通過對超(超) 臨界火電機組鍋爐安全閥的高參數(shù)、高性能要求特點的分析，結(jié)合安全閥產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對安全閥試驗的要求，對火電機組鍋爐安全閥在產(chǎn)品研發(fā)階段、產(chǎn)品生產(chǎn)階段的試驗項目和試驗方案進(jìn)行了論證和探討。

1、概述

　　超( 超) 臨界火電機組鍋爐安全閥的特點是高參數(shù)和高性能指標(biāo)。過熱器和再熱器安全閥的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)按ASME-I，啟閉壓差和密封壓力的性能指標(biāo)要求高。在火電機組過熱器和再熱器安全閥的研制過程中，首先要解決閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計，合理配置彈簧剛度，使閥門的性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求。其次應(yīng)選擇合適的高溫材料制造閥門的零部件，使閥門能滿足相應(yīng)工作溫度的要求。最后進(jìn)行閥門驗證試驗，考核閥門的各項性能指標(biāo)是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求。

2、試驗規(guī)定分析

　　(1) 試驗項目

　　超(超) 臨界火電機組鍋爐蒸汽安全閥試驗介質(zhì)為飽和蒸汽。蒸汽安全閥使用飽和蒸汽作為試驗介質(zhì)，其動作性能和排量可通過試驗得到驗證，但閥門高溫下的性能卻無法驗證，特別是溫度引起的熱脹冷縮對閥門導(dǎo)向面間隙的影響及高溫對整定壓力的影響等。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為鑒于再熱器、過熱器安全閥的高溫高壓特點，除了動作性能試驗和排量試驗外，還應(yīng)增加高溫安全閥的高溫性能試驗。型式試驗順序為強度試驗、動作性能試驗、排量試驗及高溫性能試驗(適用于高溫閥門) 。

　　ASME 規(guī)范中規(guī)定，安全閥試驗項目有動作性能試驗和排量試驗。動作性能試驗包括整定壓力及偏差、密封性能試驗、超過壓力、開啟高度、啟閉壓差和機械特性。在動作性能試驗各項指標(biāo)合格后進(jìn)行排量試驗。

　　(2) 試驗介質(zhì)

　　蒸汽安全閥動作性能試驗和排量試驗的試驗介質(zhì)為飽和蒸汽。ASME-I 和ASME PTC-25 對排量認(rèn)證試驗的介質(zhì)都有相應(yīng)的特別規(guī)定，排量試驗介質(zhì)應(yīng)為最小干度98%，最大過熱度10℃的干飽和蒸汽。

　　(3) 試驗裝置

　　安全閥動作性能試驗和排量試驗應(yīng)在試驗裝置(圖1) 上進(jìn)行，ASME 規(guī)定，安全閥應(yīng)按壓力釋放裝置性能試驗規(guī)范進(jìn)行蒸汽排量試驗。

圖1 安全閥排量試驗系統(tǒng)

　　安全閥的排量試驗對試驗系統(tǒng)布置和蒸汽品質(zhì)要求非常高。試驗時蓄能器和試驗容器之間安裝流量計測量安全閥的排量，試驗容器和管道上安裝熱量計來監(jiān)測蒸汽的品質(zhì)。安全閥動作性能試驗時可不安裝流量計，試驗過程中不需要嚴(yán)格控制蒸汽的品質(zhì)，因而不要求安裝熱量計。

　　(4) 型式試驗

　　蒸汽的特點是高壓必然高溫，如過熱器出口安全閥整定壓力32.4MPa、工作溫度605℃。但高溫不一定高壓( 過熱度很高的過熱蒸汽) ，如再熱器出口安全閥工作溫度605℃、整定壓力6.7MPa。模擬閥門的實際工作溫度、工作壓力進(jìn)行試驗最可信、最可靠，但對于高溫高壓安全閥按實際工況進(jìn)行試驗是否必要和可行，應(yīng)該根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，綜合考慮安全閥的口徑、壓力、溫度及試驗裝置的能力來決定安全閥型式試驗的試驗方法。

　　(5) 強度試驗

　　強度試驗是對閥門承壓件進(jìn)行的試驗項目。在室溫環(huán)境下用水作為介質(zhì)對閥門一次側(cè)和二次側(cè)施加一定的強度試驗壓力，保壓一段時間后觀察承壓件的外表面有無液體滲漏，承壓件的外形是否變形。

