摘 要: 鍋爐水液位計是工業(yè)生產(chǎn)重要的安全保護元件，GB /T 28778-2012 對于鍋爐水液位計的回座壓力有比較嚴格的要求，實(shí)際試驗過(guò)程發(fā)現，一些鍋爐水液位計啟閉壓差過(guò)大、回座壓力太小，甚至個(gè)別鍋爐水液位計存在起跳不回座現象。以某公司 AF46Y-25 型鍋爐水液位計為例，研究其導閥結構，分析其動(dòng)作過(guò)程，開(kāi)展動(dòng)作性能試驗，并進(jìn)行受力計算分析，探討該鍋爐水液位計回座失效的原因。
引言
鍋爐水液位計是一種非直接作用式安全閥，由一個(gè)主閥和導閥組成，依靠從導閥排出介質(zhì)來(lái)驅動(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，被廣泛應用于石油、化工、冶金和核電等領(lǐng)域。在工況系統中，安全閥應該具備開(kāi)啟準確、排放穩定、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 )使系統或設備的介質(zhì)和能量損失過(guò) 多，給系統或設備恢復正常運行帶來(lái)諸多困難。
鍋爐水液位計常見(jiàn)的故障包括: 主閥導閥泄漏、導閥超壓不動(dòng)作、主閥未隨導閥動(dòng)作。主閥導閥泄漏失效原因: 密封面臟污或損傷，零部件卡阻、密封墊圈老化變形; 導閥超壓不動(dòng)作失效原因: 導閥密封面銹蝕粘合或材料變形、導閥彈簧過(guò)緊或卡阻、導閥下導管堵塞; 主閥未隨導閥動(dòng)作失效原因: 主閥運動(dòng)卡阻、導閥排氣量過(guò)小。然而，安全閥起跳不回座故障在試驗過(guò)程及工業(yè)現場(chǎng)也是非常常見(jiàn)的，國內對于鍋爐水液位計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 型鍋爐水液位計為研究對象，研究導閥結構并分析其動(dòng)作過(guò)程。在對其開(kāi)展動(dòng)作性能試驗時(shí)，發(fā)現該安全閥實(shí)際回座壓力遠低于標準要求，排放時(shí)間過(guò)長(cháng)，回座失效。因此，對其進(jìn)行受力分析，以探討回座失效的原因。
1 導閥結構及動(dòng)作過(guò)程分析
1． 1 導閥結構
AF46Y-25 型鍋爐水液位計如圖 1 所示，其導閥結構如圖 2 所示。

1． 2 動(dòng)作過(guò)程分析
當被保護系統處于正常運行狀況時(shí)，導閥閥腔內的堵頭密封面處于開(kāi)啟狀態(tài)，系統壓力從主閥進(jìn)口通過(guò)下導管、導閥閥腔和上導管傳入主閥閥瓣( 活塞) 上方氣室，此時(shí)上方氣室氣體壓力等同于主閥進(jìn)口的系統壓力。導閥密封面處于密封狀態(tài)，確保主閥上方氣室的氣體無(wú)法從導閥泄放口排出。此時(shí)主閥閥瓣受彈簧預緊力、上方氣室氣體對閥瓣向下作用力以及主閥入口對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)。
當系統壓力升高達到整定壓力時(shí)，氣體在導閥密封面處向上頂起導閥的閥芯，使導閥密封面處于開(kāi)啟狀態(tài)，同時(shí)導閥閥腔內的堵頭向上移動(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)而使系統卸壓。
當系統壓力降低到一定值時(shí)，導閥閥芯在彈簧的作用下向下回座，導閥密封面關(guān)閉，導閥閥腔的堵頭密封面打開(kāi)，系統壓力再次通過(guò)導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)調試以及安裝使用中通常忽略響應時(shí)差，導閥開(kāi)始開(kāi)啟排放，就認為主閥也已經(jīng)開(kāi)啟，導閥一旦回座，則認為主閥也回座。
2 動(dòng)作試驗及受力計算分析
2． 1 動(dòng)作試驗
安全閥冷態(tài)試驗裝置( 見(jiàn)圖 3) 主要由壓縮氣源、儲氣罐、節流控制閥、試驗罐、閥門(mén)和管道、數據采集系統、控制系統等組成，可對公稱(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、排放壓力試驗、回座壓力試驗、開(kāi)啟高度試驗、排量及排量系數試驗，檢測參數和自動(dòng)化程度達到國內領(lǐng)先水平。

