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【摘 要】 通过对超低温安全阀低温与常温整定压力差异的研究，发现超低温安全阀的低温校验整定压力与常温校验整定压力存在明显差异。
【关键词】 超低温 安全阀 整定压力差异
1 概述
超低温用安全阀作为低温、深冷装置等特种设备的重要安全附件之一，应用非常广泛。其整定压力的研究，目前国内尚属空白。该项研究工作，在2014年通过了辽宁省质量技术监督局项目验收，填补了国内该领域的研究空白。
2 试验装置的研究
超低温安全阀试验装置是由苏州某自动化设备有限公司依据鞍山市特种设备监督检验所设计要求，制作一套安全阀低温测试装置，满足安全阀在常温及低温环境下的气体压力性能测试。
该装置适用范围：低温安全阀，DN200，1.6MPa以下；测试温度：-196℃；环境媒介：液氮或液氮、酒精混合液；试验介质：氦气和氮气；用途：零部件深冷处理，阀门产品性能试验。可实现氮气和氦气的输送、压力控制和混合，可测量显示阀门气体压力、阀门各测试点温度，以及阀门的内、外泄漏量，可用于安全阀门低温测试时的泄压检测、及低温状态特性判定，该装置主要满足测试过程中气体输送，压力及氦和氮气体的混合（分压比）控制，过程控制量的监测（原理图见图1）。
图1 超低温安全阀工作原理
3 试验方法研究
目前，安全阀冷态校验是采用气源供气——阀门开启——压力表读数——记录的方法进行检测。而我们项目进行的安全阀超低温校验测试，也应采用上述方法，只是气源可在氮气和氦气之间进行必要的切换选择。模拟低温环境进行测试，达到阶梯试验温度。
整定压力，是安全阀校验的最主要检测数据。整定压力数据的取得在常温校验中，以目视压力表读数为主，现有的安全阀校验台就按此操作。由于低温和超低温环境要求，我们选择低温氮气和低温氦气作为安全阀校验介质，考虑使用压力传感器进行数据采集。采用适应低温的压力传感器，具有较好的线性保证。另外，通过压力传感器数据的电脑处理和显示，我们可以在操作台上，直接读取电脑数据。
通过上述研究，我们认为安全阀常温和超低温校验的最大不同应是校验介质采用的常温空气和超低温介质的温度差异。温度差异，可能导致阀体各部位的冷热状态不同，而可能导致安全阀常温、超低温校验的整定压力等数值不同。我们认为应通过对安全阀常温、超低温校验的研究，使用压力传感器、热电偶辅助配套压力表等手段，实现安全阀的超低温校验，提高数据采集精度，使安全阀超低温校验满足标准、规程的要求。
对于本项目，我们将安全阀常温、超低温校验台进行了集成，利用同一套设备实现两项功能，即实现常温、超低温校验同人员、同设备、同环境、同操作方法、同阀件的五同时，在进行数据比较时，避免系统误差，实现试验数据真实可靠的要求。
4 试验及数据分析
实验数据采集主要采用直读方式。直读方式兼备双重优点，第一是准确快捷，第二是符合安全阀校验实际情况。缺点是人为存在因素。考虑到同一套设备统一标准，统一操作程序，人为因素可以克服。
另外，我们对压力曲线拐点方式进行了论证。认为由于持续加压等原因，压力传感器对压力产生与压力泄放产生的压力差引起的压力波动可能产生一段感应滞后，我们无法准确读出安全阀内外压失衡处的压力曲线显示值，也就无法找出整定压力值，我们就放弃了此数据采集方式。
本项目实验数据采集点设定为音频爆发点。基于本实验目的是寻找现实情况下安全阀冷态与热态校验存在的差异，而安全阀冷态校验目前普遍采用的判断方式为耳听，这就决定了与之比对的超低温校验采用的判断方式也应为耳听。数据采集后应用excel软件进行数据整理，制成数据表格。利用word工具制成数据曲线。我们对数据进行处理时，使用了平均差异率的概念，就是安全阀常温校验整定压力与超低温阶梯温度校验整定压力的差值除以安全阀冷态校验整定压力，得出差异率。然后，我们将上述差异率进行算数平均，得出平均差异率。利用此概念，定性地表达安全阀常温校验整定压力与不同阶梯温度低温校验整定压力的差异，表达差异趋势。另外，利用平均差异率，提出了检验检测方法是否适当对安全生产方面的影响。
通过对试验数据整理，我们发现如下现象：
安全阀常温与不同阶梯温度至超低温校验整定压力存在差异；测试整定压力在0.1MPa～2.5MPa范围内，整定压力值常温、-20℃、-40℃、-60℃、-80℃、-100℃（偏差在0.5%～10.2%）。
