摘 要: 鍋爐水液位計(jì)是工業(yè)生產(chǎn)重要的安全保護(hù)元件，GB /T 28778-2012 對(duì)于鍋爐水液位計(jì)的回座壓力有比較嚴(yán)格的要求，實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，一些鍋爐水液位計(jì)啟閉壓差過(guò)大、回座壓力太小，甚至個(gè)別鍋爐水液位計(jì)存在起跳不回座現(xiàn)象。以某公司 AF46Y-25 型鍋爐水液位計(jì)為例，研究其導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)，分析其動(dòng)作過(guò)程，開(kāi)展動(dòng)作性能試驗(yàn)，并進(jìn)行受力計(jì)算分析，探討該鍋爐水液位計(jì)回座失效的原因。
引言
鍋爐水液位計(jì)是一種非直接作用式安全閥，由一個(gè)主閥和導(dǎo)閥組成，依靠從導(dǎo)閥排出介質(zhì)來(lái)驅(qū)動(dòng)或控制主閥啟閉，適用于高背壓、大口徑、大流量和安裝位置緊湊的工況，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金和核電等領(lǐng)域。在工況系統(tǒng)中，安全閥應(yīng)該具備開(kāi)啟準(zhǔn)確、排放穩(wěn)定、回座及時(shí)和密封可靠等性能。若安全閥回座壓力過(guò)高，啟閉壓差太小，會(huì)使閥門(mén)發(fā)生頻跳，不利于關(guān)閉后重新建立密封; 若回座壓力過(guò)小，啟閉壓差太大，則會(huì)使系統(tǒng)或設(shè)備的介質(zhì)和能量損失過(guò) 多，給系統(tǒng)或設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行帶來(lái)諸多困難。
鍋爐水液位計(jì)常見(jiàn)的故障包括: 主閥導(dǎo)閥泄漏、導(dǎo)閥超壓不動(dòng)作、主閥未隨導(dǎo)閥動(dòng)作。主閥導(dǎo)閥泄漏失效原因: 密封面臟污或損傷，零部件卡阻、密封墊圈老化變形; 導(dǎo)閥超壓不動(dòng)作失效原因: 導(dǎo)閥密封面銹蝕粘合或材料變形、導(dǎo)閥彈簧過(guò)緊或卡阻、導(dǎo)閥下導(dǎo)管堵塞; 主閥未隨導(dǎo)閥動(dòng)作失效原因: 主閥運(yùn)動(dòng)卡阻、導(dǎo)閥排氣量過(guò)小。然而，安全閥起跳不回座故障在試驗(yàn)過(guò)程及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)也是非常常見(jiàn)的，國(guó)內(nèi)對(duì)于鍋爐水液位計(jì)起跳不回座失效分析的相關(guān)研究較少。本研究以某公司生產(chǎn)的 AF46Y-25 型鍋爐水液位計(jì)為研究對(duì)象，研究導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)并分析其動(dòng)作過(guò)程。在對(duì)其開(kāi)展動(dòng)作性能試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)該安全閥實(shí)際回座壓力遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，排放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，回座失效。因此，對(duì)其進(jìn)行受力分析，以探討回座失效的原因。
1 導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)及動(dòng)作過(guò)程分析
1． 1 導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)
AF46Y-25 型鍋爐水液位計(jì)如圖 1 所示，其導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