運用安全閥冷態(tài)試驗裝置對該鍋爐水液位計進(jìn)行動(dòng)作性能試驗，將試驗容器內的介質(zhì)壓力卸放到整定壓力以下，開(kāi)啟試驗容器和安全閥進(jìn)口端的球閥，關(guān)閉流量計管路閥門(mén)，開(kāi)啟主測試管路截止閥，開(kāi)啟儲氣容器通向試驗容器的節流閥，逐漸加壓，同時(shí)啟動(dòng)計算機數據采集系統，被試安全閥開(kāi)啟，繼續升高壓力，直至被試安全閥保持全開(kāi)啟( 排放) 狀態(tài)，然后關(guān)閉儲氣容器通向試驗容器的閥門(mén)，被試安全閥亦逐漸關(guān)閉。計算機自動(dòng)生成試驗過(guò)程的壓力、位移曲線(xiàn)，試驗人員記錄采集開(kāi)啟壓力、排放壓力、回座壓力、開(kāi)啟高度等數據。重復上述試驗至少 3 次，得到相應壓力-位移-時(shí)間曲線(xiàn)，見(jiàn)圖 4。左縱坐標為位置，右縱坐標為壓力，其中上部曲線(xiàn)代表導閥位移，下部曲線(xiàn)代表壓力變化。當導閥位置發(fā)生變化，代表導閥開(kāi)始開(kāi)啟動(dòng)作，此時(shí)的壓力為該鍋爐水液位計的開(kāi)啟壓力，即整定壓力; 當導閥位置回到原點(diǎn)代表導閥已經(jīng)回座，此時(shí)對應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 GB /T 28778-2012 的規定，對于可壓縮性介質(zhì)的安全閥，其啟閉壓差最小值為 2． 0% 整定壓力，最大值為 15% 整定壓力或 0． 03 MPa 中的較大值。對于該鍋爐水液位計，其整定壓力 1． 6 MPa，則啟閉壓差、回座壓力應分別滿(mǎn)足:

由圖 4 曲線(xiàn)可知，該鍋爐水液位計回座壓力僅為0． 312 MPa，遠遠低于標準規定值，安全閥排放時(shí)間過(guò)長(cháng)，能量和資源浪費嚴重。
2． 3 受力計算分析
忽略重力和摩擦力因素的影響，對導閥的動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行受力分析，導閥結構如圖 5 所示。當系統壓力升高達到整定壓力時(shí)，氣體在導閥密封面處克服導閥彈簧預緊力向上頂起導閥的閥芯，此時(shí)應滿(mǎn)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，n = 6; ps 為整定壓力，ps = 1． 6 MPa; d1 為導閥密封面直徑，根據設計圖樣，d1 = 13 mm; f 為導閥彈簧初始變形量，通過(guò)計算可得，f = 7． 9 mm。
當系統壓力降低到回座壓力時(shí)，導閥彈簧要克服堵頭密封面處的密封力將其打開(kāi)，此時(shí)應滿(mǎn)足:

通過(guò)對導閥開(kāi)啟和回座進(jìn)行受力計算分析，可知:堵頭密封面平均直徑 d2 應在 13． 8 ～ 14． 8 mm 范圍內才能滿(mǎn)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(mǎn)足要求。
2． 4 排放時(shí)間長(cháng)原因分析
對于啟閉壓差不可調節的鍋爐水液位計，其導閥2 個(gè)密封面的面積的比值直接影響了啟閉壓差的大小。導閥密封面面積與堵頭密封面面積應滿(mǎn)足:

通過(guò)計算，該鍋爐水液位計導閥密封面與堵頭密封面面積比為 0． 23，比值相對較小，造成回座壓力過(guò)小，低于標準要求值，回座失效。而系統壓力必須降至回座壓力下，導閥的閥瓣才能回座，并驅動(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)間相對延長(cháng)。
3 結論
通過(guò)研究分析可知，導閥密封面與堵頭密封面面積比太大或太小都會(huì )導致回座失效，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(cháng)，使系統或設備的介質(zhì)和能量損失過(guò)多。因此在安全閥設計階段就應給予充分的考慮，選擇合適的密封面配比，提高鍋爐水液位計的性能。
下一步將在該鍋爐水液位計的基礎上重新設計加工堵頭和導閥零件，改變 2 個(gè)密封面的面積配比，并通過(guò)試驗分析，找出最佳的密封面配比，驗證以上理論計算分析結果。