安全阀在线校验中密封面积的计算方法探讨

姚 杰，阮受唱

（中广核核电运营有限公司，广东深圳 518000）

0 引言

目前安全阀在线校验技术已运用于诸多电站的安全阀整定值工作，主要用于安全阀整定值的在线标定，其优点是整个校验过程是在接近真实的系统条件下进行的，最终校验结果较离线校验结果更准确。

在线校验的基本原理是：利用液压提升力克服阀门弹簧力，施加的提升力被测力元件测量下来，除以密封面积，得出来的压力值（压强）等效成提升压力，加上当时的系统压力，得到该安全阀的压力整定值（图1）。在线校验中，安全阀阀瓣受力可以用式（1）表达：

式中 Pt——压力整定值，Pa

Pv——试验时的系统压力，Pa

Fw——液压装置提供的提升力，N

S——安全阀密封面积，mm2

由上式可知，只要通过测力元件准确地测定提升力Fw，就可以根据密封面积S 和系统压力Pv，求得安全阀的压力整定值Pt。而提升力可以通过液压装置的力传感器测得，试验时的系统压力可以通过压力传感器或压力表读数获得，只有密封面积缺乏精确有效的测量手段。

1 密封面积的计算方法

安全阀在线校验中的密封面积没有直接的测量手段来精确测量，只有采用间接方法计算得到，故一般把该面积称为等效密封面积。

目前比较常用的等效密封面积计算方法有4 种：中径计算法，压力线性分布计算法，压力差异计算法和整定值差异计算法。

1.1 中径计算法

中径计算法认为密封面的中径对应的面积即为等效密封面积，实际操作时分别测量阀瓣的内径、外径与阀座的内径、外径，然后选取内径大值和外径小值，作为阀瓣、阀座接触面积的内径和外径，则等效密封面积计算如下：

图1 在线校验过程中安全阀阀瓣的受力

式中 S——等效密封面积，mm2

d——等效密封中径，mm

d1——阀瓣内径与阀座内径两者中的大值，mm

d2——阀瓣外径与阀座外径两者中的小值，mm

r1——阀瓣内半径与阀座内半径两者中的大值，mm

r2——阀瓣外半径与阀座外半径两者中的小值，mm

1.2 压力线性分布计算法

对于背压平衡式安全阀，阀瓣、阀座接触密封面内侧边界的压力为系统压力，而外侧边界的压力仅为大气压（即未受到系统压力），且通常接触密封面的宽度很小，则在这狭窄的区间里可以假设接触密封面上的压力分布为线性分布（图2）。因此可以得到式（3）：

图2 系统压力线性分布示意

式中 Pv——系统压力，Pa

S——等效密封面积，mm2

r1——阀瓣内半径与阀座内半径两者中的大值，mm

r2——阀瓣外半径与阀座外半径两者中的小值，mm

Pr——半径在r1和r2之间微型积分区域的压力，Pa

Sr——半径在r1和r2之间微型积分区域的面积，mm2

根据前述边界条件和压力线性分布的假设，可推导出：

1.3 压力差异计算法

该计算法在两个不同的系统压力条件下，分别对安全阀进行校验，得到相应的提升力和压力整定值。根据在线校验的基本原理可得：Pv1+Fw1/S=Pt1；Pv2+Fw2/S=Pt2。

其中，Pv1与Pv2为两个不同的系统压力；Fw1与Fw2分别对应两个系统压力需要的提升力；Pt1与Pt2分别对应两个系统压力得到的压力整定值。

由于安全阀整定值未做调整，则Pt1=Pt2，所以S=（Fw2-Fw1）/（Pv1-Pv2）。

1.4 整定值差异计算法

对于调整性能较好的安全阀，由于其调节螺钉的转动角度对应整定值的变化量为常数（该值和弹簧性能相关，一般由阀门生产厂家提供），故可用整定值差异计算法来计算等效密封面积。

该计算方法在系统压力不变的情况下，改变安全阀的整定值（通过旋转调节螺钉实现），得到相应的提升力。根据在线校验的基本原理可得：Pv+Fw1/S=Pt1；Pv+Fw2/S=Pt2。

