CN103852245A - 一种测试安全阀热态机械性能的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量安全阀热态机械性能的试验装置与方法。通过锅炉提供蒸汽源，储能器3的压力高于实验容器4。通过大口径调节阀，实现安全阀实验容器蒸汽的快速补充与切断，保持安全阀的稳定排放，并同时操控快速放空阀，避免安全阀测试过程中出现频跳。激光测量装置实现测量精度为10ms的安全阀开启状态测试，非接触式的电磁装置测量安全阀的开高数值，高压蒸汽测压装置测量实验容器的压力。通过控制系统在安全阀测试阶段和准备阶段设置不同的扫描周期，精确测量安全阀的机械性能相关参数并兼顾数据处理量。此安全阀热态试验装置和工艺方法具有防止安全阀频跳、测量精度高、安全性强、系统运行稳定、自动化程度高的优点。

Description

一种测试安全阀热态机械性能的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种测试安全阀热态机械性能的试验装置与试验方法，特别涉及一种基于补量法的安全阀的热态机械性能试验装置与方法。

背景技术

安全阀是一种防止系统超压、保障人员安全和设备安全的主要压力释放装置；是锅炉、压力容器、压力管道上的主要安全附件，对锅炉、压力容器、压力管道的安全运行起到最后一道屏障保护作用。为保证安全阀产品质量，需要高精度的安全阀全试验装置和方法。

安全阀是“小阀门、大台架”。安全阀热态试验台架包含锅炉、容器、控制阀和控制系统，造价近亿元，试验技术远比安全阀本身复杂得多。目前，安全阀热态试验主要是依照美国ASME PTC 25标准。此标准规定了对试验过程和测试精度的要求，但如何实现试验过程则是一大挑战。安全阀热态试验装置最早出现在美国。目前美国Tyco公司分别在Stafford、Wrentham等地建有安全阀热态试验台架，但美国上述试验台架在进行大口径、大排量安全阀热态试验过程中存在安全阀频跳问题。即安全阀在一次测试过程中会出现多次的开启与回座，试验过程将对安全阀的密封面将造成显著的损伤。另一方面，安全阀设计和制造工艺不合理也会造成安全阀的频跳，此是安全阀所需严格避免的产品缺陷。而由于试验装置和方法的不足所带来的安全阀测试中的频跳将会掩盖产品本身的问题，这将在安全阀的实际使用中埋下重大安全隐患。

国家特种泵阀工程技术研究中心具有安全阀的试验资质，但没有以蒸汽为介质的热态试验系统。国内共有3套热态安全阀试验台架，都采用试验台架整体升压直至安全阀起跳，进而测量安全阀机械性能的方法，安全阀业内称之为“自由膨胀法”。三套台架分别建在上海阀门厂、哈尔滨锅炉有限公司、中国船舶工业711所。“自由膨胀法”不符合ASME PTC 25标准的要求，存在如下的缺点：(1)无法满足高参数、大排量安全阀试验过程中稳定排放的要求；(2)采用自由膨胀法，造成整定压力和排放压力测量值相同，无法准确测量排放压力；(3)安全阀测量的额定开高比实际值偏低。

美国专利No.4893494介绍了一种测量安全阀整定压力的装置和方法。一个小型的实验容器和被测安全阀相连；一个较大的容器储存高压流体。该装置和方法适用于水和空气安全阀的测量，不适用于安全阀的热态机械性能的测量。

美国专利US2010/0281954A1介绍了一种安全阀热态试验台架和相应的测试方法。该台架有一个储能器、一个安全阀实验容器(被测安全阀安装在实验容器上)、一个储水罐。储能器中有电加热器，实际是承担高压蒸汽的储存和锅炉的功能。储能器通过管道和实验容器相连，管道上有阀门控制实验容器的压力。实验容器上安装的被测安全阀的出口通过管道和储水罐相连；管道的末端加工成喷头形状，埋入储水罐的水中。通过泵将储水罐中的水打入储能器中，从而使该试验台架形成一个封闭系统。安全阀测试时，将实验容器、储能器、储水罐预先加入去离子水，然后开启储能中的电加热器，生成高压蒸汽。将高压蒸汽通入到实验容器中，使实验容器升压直至安全阀起跳。安全阀排放的蒸汽被储水罐吸收。控制储水罐中水的液位，通过泵将和安全阀排放蒸汽相当质量的液态水送入储能器中。此安全阀热态试验装置具有如下优点：省去锅炉、投资小；排放噪音低；介质封闭循环，介质流失少。此装置适合于小口径安全阀和对背压影响不敏感的安全阀的热态试验，特别适合于高温水安全阀的热态试验。但其不是一种通用的安全阀热态试验装置和方法，存在如下问题：