　　(6) 動作性能試驗

　　安全閥動作性能試驗應(yīng)在蒸汽試驗裝置上進(jìn)行，國內(nèi)外的一些安全閥制造商都有各自的安全閥試驗裝置�？傮w而言，動作性能試驗裝置的能力(壓力、排量及溫度等) 比蒸汽排量試驗裝置要高得多。

　　目前，國內(nèi)在用的最大蒸汽試驗裝置由一臺工作壓力25MPa、工作溫度450℃、蒸發(fā)量5T /h 的鍋爐提供蒸汽，最大試驗壓力18MPa，最大接口DN200，試驗排量達(dá)到350T /h。典型的1 000MW超( 超) 臨界火電機組鍋爐安全閥參數(shù)見表1。在進(jìn)行安全閥試驗時，試驗裝置本身的能力限制影響了安全閥的試驗方法。世界知名的安全閥制造商Dresser 和Crosby 都根據(jù)其試驗裝置能力對不同壓力的安全閥制定了相應(yīng)的試驗方法和程序。

表1 超( 超) 臨界1 000MW 火電機組鍋爐安全閥

　　借鑒國外蒸汽安全閥試驗經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，以試驗裝置的試驗?zāi)芰�來探討再熱器和過熱器安全閥的試驗方法�？梢詫⒈�1 中的安全閥分為兩類進(jìn)行安全閥的動作性能試驗。①完全蒸汽性能試驗法。安全閥的整定壓力及排量在試驗裝置能力范圍內(nèi)，如再熱器進(jìn)出口安全閥，可采用完全蒸汽性能試驗法。

　　試驗時，將閥門安裝在試驗裝置上，調(diào)節(jié)圈設(shè)定在預(yù)定位置。調(diào)整壓力到要求的整定壓力及偏差范圍內(nèi)。試驗過程中通過閥座調(diào)節(jié)圈和導(dǎo)向套調(diào)節(jié)圈的調(diào)節(jié)( 或其他調(diào)節(jié)手段) ，使閥門的超過壓力、開啟高度和啟閉壓差達(dá)到設(shè)計和規(guī)范要求。通過以上調(diào)節(jié)，閥門的各項性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求，試驗過程中閥門無頻跳、顫振和卡阻等有害現(xiàn)象。將調(diào)整螺桿、調(diào)節(jié)圈位置及其他調(diào)節(jié)機構(gòu)固定鎖緊后，閥門再重復(fù)試驗2 次，以驗證閥門的重復(fù)性。

　�、谠囼瀼椈商娲�試驗法。安全閥的整定壓力和(或) 排量超過試驗裝置的試驗?zāi)芰Γ�如過熱器進(jìn)出口安全閥，采用試驗彈簧替代試驗法，用一根試驗彈簧替代安全閥的實際彈簧進(jìn)行試驗。用來替代安全閥實際彈簧的試驗彈簧應(yīng)滿足2 個條件，其一為試驗彈簧必須從被試安全閥產(chǎn)品彈簧系列中選取，其二為選取的試驗彈簧的整定壓力范圍必須與試驗裝置的試驗?zāi)芰ο噙m應(yīng)。

　　③試驗程序。根據(jù)閥門的整定壓力、流道直徑和試驗裝置的能力選取合適的試驗彈簧。安裝試驗彈簧，采用完全蒸汽性能試驗法進(jìn)行試驗。將試驗彈簧換成實際彈簧，按規(guī)定在高溫下進(jìn)行壓力整定和密封試驗。

　　(7) 排量試驗

　　安全閥的排量試驗是精確測量安全閥的實際排量。安全閥排量試驗裝置的測量不確定性不得超過測量值的±2%。試驗介質(zhì)為最小干度98%，最大過熱度10℃的干飽和蒸汽。根據(jù)安全閥排量試驗的相關(guān)要求，不是所有的蒸汽試驗裝置都可以進(jìn)行安全閥的排量試驗，只有其試驗裝置經(jīng)過權(quán)威機構(gòu)的鑒定和認(rèn)證方可進(jìn)行排量試驗。表2 列出了ASME 和NB 認(rèn)可的蒸汽排量試驗室及其試驗?zāi)芰Α?/p>