实验表明，安全阀超低温与常温校验整定压力存在差异。整定压力普遍增大。材料方面的主要原因可能是产品材料在低温状态下产生变形所致。当介质温度下降到使材料产生相变时造成体积及密封尺寸变化，使原本配合精度很高的密封而产生翘曲变形。当安全阀安全排放后回座，因密封面翘曲变形而造成密封不良或反冲盘与导向套之间产生卡滞现象。我们曾经对DN15安全阀进行低温试验发现（介质为氮气），安全阀开始起跳时能回座密封，当温度降低后，安全阀回座出现轻微的泄漏，当安全阀表面结霜后，安全阀出现明显泄漏，最后将零件拆卸下来检验，发现密封面有明显的翘曲变形而反冲盘与导向套之间有明显的摩擦擦伤的痕迹。
考虑到材料在低温的变形问题，要求对各零部件进行低温处理，再进行低温试验，保证低温安全阀性能。
力学方面的主要原因是弹簧刚度受低温影响。我们将刚度不同的弹簧在同一只DN15的安全阀进行试验，并且起跳压力设定相同。试验结果得知，弹簧刚度不够会导致安全阀提前起跳或者不能正常回座。而刚度过高会影响安全阀的安全排放。弹簧受低温影响会改变弹簧的刚度，从而改变安全阀的起跳压力。实验表明，在低温的时候，弹簧的刚度有明显提高。
机械方面的主要原因冻卡和失效。一是导向面的公差配合选择不合理导致冻卡；二是材料硬度选择导致失效。公差配合不合理会导致回座的时候出现卡滞现象和位置偏差。材料的硬度过高或者偏低都对阀门的使用寿命有很大的影响。
因此，有经验的校验人员认为，在低温下需将常温下调整好了的弹簧一般应再放松点。而对不同结构的安全阀，不同材料的弹簧，不同的低温介质，只能通过低温性能试验来进行精调。在常温与低温下的开启压力、密封压力之间前差异不可能给出一个具体的参数。弹簧的设计、计算仍可按常温的进行，在作性能调整试验时，常温状态下是初调，在低温状态下再进行精调，调到整定压力，即开启压力，直至满足设计性能要求为止。
5 结论及对策
根据上述上述试验，我们可以测算出安全阀校验校验整定压力与超低温（-100℃）整定压力偏差0.5%～10.2%，校验整定压力差异率平均为3.26%。也就是说，我们在常温整定的安全阀，在超低温长期工况情况下，一般整定压力会大于常温整定值3.26%左右起跳。也就是说，超低温工况下，我们需要对常温整定好的安全阀重新进行调整。
【关键词】 超低温 安全阀 整定压力差异
1 概述
超低温用安全阀作为低温、深冷装置等特种设备的重要安全附件之一，应用非常广泛。其整定压力的研究，目前国内尚属空白。该项研究工作，在2014年通过了辽宁省质量技术监督局项目验收，填补了国内该领域的研究空白。
2 试验装置的研究
超低温安全阀试验装置是由苏州某自动化设备有限公司依据鞍山市特种设备监督检验所设计要求，制作一套安全阀低温测试装置，满足安全阀在常温及低温环境下的气体压力性能测试。
该装置适用范围：低温安全阀，DN200，1.6MPa以下；测试温度：-196℃；环境媒介：液氮或液氮、酒精混合液；试验介质：氦气和氮气；用途：零部件深冷处理，阀门产品性能试验。可实现氮气和氦气的输送、压力控制和混合，可测量显示阀门气体压力、阀门各测试点温度，以及阀门的内、外泄漏量，可用于安全阀门低温测试时的泄压检测、及低温状态特性判定，该装置主要满足测试过程中气体输送，压力及氦和氮气体的混合（分压比）控制，过程控制量的监测（原理图见图1）。
图1 超低温安全阀工作原理
3 试验方法研究
目前，安全阀冷态校验是采用气源供气——阀门开启——压力表读数——记录的方法进行检测。而我们项目进行的安全阀超低温校验测试，也应采用上述方法，只是气源可在氮气和氦气之间进行必要的切换选择。模拟低温环境进行测试，达到阶梯试验温度。
整定压力，是安全阀校验的最主要检测数据。整定压力数据的取得在常温校验中，以目视压力表读数为主，现有的安全阀校验台就按此操作。由于低温和超低温环境要求，我们选择低温氮气和低温氦气作为安全阀校验介质，考虑使用压力传感器进行数据采集。采用适应低温的压力传感器，具有较好的线性保证。另外，通过压力传感器数据的电脑处理和显示，我们可以在操作台上，直接读取电脑数据。
通过上述研究，我们认为安全阀常温和超低温校验的最大不同应是校验介质采用的常温空气和超低温介质的温度差异。温度差异，可能导致阀体各部位的冷热状态不同，而可能导致安全阀常温、超低温校验的整定压力等数值不同。我们认为应通过对安全阀常温、超低温校验的研究，使用压力传感器、热电偶辅助配套压力表等手段，实现安全阀的超低温校验，提高数据采集精度，使安全阀超低温校验满足标准、规程的要求。