(1)大多安全阀对背压变化很敏感。该专利将安全阀的出口埋入储水罐的水中将会产生附加的背压，严重影响安全阀的测试精度；

(2)对于大口径的高温、高压安全阀，其蒸汽排量可达每小时几百吨。通过储水罐中的水将如此大量的蒸汽冷凝是非常困难的，储水罐的体积和储水量将是巨大的，成本和造价非常高；

(3)将储能器赋予锅炉的功能，台架操作的灵活性和弹性下降；相对燃气和燃油锅炉，采用电加热的运行成本很高。

(4)采用电加热储能器中的水来产生蒸汽，造成产生的蒸汽为湿饱和蒸汽。ASME PTC 25标准推荐安全阀热态测试应采用干饱和或过热蒸汽。湿饱和蒸汽将会降低安全阀机械性能的测试精度。

实用新型专利CN202057301介绍了一种安全阀开高的激光测量装置，包括激光位移测量单元、数据采集卡、计算机和多自由度可调支架。虽然激光测量属非接触测量，响应快。但试验过程中，安全阀上部释放出的蒸汽将会对激光有较大干扰，用激光精确测量安全阀的开高存在困难。

实用新型专利CN201259471Y介绍了安全阀试验可调位移排气管装置，解决了现有安全阀试验排气管装置存在的无法直接与不同规格及型号的安全阀配合使用，且排气管位移不可调的问题。

综上所述，目前高温、高压、大口径安全阀的热态试验技术存在严重缺陷。随着核电、热电和石化工业的发展，对安全阀热态试验技术提出了更高的要求。所以，针对高温、高压、大排量安全阀的试验测试，需要着力解决现有测试技术中安全阀频跳这一问题，建立高参数、高精度的安全阀的试验装置和方法，这将对确保安全阀的质量并进而保证重大、高危承压装备的安全和长周期稳定运行具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种符合ASME PTC 25标准要求的安全阀热态试验台架和相应的测试工艺方法。通过手操器控制快速启闭的大口径调节阀，实现安全阀实验容器蒸汽的快速补充与切断；同时操控快速放空装置，避免安全阀测试过程中出现频跳；通过带有安全联锁的紧急放空装置实现被测安全阀的超压保护；通过安全阀阀杆位置的激光测量实现测量精度为10ms的安全阀开启状态测试，更为准确地测量安全阀达到额定开高的时间；通过PLC(可编程逻辑控制器的控制系统)系统在安全阀测试阶段和准备阶段设置不同的扫描周期，提高安全阀各参数的测量精度并兼顾整个试验台架的稳定性和安全性。此安全阀热态试验台架和工艺方法具有防止安全阀频跳、测量精度高、安全性性强、系统运行稳定、自动化程度高的优点。