其中，Pv为试验时的系统压力；Pt1与Pt2分别表示改变前后不同的整定值；Fw1与Fw2分别对应两个整定值需要的提升力。

假设调节螺钉的转动角度对应整定值的变化量为常数ΔP，则Pt2=Pt1+ΔP，可得S=（Fw2-Fw1）/ΔP。

2 4 种密封面积计算方法的优缺点

上述介绍的4 种密封面积的计算方法各有优缺点，选用合理的等效密封面积计算方法直接决定了安全阀压力整定值的准确性。

2.1 中径计算法和压力线性分布计算法的优缺点

中径计算法和压力线性分布计算法适用的前提条件是必须知道安全阀阀瓣、阀座的内外径尺寸（r1值和r2值）。该尺寸可以由阀门生产厂家提供，也可以自行解体阀门进行测量。无论使用哪种方法获得，该尺寸均为在常温常压下的零件尺寸（简称为“离线尺寸”），但是安全阀的工作环境均在高温或高压条件下，考虑由温差引起的尺寸差异，及由压差引起的结构变形和应力变化，造成了实际密封面积和等效密封面积形成差异。该种差异相对于刚性阀瓣影响非常小（通常只有材料因温差影响而形成的轻微尺寸变形），但是相较于柔性阀瓣，由于其结构的独特性，在不同的温度和压力环境下产生差异性的柔性变形，导致其密封面积在不同工况下产生巨大的变化。

通过式（2）和式（3）可以看出，两种算法的假设条件是阀瓣、阀座接触形成的接触密封面是一个完整的环形面，且系统压力在接触密封面上呈规律性分布（中径计算法假设了系统压力在接触密封面内半环上呈无压降均匀分布，压力线性分布计算法假设了系统压力在整个接触密封面上的压降呈线性分布），但实际情况是，由于加工精度、装配精度、温差变化、压差变化、系统扰动、杂质干扰等因素的影响，阀瓣、阀座间形成的接触密封面并不是一个完整环形面，从而真实密封面积和等效密封面积有所差异。为了降低这些因素的影响，则需要降低假设条件中接触密封面积相对于等效密封面积的比值，因此阀瓣、阀座的尺寸越大（r1、r2越大），接触面积越窄，则两种算法的精度越高。

此外，中径计算法和压力线性分布计算法之间也存在一定的偏差。假设中径计算法得出的等效密封面积为S1，压力线性分布计算法得出的等效密封面积为S2，得出两者间的偏差为：

由式（5）可以得出，阀瓣、阀座的尺寸越大，接触面积越窄，则两种算法的偏差就越小；反之，尺寸越小、接触面积越宽，则两种算法的偏差就越大。

中径计算法和压力线性分布计算法作为带有刚性阀瓣安全阀校验比较常用的密封面积计算方法，优点在于操作简便，尺寸测量工作完全离线进行，因此对系统或设备没有额外的要求，因此也不会对安全阀上下游设备产生影响。

2.2 压力差异计算法和整定值差异计算法优缺点

压力差异计算法和整定值差异计算法的优点在于，可在阀瓣、阀座尺寸未知的情况下进行等效密封面积的测算及安全阀的在线校验。同时，由于这两种算法均是在接近阀门实际工况的情况下进行，因此基本排除了阀瓣结构、加工精度、装配精度、温差变化、压差变化、系统扰动、杂质干扰等因素的影响，测算得到的等效密封面积与真实密封面积非常相近。

压力差异计算法的缺点在于需要在短时间内进行系统压力的改变，同时需要系统压力的改变达到一定的精度并维持稳定。系统压力的调整往往牵涉到诸多设备的调整和运行工况改变，存在一定的系统性风险。

整定值差异计算法虽然不要改变系统的压力，但是在校验过程中需要改变安全阀整定值，可能会导致安全阀因整定值超差而短时不可用，因此需要根据实际工况进行评估，或者具有冗余设备来代替整定值被改变的安全阀。其次，该计算法的使用还必须满足一个重要的前提条件，即安全阀在调整区间内具有良好的调节性能（即调节螺钉转动固定的角度对应的安全阀整定值的变化量为常数）。

中径计算法和压力线性分布计算法均可以通过多次试验取平均值的方法来提高密封面积的测算精度。但是多次动作安全阀，具有一定的潜在风险，例如：在阀门开关过程中密封面夹杂异物造成内漏，弹簧过热造成短时定值漂移影响测算精度等。

3 结束语

根据本文论述的安全阀在线校验时4 种密封面积的计算方法及优缺点对比分析，中径计算法和压力线性分布计算法操作简单，对系统没有特殊要求，但是精度略低，只适用于刚性阀瓣的安全阀；压力差异计算法和整定值差异计算法的测算精度高，不受阀瓣结构、压力变化等因素的干扰，但是对系统要求或阀门性能有特殊要求。选取合适的计算方法，对于确保安全阀整定值的精度、提高安全阀的可靠性至关重要。