1． 2 動(dòng)作過(guò)程分析
當(dāng)被保護(hù)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀況時(shí)，導(dǎo)閥閥腔內(nèi)的堵頭密封面處于開(kāi)啟狀態(tài)，系統(tǒng)壓力從主閥進(jìn)口通過(guò)下導(dǎo)管、導(dǎo)閥閥腔和上導(dǎo)管傳入主閥閥瓣( 活塞) 上方氣室，此時(shí)上方氣室氣體壓力等同于主閥進(jìn)口的系統(tǒng)壓力。導(dǎo)閥密封面處于密封狀態(tài)，確保主閥上方氣室的氣體無(wú)法從導(dǎo)閥泄放口排出。此時(shí)主閥閥瓣受彈簧預(yù)緊力、上方氣室氣體對(duì)閥瓣向下作用力以及主閥入口對(duì)閥瓣向上的作用力合力的作用，該合力方向向下，使主閥處于關(guān)閉、密封狀態(tài)。
當(dāng)系統(tǒng)壓力升高達(dá)到整定壓力時(shí)，氣體在導(dǎo)閥密封面處向上頂起導(dǎo)閥的閥芯，使導(dǎo)閥密封面處于開(kāi)啟狀態(tài)，同時(shí)導(dǎo)閥閥腔內(nèi)的堵頭向上移動(dòng)，堵頭密封面處于密封狀態(tài)。主閥閥瓣上方氣室的介質(zhì)經(jīng)由打開(kāi)的導(dǎo)閥密封面排出，使主閥閥瓣上方壓力降低。主閥閥瓣在進(jìn)口壓力的推動(dòng)下打開(kāi)而使系統(tǒng)卸壓。
當(dāng)系統(tǒng)壓力降低到一定值時(shí)，導(dǎo)閥閥芯在彈簧的作用下向下回座，導(dǎo)閥密封面關(guān)閉，導(dǎo)閥閥腔的堵頭密封面打開(kāi)，系統(tǒng)壓力再次通過(guò)導(dǎo)閥閥腔傳入主閥閥瓣上方氣室，并推動(dòng)主閥閥瓣關(guān)閉。在安全閥生產(chǎn)調(diào)試以及安裝使用中通常忽略響應(yīng)時(shí)差，導(dǎo)閥開(kāi)始開(kāi)啟排放，就認(rèn)為主閥也已經(jīng)開(kāi)啟，導(dǎo)閥一旦回座，則認(rèn)為主閥也回座。
2 動(dòng)作試驗(yàn)及受力計(jì)算分析
2． 1 動(dòng)作試驗(yàn)
安全閥冷態(tài)試驗(yàn)裝置( 見(jiàn)圖 3) 主要由壓縮氣源、儲(chǔ)氣罐、節(jié)流控制閥、試驗(yàn)罐、閥門(mén)和管道、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，可對(duì)公稱(chēng)壓力 PN≤20 MPa，公稱(chēng)通徑 DN≤150 mm 的安全閥進(jìn)行整定壓力試驗(yàn)、排放壓力試驗(yàn)、回座壓力試驗(yàn)、開(kāi)啟高度試驗(yàn)、排量及排量系數(shù)試驗(yàn)，檢測(cè)參數(shù)和自動(dòng)化程度達(dá)到國(guó)內(nèi)**水平。

運(yùn)用安全閥冷態(tài)試驗(yàn)裝置對(duì)該鍋爐水液位計(jì)進(jìn)行動(dòng)作性能試驗(yàn)，將試驗(yàn)容器內(nèi)的介質(zhì)壓力卸放到整定壓力以下，開(kāi)啟試驗(yàn)容器和安全閥進(jìn)口端的球閥，關(guān)閉流量計(jì)管路閥門(mén)，開(kāi)啟主測(cè)試管路截止閥，開(kāi)啟儲(chǔ)氣容器通向試驗(yàn)容器的節(jié)流閥，逐漸加壓，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，被試安全閥開(kāi)啟，繼續(xù)升高壓力，直至被試安全閥保持全開(kāi)啟( 排放) 狀態(tài)，然后關(guān)閉儲(chǔ)氣容器通向試驗(yàn)容器的閥門(mén)，被試安全閥亦逐漸關(guān)閉。計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成試驗(yàn)過(guò)程的壓力、位移曲線，試驗(yàn)人員記錄采集開(kāi)啟壓力、排放壓力、回座壓力、開(kāi)啟高度等數(shù)據(jù)。重復(fù)上述試驗(yàn)至少 3 次，得到相應(yīng)壓力-位移-時(shí)間曲線，見(jiàn)圖 4。左縱坐標(biāo)為位置，右縱坐標(biāo)為壓力，其中上部曲線代表導(dǎo)閥位移，下部曲線代表壓力變化。當(dāng)導(dǎo)閥位置發(fā)生變化，代表導(dǎo)閥開(kāi)始開(kāi)啟動(dòng)作，此時(shí)的壓力為該鍋爐水液位計(jì)的開(kāi)啟壓力，即整定壓力; 當(dāng)導(dǎo)閥位置回到原點(diǎn)代表導(dǎo)閥已經(jīng)回座，此時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力即為回座壓力。