本发明主要是通过以下技术方案实现的：

一种测试安全阀热态机械性能的试验装置，其特征在于，所述的装置包括试验台架和PLC控制系统，试验台架包括：一个为整个实验装置提供蒸汽的直流锅炉1，一个稳定直流锅炉压力并分离锅炉启动过程中产生的液态水的汽水分离器2，一个储存高压蒸汽并补充蒸汽到安全阀实验容器的储能器3，一个安全阀实验容器4，依次通过管道连接；直流锅炉1、汽水分离器2、储能容器3、安全阀实验容器4的底部分别安装有气动调节阀20、19、18、17，用于台架蒸汽预热过程中冷凝水的排放；汽水分离器2和储能器3之间安装有电动开关阀5，用于紧急事故工况下切断汽水分离器2和储能器3的蒸汽输送；储能器3和实验容器4之前安装有电动开关阀6，用于紧急事故工况下切断储能器3和实验容器4之间的蒸汽输送；一个快速启闭的大口径调节阀7，安装于实验容器4的蒸汽入口管道上，在安全阀测试过程中可快速开启和切断进入实验容器的蒸汽，一个小口径调节阀8，并联安装于实验容器4蒸汽入口管道，用于实验容器4慢速升压过程中压力的精确调节；实验容器4带有一个测量蒸汽压力的测量系统9和一个隔离阀10，被测安全阀12安装于隔离阀10上，隔离阀10进出口管路并联一小口径气动球阀11，便于隔离阀10在该阀门进出口高压差下开启或关闭；激光测试装置13和电磁测量装置14安装于被测安全阀12上，共同测量被测安全阀12的开高；1个消音器15与被测安全阀12出口相连，将蒸汽泄放过程的噪音降到环保法规规定的分贝数；一个快速放空阀门16，通过管道与实验容器4相连，通过控制系统安全联锁设置保护被测安全阀12不会超压破坏；一套PLC控制系统49通过数据线与所述的试验台架相连，实现安全阀泄放过程中数据的快速采集并保证整个台架的安全、稳定运行；

所述的直流锅炉1包括锅炉主体、反渗透水处理系统、除氧热水箱及其自控件、一套锅炉给水泵及水泵润滑系统；燃料可为天然气或柴油。锅炉的排量不低于5ton/h，蒸汽过热度精度为±3℃，蒸汽过热度在50℃内可调，干度＞98％；

所述的汽水分离器2为高温、高压容器，容积为3～10m³，优选5m³；

所述的储能器3为高温、高压容器，容积为20～40m³，优选30m³；

所述的安全阀实验容器4为高温、高压容器，容积为5～15m³，优选10m³；

所述隔离阀10为气动闸阀，公称通径为250～400mm，优选300mm；

所述小口径气动球阀11公称通径为10～30mm，优选15mm。

所述快速启闭的大口径调节阀7为等百分比气动调节阀，包括远程控制的手操器29，智能定位器28，现场设置的储气罐22，储气罐22的进口和出口管道上分别设置有加压阀21和放大器23，加压阀21连接智能定位器28，智能定位器28经放大器23与气动执行器25相连，电磁阀放空阀24安装在气动执行器25上，限位开关26和阀门组件27与智能定位器28相连；

阀门全闭到全开时间为0.5s～2s，优选1s，阀门由全开到全闭时间为1～3s，优选1.5s，调节阀口径为178mm；调节阀气动执行机构的气源为0.6～1.0MPa的压缩空气，优选0.8MPa；

连接放大器23和储气罐22的管道的直径为15～30mm，优选20mm；管道的长度1～3m，优选1.5m；储气罐22的体积为2～5m³，优选3m³；

压缩空气经空气过滤减压阀21与定位器28和储气罐22相连接。当从手操器29来的电流模拟信号输入到智能定位器28后，定位器输出相应的气压，经放大器23放大后送入气动执行器25，使阀门组件27移动。为保证调节阀对定位器信号的快速响应，调节阀操作现场设置储气罐22并和放大器23以管道连接。在气动执行器25的上端气室安装有电磁阀放空阀24，手操器29发来的开关信号触发电磁放空阀24开启放空，实现气室压力的快速下降，满足气动调节阀快速关闭的功能。设置限位开关26确定调节阀的调节范围并将调节阀开关的状态上传控制系统。

所述的手操器29的供电电源为24V直流电，输出为4～20mA直流电流；

手操器面板有一手轮30和开关按钮31，开关按钮31发出开关信号给快速启闭的大口径调节阀7的电磁阀放空阀24，实现调节阀7的快速关闭；手轮的直径为20mm，转动1～2圈达到手操器满量程，优选1.5圈；手操器的精度为-1～3％，优选±1.5％。手操器上有电流指示表32，量程为0～24mA，便于在调节阀调节时通过读取电流指示表的电流值推算调节阀7的开度。

