安全阀常见故障分析
【摘要】：随着国民经济的迅速发展，化工企业装置的规模越来越大，设备的大型化和密集度的不断加深，安全生产成为企业发展建设中不可忽视的大问题。尽管随着生产装置控制水平的提高，集散控制系统的普遍应用，从工艺控制上采用诸如超压报警、联锁停机等多种措施以确保装置的生产安全，发挥了很重要的作用。但是安全阀仍然是化工生产装置里锅炉、设备、压力容器和压力管道安全的主要设施之一，是生产装置安全保护措施的最后一道屏障。
本文从一名安全阀校验员和检修钳工的角度，主要描述了安全阀校验期间出现的常见故障及排除方法。从安全阀的工作原理、校验与故障排除等多个方面总结了几点在实际生产实践中的工作经验, 供安全阀使用单位及相关技术人员参考。
【关键词】：安全阀；校验；维修；故障；管理；单位换算
引言
按劳动部1992年文件《关于在用锅炉压力容器安全阀校验的若干意见》的规定，只有经资格认可的特种设备检验单位才可以从事安全阀的校验工作。随着社会经济技术进步，各企业在安全阀使用与修理校验管理方面已经相当规范，因此国家质监总局2006年颁布的TSGZF001—2006《安全阀安全技术监察规程》标准规定：有条件的安全阀使用单位可以自行进行安全阀的校验工作。这一新标准的颁布，为各安全阀使用单位开展安全阀修理与校验工作带来极为便利的条件。
以神华宁煤集团煤炭化学工业分公司为例，全公司有各种型式的安全阀近3000只，但因安全阀修理与校验工作繁琐，有资质的单位多不愿承担，在新标准颁布以前，找一家有资质的单位承担全公司安全阀校验工作对神华宁煤集团煤炭化学工业分公司的特种设备管理
人员来说非常困难，在新标准颁布以后，这个问题就非常容解决了，现在神华宁煤集团煤炭化学工业分公司购置了专门的安全阀校验设备，培训了安全阀校验技术人员，自行组织本公司安全阀的校验工作，对保证安全阀的完好状态，保障全公司工业锅炉、压力容器和压力管道等承压特种设备安全运行发挥了重要作用。现将2014年神华宁煤集团煤炭化学工业分公司安全阀的校验工作作一个简要的统计分析，对检验安全阀的主要工艺过程作简要介绍，对校验安全阀的过程中出现的常见故障及排除方法作汇总，对安全阀修理过程与校验实践归纳总结，供安全阀使用单位及相关技术人员参考。
一 2014年安全阀校验任务数据统计分析
我车间承担神华宁煤集团煤炭化学工业分公司化工园区各生产装置安全阀的校验任务，校验作业过程中发现出现不合格安全阀原因有多种。现将2014年神华宁煤集团煤炭化学工业分公司安全阀校验出现的不合格项目进行统计分析，目的是总结工作经验。
2014年神华宁煤集团煤炭化学工业分公司校验安全阀共计2133台，其中一次校验合格数量为1616台，经修理二次校验后合格的数量为216台，不合格数量为49台，不合格率为0.09%。
不合格的主要原因有：
1、工作压力高于密封试验压力；
2、波纹管损坏；
3、无铭牌或名牌标记不清；
4、 阀杆断裂；
5、安全阀附件不全；
6、密封面损坏或泄漏严重；
二 安全阀的工作原理
以下分别以弹簧直接载荷式安全阀和先导式安全阀为例，进一步说明安全阀的作用原理。
图1-1是弹簧直接载荷式安全阀的示意图。当被保护设备中（即安全阀进口处）介质处于正常工作压力时，弹簧载荷大于介质静压力对阀瓣的作用力，使阀门处于关闭状态。上述两个作用力的差值产生使阀瓣和阀座（统称为关闭件）密封面间相互压紧的力（即密封力）。只要这个密封力足够大（相对于由密封面及介质状况决定的必需密封力而言），就能阻止介质泄出，使阀门达到必要的密封性。如果介质压力升高，超过正常工作压力时，密封力就随之减小。小到一定程度时，介质开始泄出（称为“前泄”）。随着介质压力进一步升高，当介质对阀瓣的作用力同弹簧力达到平衡时，阀瓣开始脱离阀座而升起，称为“开启”。压力继续升高时，阀瓣达到设计的开启高度，作全量排放。只要阀门的排量足够大，设备中的压力就会降低。压力降低到一定程度时，阀门由于弹簧力的作用而重新关闭。