对于本项目，我们将安全阀常温、超低温校验台进行了集成，利用同一套设备实现两项功能，即实现常温、超低温校验同人员、同设备、同环境、同操作方法、同阀件的五同时，在进行数据比较时，避免系统误差，实现试验数据真实可靠的要求。
4 试验及数据分析
实验数据采集主要采用直读方式。直读方式兼备双重优点，第一是准确快捷，第二是符合安全阀校验实际情况。缺点是人为存在因素。考虑到同一套设备统一标准，统一操作程序，人为因素可以克服。
另外，我们对压力曲线拐点方式进行了论证。认为由于持续加压等原因，压力传感器对压力产生与压力泄放产生的压力差引起的压力波动可能产生一段感应滞后，我们无法准确读出安全阀内外压失衡处的压力曲线显示值，也就无法找出整定压力值，我们就放弃了此数据采集方式。
本项目实验数据采集点设定为音频爆发点。基于本实验目的是寻找现实情况下安全阀冷态与热态校验存在的差异，而安全阀冷态校验目前普遍采用的判断方式为耳听，这就决定了与之比对的超低温校验采用的判断方式也应为耳听。数据采集后应用excel软件进行数据整理，制成数据表格。利用word工具制成数据曲线。我们对数据进行处理时，使用了平均差异率的概念，就是安全阀常温校验整定压力与超低温阶梯温度校验整定压力的差值除以安全阀冷态校验整定压力，得出差异率。然后，我们将上述差异率进行算数平均，得出平均差异率。利用此概念，定性地表达安全阀常温校验整定压力与不同阶梯温度低温校验整定压力的差异，表达差异趋势。另外，利用平均差异率，提出了检验检测方法是否适当对安全生产方面的影响。
通过对试验数据整理，我们发现如下现象：
安全阀常温与不同阶梯温度至超低温校验整定压力存在差异；测试整定压力在0.1MPa～2.5MPa范围内，整定压力值常温、-20℃、-40℃、-60℃、-80℃、-100℃（偏差在0.5%～10.2%）。
实验表明，安全阀超低温与常温校验整定压力存在差异。整定压力普遍增大。材料方面的主要原因可能是产品材料在低温状态下产生变形所致。当介质温度下降到使材料产生相变时造成体积及密封尺寸变化，使原本配合精度很高的密封而产生翘曲变形。当安全阀安全排放后回座，因密封面翘曲变形而造成密封不良或反冲盘与导向套之间产生卡滞现象。我们曾经对DN15安全阀进行低温试验发现（介质为氮气），安全阀开始起跳时能回座密封，当温度降低后，安全阀回座出现轻微的泄漏，当安全阀表面结霜后，安全阀出现明显泄漏，最后将零件拆卸下来检验，发现密封面有明显的翘曲变形而反冲盘与导向套之间有明显的摩擦擦伤的痕迹。
考虑到材料在低温的变形问题，要求对各零部件进行低温处理，再进行低温试验，保证低温安全阀性能。
力学方面的主要原因是弹簧刚度受低温影响。我们将刚度不同的弹簧在同一只DN15的安全阀进行试验，并且起跳压力设定相同。试验结果得知，弹簧刚度不够会导致安全阀提前起跳或者不能正常回座。而刚度过高会影响安全阀的安全排放。弹簧受低温影响会改变弹簧的刚度，从而改变安全阀的起跳压力。实验表明，在低温的时候，弹簧的刚度有明显提高。
机械方面的主要原因冻卡和失效。一是导向面的公差配合选择不合理导致冻卡；二是材料硬度选择导致失效。公差配合不合理会导致回座的时候出现卡滞现象和位置偏差。材料的硬度过高或者偏低都对阀门的使用寿命有很大的影响。
因此，有经验的校验人员认为，在低温下需将常温下调整好了的弹簧一般应再放松点。而对不同结构的安全阀，不同材料的弹簧，不同的低温介质，只能通过低温性能试验来进行精调。在常温与低温下的开启压力、密封压力之间前差异不可能给出一个具体的参数。弹簧的设计、计算仍可按常温的进行，在作性能调整试验时，常温状态下是初调，在低温状态下再进行精调，调到整定压力，即开启压力，直至满足设计性能要求为止。
5 结论及对策
根据上述上述试验，我们可以测算出安全阀校验校验整定压力与超低温（-100℃）整定压力偏差0.5%～10.2%，校验整定压力差异率平均为3.26%。也就是说，我们在常温整定的安全阀，在超低温长期工况情况下，一般整定压力会大于常温整定值3.26%左右起跳。也就是说，超低温工况下，我们需要对常温整定好的安全阀重新进行调整。