所述小口径调节阀8为气动调节阀，阀口径为12.7mm。阀门由全开到全闭的时间为3s；

快速放空阀门16为气动球阀，公称通径为50mm，全行程时间为0.5～1s，优选0.8s；

所述电动开关阀5为气动闸阀，公称通径为50mm，全行程时间为5～10s，优选8s；

所述电动开关阀6为气动闸阀，公称通径为300mm，全行程时间为5～15s，优选10s；

气动调节阀17、18、19、20的阀口径为6.25mm，阀门启闭时间1～3s，优选2s；

所述蒸汽压力测量系统9包括：一条将高压蒸汽引入到立式储水罐35中的U型引压管33，引压管33的最低处安装有排污阀45，便于试验结束后排出冷凝水；储水罐的顶部有放空阀34，底部有排污阀44，便于试验结束后排出冷凝水，以减缓设备和仪表的腐蚀；引压管33的公称直径为25mm，储水罐35的引压管进口位置比U型引压管33最低处高150～300mm，优选200mm；储水罐35的顶端比U型引压管33的最高处低150～300mm，优选200mm；在蒸汽引入储水罐35之前预先在储水罐中灌满水，通过测量储水罐中的水压达到测量试验容器中蒸汽压力的目的；储水罐上安装有压力变送器37、39和压力表36、38，测量精度分别为-0.04％和±0.1％，测量所得模拟信号送至控制系统；在压力变送器和压力表和储水罐35之间安装有仪表角阀，分别为40、41、42、43，便于在测试过程中压力变送器和压力表的拆卸；

所述的激光测试装置13为两个反射型的激光探头，一个激光探头46安装于被测安全阀起跳前阀杆48上端面下方0.5～1.5mm处，优选1mm；另一个激光探头47安装于被测安全阀起跳前阀杆48上端面上方额定开高-0.5mm处，两个激光探头距离阀杆的水平距离为100～300mm，优选200mm，探头的响应时间为50～100μs，优选80μs；

所述的电磁测量装置14为环形电感式位移传感器，传感器测量开高范围为10～50mm，测量精度为±5％，响应时间为30ms，输出信号为0～20mA电流，传感器探头垂直安装于安全阀阀杆48上方水平的支架上，探头距离被测安全阀阀杆的垂直距离为额定开高值+5～10mm，优选7mm；

所述的消音器为立式消音器，采用阻抗复合式消音原理，消音器中流体最大压降小于0.2bar，消音器出口水平距离25米处噪音值小于65分贝；

所述的控制系统49为PLC。PLC系统内CPU单元支持中断控制、间接寻址、内置PID、字长为32bit。数字量的输入输出卡件的扫描周期小于10μs，模拟量的输入输出卡件的扫描周期小于10ms。所述的PLC控制系统49为西门子CPU315-2DP为中央处理单元的控制器系统。

PLC控制系统采集实验台架的各仪表和传感器的数值，由于安全阀起跳、稳定排放、回座时间控制在10s以内，在这10s中实验容器4的压力变化和阀杆48位移的变化是非常迅速的，包含所需获得的重要测试数据，所以PLC控制系统在安全阀测试的10s中需要对安全阀的开高和实验容器的压力测量系统9进行快速扫描以保证测量的精度和正确性。此时段扫描的周期为10ms。安全阀10s测试之外，包含试验台架的升压以及安全阀的拆卸、安装等过程(所需时间约为4～6小时)，PLC控制系统进行常规扫描，扫描周期为5～10s，优选8s，降低控制系统上传的测试数据量，避免处理不必要的海量测试数据。此间常规扫描期间PLC控制系统对整个台架的运行实时监控，并通过设定安全阀联锁保证台架的安全、稳定运行。当实验容器4的压力达到被测安全阀整定压力的90％数值时，控制系统的扫描周期由常规扫描转换为快速扫描，此时只扫描测量安全阀开高的激光探头46、47，电磁测量装置14，蒸汽压力测量系统9中的压力变送器为37、39，其扫描周期为10ms。快速扫描10s结束，再转换为常规扫描。以上的转换由PLC控制系统编制程序实现。