图1-1 弹簧直接载荷式安全阀示意图
先导式安全阀由主阀和导阀组成。导阀随设备介质压力的变化而动作，主阀则由导阀的驱动或控制而动作。图1-2是先导式安全阀的动作原理图。
当被保护系统处于正常运行状况时，导阀阀瓣处于关闭状态。系统压力从主阀进口通过导管和导阀传入主阀阀瓣（活塞）上方气室。由于活塞面积大于阀瓣密封面面积，系统压力对阀瓣产生一个向下的合力，使主阀处于关闭、密封状态。
图 1-2 先导式安全阀动作原理
当系统压力升高达到整定压力时，导阀开启，
同时滑阀向上移动
封闭导阀的进气通道。主阀阀瓣上方气室的介质经由打开的导阀排出，使主阀阀瓣上方压力降低。主阀阀瓣在进口压力的推动下打开而使系统卸压。
当系统压力降低到一定值时，导阀回座并带动顶杆顶开滑阀。系统压力再次通过导阀传入主阀阀瓣上方气室，并推动主阀阀瓣关闭。
三、校验与维修
安全阀校验的前提是，校验台应无泄漏并且校验介质必须清洁。因为校验介质中的固体或杂质会损坏安全阀的密封面。
一般情况下，对于气体和气化工况的安全阀，其校验介质应为空气或氮气；对液体工况的安全阀，校验介质为水。对蒸汽工况的阀门，最好应用蒸汽测试，但如果不能用蒸汽校验，也可以用空气或氮气测试。
用于安全阀校验的压力表必须经过检定。根据数据单或任务书或铭牌值选择压力表，所选的压力表应具有相对于安全阀设定压力值的足够量程，通常情况下选择开启压力值在量程的三分之一至三分之二之间的压力表，因为压力表的量程太大会影响精度，量程太小又容易损坏。
开始校验前，应观察气源压力是否大于开启压力1.5倍以上, 气源压力高些无妨, 但不能太低, 当气源压力较大的时候, 校验过程中加压时
1/4″(0.64cm)
1/2″(12.7cm)
90% of Set Pressure
图8
应缓慢些, 这样可避免安全阀突然起跳.
在安全阀校验过程中, 其出口不能对准自己或别人, 以免在起跳时发生危险。
3.1.1气泡法密封性能试验
根据API527标准的规定，安全阀密封性能测试采用气泡法进行，气泡法试验系统的布置图（图8）。除漏气引出管外径为5/16″（7.9mm ）外, 其出口端应平行于水面并低于水面1/2″（12.7mm ）。
密封性能试验程序如下： （1）升高安全阀进口压力，当压力达到设定压力的90%以上后，升压速度应低于0.01MPa/S，观察并记录安全阀的开启压力。
（2）降低安全阀进口压力，使阀门重新回到密封状态，然后在安全阀出口处装上作密封性能试验的盲板。
（3）调节安全阀的进口压力并使之保持在密封试验压力，观察和统计，以分钟为时间单位统计的气体泄漏率（水作为测试介质时，应以每小时水的泄漏率表示），计量泄露的气泡数从第一个气泡出现开始计数，取两分钟内的平均值。
表4 金属密封面安全阀的密封测试泄漏率参考表：
当用水作为试验介质时，水的泄漏率应不超过10cm 3/h，对于胶圈密封式的安全阀，不应出现任何泄漏现象。
五、安全阀常见故障、原因及其排除方法
安全阀选择或使用不当，会造成阀门故障。这些故障如不及时消除，则会影响安全阀的功能和寿命，甚至不能起到安全保护作用。
1、阀座泄漏
阀座泄漏是指在设备正常工作压力下，阀瓣与阀座密封面处发生超过允许程度的渗漏。在所有安全阀故障中，最常见、最有害的就是阀座泄漏，在我所经历的安全阀中，这种故障的发生率占安全阀故障的90%以上。阀座一旦泄漏，介质就会进入安全阀的二级压力区，介质就会腐蚀导向套和弹簧。如果不及时维修，泄漏将通过腐蚀扩展造成密封面损坏。原因及处理方法如下：
（1）脏物落到密封面上，可通过提升扳手或利用校验台对安全阀加压使安全阀开启几次，把脏物吹走。例如：在校验安全阀时，有些安全阀的出口是阀帽上的排气孔，对其调值后，安装阀帽时，丝扣胶的碎屑很容易掉到密封面周围，当再次试压时，碎屑就可能粘到密封面上，导致安全阀泄漏。这种情况下，就必须采取上述方法解决。