　　試驗測量的排量是安全閥的實際排量，理論排量由計算得出，排量系數(shù)是實際排量與理論排量的比值。排量系數(shù)與減低系數(shù)0.9 的乘積為額定排量系數(shù)。額定排量系數(shù)是安全閥產(chǎn)品的固定特性，一臺確定的安全閥產(chǎn)品，排量系數(shù)是不變的。如某臺1.5G3 安全閥可適用于蒸汽、氣體和液體3 種類型的介質(zhì)，用于蒸汽時排量系數(shù)是0.87，用于氣體時排量系數(shù)是0.86，用于液體時排量系數(shù)是0.656。安全閥排量系數(shù)與壓力無關(guān)，排量系數(shù)不會因為工作壓力不同而改變。雖然過熱器安全閥的整定壓力很高( 如32. 4MPa) ，但沒必要在如此高的試驗壓力下進(jìn)行排量試驗，而且此壓力下的蒸汽是過熱蒸汽，與規(guī)范要求的排量試驗時介質(zhì)必須是干飽和蒸汽相矛盾。

表2 ASME 和NB 認(rèn)可的蒸汽排量試驗室

　　根據(jù)表2 中所示的試驗?zāi)芰�，可試驗的安全閥最大口徑為DN100，最大試驗壓力為6.89MPa。顯然，排量系數(shù)認(rèn)證不是針對安全閥系列產(chǎn)品中每個規(guī)格/壓力級的閥門逐一進(jìn)行的試驗，而是在一個閥門系列中選取合適口徑/壓力的閥門進(jìn)行排量測定，以決定整個系列閥門的排量系數(shù)。表3 為部分著名安全閥制造商生產(chǎn)的ASME-I 系列蒸汽安全閥的排量系數(shù)。對于過熱器安全閥(表1) ，其排量系數(shù)可在較低壓力下通過排量試驗測出閥門的排量系數(shù)。

表3 ASME-I 蒸汽安全閥排量認(rèn)證試驗

　　超( 超) 臨界火電機組鍋爐安全閥中口徑最大的閥門為再熱器進(jìn)出口安全閥，其規(guī)格為6R10。由于口徑較大，超出蒸汽排量試驗裝置的試驗?zāi)芰�，其排量系�?shù)用與其結(jié)構(gòu)相同的同系列產(chǎn)品中較小口徑的閥門測量排量系數(shù)。如果該6R10 產(chǎn)品是新產(chǎn)品，沒有相同結(jié)構(gòu)的較小口徑的系列閥門，則應(yīng)該用6R10 縮小的比例模型進(jìn)行試驗得出排量系數(shù)。

　　(8) 高溫性能試驗

　　安全閥動作性能試驗和排量試驗中介質(zhì)為飽和蒸汽，試驗溫度不會太高。對于高溫安全閥，則應(yīng)進(jìn)行閥門在實際工作溫度下的壓力整定和密封試驗。試驗時要求有小容量的高溫高壓試驗裝置。電加熱系統(tǒng)可以滿足試驗的要求( 圖2) 。電加熱鍋爐額定參數(shù)額定壓力: 40MPa額定溫度: 650℃額定蒸發(fā)量: 200kg /h系統(tǒng)要求: 流量、壓力、溫度可調(diào)節(jié)試驗時，將安全閥試驗彈簧換掉，裝上實際彈簧。將閥門安裝在高溫高壓試驗裝置中，限定閥門的開高。調(diào)整試驗裝置的溫度和壓力，使之達(dá)到安全閥的實際工況參數(shù)，如605℃，整定壓力為30. 88MPa，維持此狀態(tài)20min 以上。對安全閥進(jìn)行壓力整定調(diào)整，并重復(fù)2 次。在密封試驗壓力下對安全閥進(jìn)行密封性能試驗。

圖2 電加熱系統(tǒng)

　　(9) 生產(chǎn)試驗

　　安全閥產(chǎn)品研發(fā)階段需進(jìn)行全面的型式試驗，在安全閥的生產(chǎn)試驗中沒必要對所有試驗項目再進(jìn)行試驗。蒸汽安全閥的型式試驗和生產(chǎn)試驗中試驗項目見表4。

表4 蒸汽安全閥試驗項目

3、結(jié)語

　　建造安全閥蒸汽試驗裝置的費用非常高，高試驗參數(shù)試驗裝置所用的容器、閥門和管道等設(shè)備的造價將非常的昂貴。不同的安全閥制造廠家擁有試驗裝置能力各不相同，在進(jìn)行高溫高壓安全閥試驗時，應(yīng)根據(jù)安全閥的口徑、壓力、溫度、試驗裝置的能力來綜合考慮安全閥的試驗方法。但無論采取哪種試驗方法，都應(yīng)能證明通過各項試驗后的閥門能滿足實際工況要求。目前，我國標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于超臨界火電機組安全閥試驗方法還是空白，超( 超) 臨界火電機組鍋爐安全閥的試驗方案可為制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供參考。