本发明还提供一种基于上述试验装置的安全阀热态机械性能试验方法，包括如下步骤：

(1)启动锅炉，将蒸汽排放到储能器及测试系统中进行台架预热，并开启PLC控制系统，对系统运行进行监控，扫描周期固定为5～10s的一个数值的常规扫描；

(2)进行过程升温控制容器内外壁温不超过50℃，每隔半小时开气动调节阀排放冷凝水；

(3)当储能器以及试验容器的压力达到80％被测安全阀整定压力时，关闭实验容器入口管道上的小口径和大口径调节阀门，停止对实验容器升压；

(4)标定实验容器上安装的激光测试装置和电磁测量装置的初始值；

(5)锅炉连续向储能器充压，当压力达到预设值后，开启实验容器入口管道上的小口径调节阀门，使储能器的蒸汽流入实验容器。控制升压速度为2psi/s，将实验容器压力升高到90％的被测安全阀整定压力。当实验容器压力达到该数值后，开启实验容器入口管道上的大口径调节阀门，控制实验容器压力为103％被测安全阀整定压力；同时PLC控制系统的扫描周期由常规扫描转换为快速扫描，扫描周期为10ms，快速扫描时只扫描测量安全阀开高的激光探头、电磁测量装置、蒸汽压力测量系统中的压力变送器，快速扫描10s结束后，PLC再转换为常规扫描；

当实验容器压力到达110％整定压力，PLC系统将自动安全连锁关闭实验容器进气管道上的电动开关阀并开启快速放空阀门，实验容器压力降至被测安全阀80％整定压力时手动复位关闭快速放空阀门；

(6)当安全阀起跳并达到额定开高，维持稳定排放5秒，完成安全阀起跳及稳定排放实验，关闭实验容器进气管道上的小口径调节阀门，慢慢关闭大口径调节阀门，观察安全阀回座性能，当判断安全阀回座后，快速关闭大口径调节阀门同时开启快速放空阀，使实验容器压力降到被测安全阀的80％整定压力；

(7)当实验容器升压至安全阀开启时，下激光探头检测到反射的激光信号由无变为有时的实验容器压力并记录为整定压力；安全阀回座时，下激光探头检测到激光信号由有变为无时的实验容器压力值为回座压力；一个10秒的测试时间内，上、下激光探头检测到反射的激光信号由无变为有的时间差值为安全阀达到额定开高所需时间；将PLC系统记录与控制室操作人员记录的安全阀开启和回座时的压力相对照核实试验数据，根据安全阀产品规格及实验数据(包括起跳压力，稳定排放压力及开高，回座压力)，判断是否继续重复实验或对安全阀现场调试后重新试验直至试验合格或现场决定终止试验；

(8)按(4)～(7)步骤，完成另外2次连续试验；

根据实验数据进行偏差分析，若测得实验数据在ASME规范规定的精确度的公差范围内，成功完成实验，否则终止实验，分析原因及调整后另行测试。

有益效果

本发明实现热态安全阀的机械性能高精度测试。与现在已有的安全阀热态试验技术相比，具有如下的突出优点：

(1)试验过程避免了由于试验台架本身造成的安全阀频跳的问题。安全阀试验过程中出现频跳的一个重要原因是储能器的高压蒸汽在安全阀开启时不能快速补充到实验容器；而在安全阀回座时又不能快速切断。造成安全阀回座后，由储能器继续给实验容器补充蒸汽，造成安全阀二次起跳。频跳的出现将无法精确测试安全阀的机械性能并对安全阀密封面造成不必要的冲击和损伤。本发明通过研制的大口径快速启闭的调节阀配合便于操作的手操器实现蒸汽快速补充和切断。大口径调节阀在被测安全阀90％整定压力下就开启，配合PLC对关键仪表的短时快速扫描，准确记录被测安全阀的机械性能。为防止被测安全阀回座后再二次起跳形成频跳，当目测安全阀回座后，手动关闭大口径的快速启闭的调节阀的同时开启快速放空阀，强制降低安全阀实验容器的压力。以上台架和测试工艺方法有效地避免了被测安全阀由于非自身机械性能缺陷之外的频跳问题。

(2)安全阀机械性能的测试精度大幅提高。测试安全阀达到额定开高所需时间对于核电承压装备的安全运行是十分重要的。安全阀的阀杆在几十毫秒内就有可能达到全开高，常规的位移传感器是在如此短的时间内做出精确的响应是非常困难的。本发明在安全阀阀杆平行的支架上安装有两个反射型的激光探头，探头的响应时间为50～100μs。安全阀未开启时，下探头有激光反射，上探头无反射。安全阀一旦起跳并达到额定开高，上下探头都有激光反射。反射激光信号转换为开关信号，由PLC快速描述读取此开关信号，由此可实现在10ms精度判断安全阀达到额定开高的时间。需要着重指出的是，与实用新型专利CN202057301不同，本发明不采用激光测量阀杆的位移数值，因为受蒸汽干扰，此数值不准确。本发明激光探头测量的是反射激光信号的有无，是一开关量，利用了激光探测非接触、响应快的优点。阀杆的位移数值则采用同样是非接触式的但蒸汽对其测量干扰非常小的电磁式测量装置。