（2）密封面损伤。这种情况将在下文中单独阐述。
（3）弹簧松弛使开启压力降低并引起阀门泄漏。可能是由于高温或腐蚀等原因所造成。应根据原因采取更换弹簧，甚至调换阀门（如果属于选型不当的话）等措施。如果仅仅是由于调整不当引起，则只需把调节螺栓适当拧紧。
2、杂质损坏密封面
包在密封面之间的氧化皮、焊接飞溅物、结焦物或其他脏物都会
损坏密封面。安全阀在运行中经常发生这种损坏, 在维修时也可能发生。安装安全阀前一定要清洗系统的各个部分, 因此，校验安全阀必须使用清洁的介质。损坏的密封面一般通过研磨来校正。一般情况下，小洞眼或划伤只用研磨就能去除。损坏严重的在研磨前还需要机械加工。
在某些情况下，可以通过选择机构不同的安全阀来减轻安全阀阀座的泄漏。在可能的情况下，使用O 型圈软阀座可以最大限度地减少泄漏，从而消除由此引起的腐蚀和锈蚀问题。若不能使用软阀座安全阀或排放系统有腐蚀性介质，则可选用带波纹管式阀座的安全阀，以便隔离并保护导向套和阀门弹簧。
3、管道张力导致安全阀变形
过大的管道荷载或装配不当可能会使阀体产生变形或零件的同轴度遭到破坏，引起安全阀阀座泄漏。因此，在安装安全阀以及其入口管时，必须做到入口和排放管道妥善支撑并安装牢固，使强大的扭曲荷载不会传递到阀体上。
4、工作压力与设定压力太接近
安全阀开启压力与设备正常工作压力太接近，当安全阀受震动或介质压力波动时容易起跳，启跳次数过于频繁，会造成泄漏。应根据设备情况对开启压力进行适当的调整。烯烃公司气化车间1#气化炉F-23106安全阀，就因设定压力与工作压力太接近，并且在有背压的情况下使用了无背压的安全阀造成安全阀密封面经常损坏，经校验完毕后出具了整改意见通知书。
由于经研磨维修好的金属对金属密封的安全阀在大约低于设定压力10%或5PSI （取其大者）情况下，一般都能较好的密封，因此应维持设定压力和工作压力之间这一最低限度的压力差，以免造成密封面泄漏。
5、频跳和震颤
频跳：安全阀的阀瓣迅速异常地来回运动，在运动中阀瓣接触阀座。
震颤：安全阀的阀瓣迅速异常地来回运动，在运动中阀瓣不接触阀座。
频跳和震颤都会使安全阀在起跳后一旦有介质排放，其压降将使阀门立即关闭或趋于关闭。这种开、关循环发生的频率很高，可能造成严重的阀座损坏，有时甚至无法维修（当应该使用全启式安全阀的地方误用了微启式安全阀时就可能出现上述情况）。
产生频跳或震颤的可能原因如下：
（1）安全阀排放能力过大（相对于必须排量而言），及其尺寸过大。应使选用的安全阀的额定排量尽可能接近设备的必须排放量。
（2）进口管道口径太小或阻力太大。应使进口管内径不小于阀门进口通径或减少进口管道阻力。
（3）排放管道阻力过大。造成排放时过大的背压。应降低排放管道阻力。
（4）齿条调整不当，使回座压力过高。应重新调整齿条位置。
（5）弹簧刚度太大。应该用刚度较小的弹簧。
6、安全阀启闭不灵活
其主要原因及处理方法如下：
（1）齿条调节不当，导致安全阀开启过程拖长或回座迟缓。应重新加以调整。
（2）因内部运动零件有卡阻现象，这可能是由于装配不当，脏物混入或零件锈蚀等原因造成。应查明原因消除之。
（3）排放管阻力过大，排放时建立起较大背压，使阀门开启不足，应减小排气管道阻力。
7、开启压力值变化
安全阀调整好以后，其实际开启压力相对于整定值允许有一定的偏差（一般为±3%）。超出标准规定的允许范围则认为是不正常的。造成开启压力值变化的原因可能有：
（1）由于工作温度变化而引起 。例如，安全阀在常温下调整而用于高温下时，开启压力常常有所降低（这也是用于高温度介质的安全阀要进行热态校验的原因，烯烃公司动力一车间3#机4.2MPa 抽气管线的两个安全阀在冷态校验后，当锅炉进行调试时，又对其进行了热态校验）。这可以通过适当旋转调节螺栓来加以调节。但如果是属于选型不当导致弹簧腔室温度过高的话，则应调换适当型号的（例如，带散热片的散热式安全阀）安全阀。