2． 2 技術(shù)要求
安全閥啟閉壓差為整定壓力與回座壓力之差，即: △pb1 = ps － ph根據(jù) GB /T 28778-2012 的規(guī)定，對(duì)于可壓縮性介質(zhì)的安全閥，其啟閉壓差*小值為 2． 0% 整定壓力，*大值為 15% 整定壓力或 0． 03 MPa 中的較大值。對(duì)于該鍋爐水液位計(jì)，其整定壓力 1． 6 MPa，則啟閉壓差、回座壓力應(yīng)分別滿足:

由圖 4 曲線可知，該鍋爐水液位計(jì)回座壓力僅為0． 312 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，安全閥排放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，能量和資源浪費(fèi)嚴(yán)重。
2． 3 受力計(jì)算分析
忽略重力和摩擦力因素的影響，對(duì)導(dǎo)閥的動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行受力分析，導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。當(dāng)系統(tǒng)壓力升高達(dá)到整定壓力時(shí)，氣體在導(dǎo)閥密封面處克服導(dǎo)閥彈簧預(yù)緊力向上頂起導(dǎo)閥的閥芯，此時(shí)應(yīng)滿足:


其 中: G 為彈簧材料切變模量，彈 簧 材 料 為60Si2MnA，G = 78． 5*103 MPa; d 為彈簧材料直徑， d = 4 mm; D 為彈簧中徑，D = 25 mm; n 彈簧有效圈數(shù)，n = 6; ps 為整定壓力，ps = 1． 6 MPa; d1 為導(dǎo)閥密封面直徑，根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣，d1 = 13 mm; f 為導(dǎo)閥彈簧初始變形量，通過(guò)計(jì)算可得，f = 7． 9 mm。
當(dāng)系統(tǒng)壓力降低到回座壓力時(shí)，導(dǎo)閥彈簧要克服堵頭密封面處的密封力將其打開(kāi)，此時(shí)應(yīng)滿足:

通過(guò)對(duì)導(dǎo)閥開(kāi)啟和回座進(jìn)行受力計(jì)算分析，可知:堵頭密封面平均直徑 d2 應(yīng)在 13． 8 ～ 14． 8 mm 范圍內(nèi)才能滿足其回座壓力的要求。而實(shí)際堵頭密封面直徑d2 = 27 mm，無(wú)法滿足要求。
2． 4 排放時(shí)間長(zhǎng)原因分析
對(duì)于啟閉壓差不可調(diào)節(jié)的鍋爐水液位計(jì)，其導(dǎo)閥2 個(gè)密封面的面積的比值直接影響了啟閉壓差的大小。導(dǎo)閥密封面面積與堵頭密封面面積應(yīng)滿足:

通過(guò)計(jì)算，該鍋爐水液位計(jì)導(dǎo)閥密封面與堵頭密封面面積比為 0． 23，比值相對(duì)較小，造成回座壓力過(guò)小，低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，回座失效。而系統(tǒng)壓力必須降至回座壓力下，導(dǎo)閥的閥瓣才能回座，并驅(qū)動(dòng)主閥閥瓣關(guān)閉，使安全閥停止排放。由于安全閥啟跳壓力為整定值，回座壓力過(guò)小，必然使安全閥啟跳壓力與回座壓力差值增大，安全閥排放時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)。
3 結(jié)論
通過(guò)研究分析可知，導(dǎo)閥密封面與堵頭密封面面積比太大或太小都會(huì)導(dǎo)致回座失效，若面積比太大，則回座壓力過(guò)高，啟閉壓差太小，容易使閥門(mén)發(fā)生頻跳;反之，面積比太小則會(huì)使回座壓力過(guò)小，啟閉壓差太大，安全閥排放時(shí)間太長(zhǎng)，使系統(tǒng)或設(shè)備的介質(zhì)和能量損失過(guò)多。因此在安全閥設(shè)計(jì)階段就應(yīng)給予充分的考慮，選擇合適的密封面配比，提高鍋爐水液位計(jì)的性能。
下一步將在該鍋爐水液位計(jì)的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)加工堵頭和導(dǎo)閥零件，改變 2 個(gè)密封面的面積配比，并通過(guò)試驗(yàn)分析，找出*佳的密封面配比，驗(yàn)證以上理論計(jì)算分析結(jié)果。