(3)安全阀试验台架的安全性大幅提高。采用补量法进行安全阀热态机械性能测试存在一个安全问题。即在储能器的蒸汽补充到实验容器过程中，若操作不当将造成实验容器的压力超过被测安全阀的整定压力的1.1倍。此时，若实验容器的压力继续升高，被测安全阀有可能会因阀的压力过高而出现失效，出现安全事故。为防止此事故放生，当实验容器的压力超过被测安全阀的整定压力的1.1倍时，PLC系统将自动安全连锁切断实验容器进口的电动开关阀并打开快速放空阀，实验容器压力降至被测安全阀80％整定压力时手动复位关闭快速放空阀。此措施避免了被测安全阀超压事故的发生，提高了安全阀试验台架的安全性。

综上，相对现有的安全阀热态测试技术，此安全阀热态试验台架和工艺方法具有防止安全阀测试过程的频跳、测量精度高、安全性强的优点、系统运行稳定、自动化程度高的优点。

附图说明

图1安全阀热态机械性能试验台架流程图

其中：1：直流锅炉，2：汽水分离器，3：储能器，4：安全阀实验容器4，5、6：电动开关阀，7：大口径调节阀，8：小口径调节阀，9：蒸汽压力测量系统，10：隔离阀，11：小口径气动球阀，12：被测安全阀，13：激光测试装置，14：电磁测量装置，15：消音器，16：快速放空阀门，17、18、19、20：气动调节阀，49：PLC控制系统。

图2快速启闭的大口径调节阀气路布置图

其中：21：空气过滤减压阀，22：储气罐，23：放大器，24：电磁放空阀，25：气动执行器，26：限位开关，27：阀门组件，28：智能定位器，29：手操器。

图3快速启闭的大口径调节阀手操器示意图

其中：30：手轮，31：开关按钮，32：电流指示表

图4蒸汽压力测量系统

其中：33：引压管，34：放空阀，35：储水罐，36、38：压力表，37、39：压力变送器，40、41、42、43：仪表角阀，44、45：排污阀。

图5安全阀开高测量示意图

其中：46、47：激光探头，48：安全阀阀杆

图6主蒸汽安全阀机械性能试验历史趋势图

其中，(a)安全阀开高随试验时间变化的曲线，(b)实验容器压力随试验时间变化的曲线

图7主蒸汽安全阀机械性能试验安全阀开启阶段历史趋势图

●实验容器压力，▲安全阀开高，○下激光反射信号，■上激光反射信号

图8主蒸汽安全阀机械性能试验安全阀回座阶段历史趋势图

●实验容器压力，▲安全阀开高，○下激光反射信号，■上激光反射信号

具体实施方式

为让本发明的目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明提供基于补量法的安全阀热态试验台架和相应的测试工艺方法，符合ASME PTC25标准要求。通过研制的大口径快速启闭的调节阀配合便于操作的手操器实现蒸汽快速补充和切断，可避免安全阀测试过程的频跳；通过激光测量装置在10ms内判断安全阀开启状态，更为准确地测量安全阀的整定压力；通过PLC系统在安全阀测试阶段和准备阶段设置不同的扫描周期，提高安全阀各参数的测量精度并兼顾整个测量系统的稳定性和安全性；通过带有安全联锁的紧急放空装置实现被测安全阀的超压保护。此安全阀热态试验台架和工艺方法具有防止安全阀测试过程频跳、测量精度高、安全性性强、系统运行稳定、自动化程度高的优点。下面通过实施例对本发明作进一步阐述。

实施例

被测阀门：核电主蒸汽安全阀，整定压力8.7MPag，公称通径200mm，排量486ton/h。

(1)启动锅炉，将蒸汽排放到蓄能器及测试系统进行预热。

(2)结合锅炉启动过程和蓄能器/测试系统预热过程，以节省时间。过程升温控制容器内外壁温不超过50℃，每隔半小时左右开容器底部的气动调节阀排放冷凝水。

(3)当储能器以及试验容器的压力达到6.96Mpag时，关闭实验容器入口管道上的小口径和大口径调节阀门，停止对实验容器升压。锅炉稳定后控制压力为19.3Mpag。

