安全阀的公称压力,由操作温度决定安全阀的使用温度范围,由计算出的安全阀的定压值决定弹簧或杠杆的定压范围,再根据使用介质决定安全阀的材质和结构型式,再根据安全阀泄放量计算出安全阀的喉径。以下为安全阀选用的一般规则。
⑴热水锅炉一般用不封闭带扳手微启式安全阀。
⑵蒸汽锅炉或蒸汽管道一般用不封闭带扳手全启式安全阀。
⑶水等液体不可压缩介质一般用封闭微启式安全阀,或用安全泄放阀。
⑷高压给水一般用封闭全启式安全阀,如高压给水加热器、换热器等。
⑸气体等可压缩性介质一般用封闭全启式安全阀,如储气罐、气体管道等。
⑹E级蒸汽锅炉一般用静重式安全阀。
⑺大口径、大排量及高压系统一般用脉冲式安全阀,如减温减压装置、电站锅炉等。
⑻运送液化气的火车槽车、汽车槽车、贮罐等一般用内装式安全阀。
⑼油罐顶部一般用液压安全阀,需与呼吸阀配合使用。
⑽井下排水或天然气管道一般用先导式安全阀。
⑾液化石油气站罐泵出口的液相回流管道上一般用安全回流阀。
⑿负压或操作过程中可能会产生负压的系统一般用真空负压安全阀。
⒀背压波动较大和有毒易燃的容器或管路系统一般用波纹管安全阀。
⒁介质凝固点较低的系统一般选用保温夹套式安全阀。
4. 1. 2安全阀研磨方式
研磨液均选用煤油、动物油或植物油酸,在研磨台上平面移动走“8”字型、仿“8”字型或螺旋形运动轨迹研磨。经过研磨后能够改进密封面的几何形状,达到良好的平面度,表面粗糙度的达到Ra0. 1。经过多次实践,采用多工作台流水作业,很好的提高研磨效率。
4. 1. 3增加镜面抛光工艺
由于国家标准对安全阀密封要求的严格性,要达到零泄露,就要提高密封面的精度等级,安全阀的密封性试验是否合格关键在于密封面的平面度和光洁度(表面粗糙度)。只有重新制定安全阀校验工艺要求,通过我们实践,发现采用增加镜面抛光工艺的方法可以解决这个问题。
因表面粗糙度是指零件的被加工表面上,所具有的较小间距和微小峰谷所组成微观几何的高低不平度,它直接影响其使用性能,如耐磨性、配合性质、接触刚度、疲劳强度和耐腐蚀性等。尤其在高速、高压、高温条件下工作的零件,其工作表面的粗糙度,往往决定机械的运转性能和使用寿命。见此表面粗糙度的关键,在以往的精研磨工艺后增加了一道抛光工艺,选用硬质合金材料的研磨台,具有较高的平面度,粗糙度小,不易磨损,能够获得很高的表面光洁等级。抛光时不可施加外力,只是用阀座或阀瓣自身的重力在研磨台上螺旋形运动,速度每分钟不超过20次,用W1型金相抛光液对水稀释,进行超精研磨或镜面抛光,zui终表面粗糙度达到Ra0. 025以下。每道工序的研磨,均为研磨台,不同粒度的磨料不可混淆使用,以防止损伤研磨台或密封面。
抛光工艺没实施以前,一台安全阀研磨、校验、反复数次,对于要害岗位的安全阀没有备件时,甚能修复一星期,浪费了大量的人力、物力,修复不好的予以报废,对公司造成了一定的损失。实施以后,一台安全阀研磨只需一次,就能够达到99%以上的成功率,节省了人力、物力,两年以来没出现过一起因密封面的密封性能达不到要求而报废的安全阀。对比如表3。
5结语
安全阀的维修、校验是一个系统工程,通过在维修、校验中注意每一个环节对安全阀的质量的影响,按照国家标准做出相对应解决和改进措施。
通过对几个措施的利用,安全阀的维修、校验效率得到很大提高,提高功效3倍以上;提高修复安全阀率,从原来80%以下提高到98%以上,极大的节约了公司的设备备件采购成本;由于工艺的持续改进如对安全阀密封面进行超精研磨或镜面抛光,保证了现场特种设备的安全运行。
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