（2）由于弹簧被腐蚀或老化所引起的，应更换弹簧。在介质具有强腐蚀性的场合，应选用表面包覆塑料或选用带波纹管隔离机构的安全阀。
（3）由于背压变动而引起的，当被压变化量较大时，应选用背压平衡式波纹管安全阀。
（4）由于内部运动零件有卡阻现象，应检查消除之。例如：若调节螺栓调整不恰当，可能造成提升装置和调节螺栓之间不应有的接触，进而导致开启压力偏高（从力学角度讲, 提升装置在安全阀开启时不能垂直开启，导致调节螺栓与提升装置之间的磨擦力增加）。通常，提升装置和调节螺栓之间至少要保持1/16″的空间，否则，可能会发生上述现象。
8、腐蚀
腐蚀很可能会使安全阀部件出现麻眼、麻洞、使阀门部件功能失效、使腐蚀后的产物堆积，使阀门材料普遍被蚀化。以我们的经验来看，在锅炉蒸汽管线及合成生产装置上的各系统中，水蒸汽和工艺介质加剧了安全阀阀体的腐蚀过程。
通常可以通过选择适当的阀门材料，或选择波纹管式密封使安全阀的弹簧、调节螺栓、阀杆和导向套表面与运行过程中的腐蚀物介质隔离等来控制腐蚀。
9、未固定好齿条
若齿条未固定或固定不牢固，当安全阀起跳时，齿条受振动上升，严重时可导致阀座无法密封，造成泄漏。
10、其他原因造成安全阀阀座泄漏
阀杆未对中、阀杆不能扶正、弹簧与弹簧垫片之间的间隙太大，或调整螺栓与弹簧垫圈之间、或阀杆与阀瓣支撑架之间、或阀杆与下
部弹簧垫圈之间的接合不好，都会造成阀座泄漏。所以应检查阀杆的平直度，弹簧与弹簧垫圈的安装要适当并使其成为一个正确的弹簧组件。
八、几点体会
现将几年来的安全阀的定检情况及工作实践提出建议，以便进一步搞好安全阀的校验工作：
1、安全阀定期校验的重要性
安全阀作为超压保护装置，必须具有良好的密封性、较高的灵敏度、足够的排放量以及极好的回座性能。安全阀在长期的使用过程中由于热应力和腐蚀介质等因素的作用，会使弹簧疲劳，阀瓣和阀座密封失灵，使安全阀误动作或泄漏。为确保安全阀在使用过程中有良好的性能，除了制造厂家保证质量外，做好安全阀定期校验工作是重要环节。
2、校验工作中发现以下主要问题：
1．严格区分安全阀的开启与泄漏。
在现行的大部分安全阀试验台上调试安全阀的开启压力，调试方法有二种，一种视觉，另一种是听觉，如观测压力表指针的变化，或听安全阀气体排出时发出的声音。对密封性较差的安全阀，用前一种方法有困难，往往用后一种方法。但由于阀的密封性差，在调试中安全阀未进入所需调整压力时，已发生气体泄漏排出，此时必须严格区分是开启还是属于泄漏，以免造成误检。
2．注意安全阀的公称压力、弹簧工作压力等级与开启压力是否匹配。
如：2013年9月份，烯烃公司丙烯车间送检的安全阀型号A48-1.6，其压力等级为1.3MPa ～1.6MPa ，而安装部位管线的最高工作压力仅
为0.54MPa ，在这种情况下就无法调试。
3．注意阀体与阀座联接处泄漏。
4．零部件残缺不全、密封面有裂纹和凹坑、严重腐蚀等缺陷有无维修价值。
九、结束语
【参考文献】：
[1] 安全阀安全技术监察规程[s]．TSGZF001—2006
[2] 弹簧直接栽荷式安全阀[s]．GB ／T12243—2005
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[4] 蒸汽锅炉安全技术监察规程[z]．北京：中国劳动出版社，1996
[5] 特种设备安全监察条例[z]．北京：中国法制出版社，2003
[6] 关于在用锅炉压力容器安全阀校验的若干意见[z]．劳办锅字[1992]l8号，1992
[7] 石智豪，压力容器安全操作技术，[M]．劳动部锅炉压力容器安全杂志社．1989