(4)标定实验容器上安装的安全阀开高的激光测试装置和电磁测量装置的初始值。

(5)锅炉连续向储能器充压。当储能器压力达到19.3Mpag时，开启实验容器入口管道上的小口径调节阀门，使储能器的蒸汽流入实验容器，控制升压速度2psi/s左右，使实验容器压力升高到7.73Mpag。当实验容器压力达到该数值后，开启实验容器入口管道上的大口径调节阀门，控制实验容器压力为8.86Mpag同时PLC控制系统的扫描周期由常规扫描转换为快速扫描，快速扫描时只扫描安全阀的开高的激光测试装置、开高的电磁测量装置、实验容器的压力仪表。快速扫描10s结束，PLC再转换为慢速扫描。

(6)当安全阀起跳并达到额定开高，维持稳定排放5秒，完成安全阀起跳及稳定排放实验。此时关闭实验容器入口管道上的小口径调节阀门，慢慢关闭大口径调节阀门，观察安全阀回座性能，当判断安全阀回座后，快速关闭大口径调节阀门同时开启快速放空阀，使实验容器压力降到7.73Mpa。

主蒸汽安全阀的机械性能测试结果如图6所示。由开高的变化可知，在安全阀10s测试过程中只发生了一次开启和回座，未出现安全阀频跳现象。安全阀试验过程稳定、未发生被测安全阀超压损坏等安全事故。为更直观观察安全阀开启和回座过程，将图6在1000～1110ms和5900～6100ms曲线变化趋势局部放大，结果如图7和图8所示。由图7可见，在1020ms下激光探头测得激光反射信号，安全阀开启；1070ms上激光探头测得激光反射信号，安全阀达到额定开高；即安全阀可在50ms内达到全开高。电磁测量装置的相应时间为30ms，存在滞后，其显示在1100ms达到额定开高。所以，采用上下加光探头方法可精确地测量安全阀达到额定开高的时间，测试的精度为10ms。

Claims (7)

1.一种测试安全阀热态机械性能的试验装置，其特征在于，所述试验装置包括试验台架和一套采集实验台架的各仪表和传感器数据并控制试验台架的PLC控制系统49，所述的试验台架包括：直流锅炉1、汽水分离器2、储能容器3、安全阀实验容器4通过管道依次连接；直流锅炉1、汽水分离器2、储能容器3、安全阀实验容器4的底部分别安装有气动调节阀17、18、19、20，汽水分离器2和储能器3之间安装有电动开关阀5，储能器3和试验容器4之间安装有电动开关阀6，一个快速启闭的大口径调节阀7与小口径调节阀8并联安装于实验容器4的蒸汽入口管道上，实验容器4带有一个测量实验容器压力蒸汽的压力测量系统9和一个隔离阀10，被测安全阀12安装于隔离阀10上，隔离阀10进出口管路上并联一小口径气动球阀11，激光测试装置13和电磁测量装置14安装于被测安全阀12上，1个消音器15与被测安全阀12出口相连，一个快速放空阀门16，通过管道与实验容器4相连； 

其中，所述的大口径调节阀7为等百分比气动调节阀，包括远程控制的手操器29，智能定位器28，现场设置的储气罐22，储气罐22的进口和出口管道上分别设置有加压阀21和放大器23，加压阀21连接智能定位器28，智能定位器28经放大器23与气动执行器25相连，电磁阀放空阀24安装在气动执行器25上，限位开关26和阀门组件27与智能定位器28相连； 

所述的手操器面板有一手轮30和开关按钮31，手轮30的直径为20mm，转动1～2圈达到手操器满量程，手操器的精度为±1～3％，手操器上有电流指示表32，量程为0～24mA； 

所述的蒸汽压力测量系统9包括：一条与立式储水罐35连接的U型引压管33，引压管33的最低处安装有排污阀45，储水罐35的顶部有放空阀34，底部有排污阀44，引压管33的公称直径为25mm，储水罐35的引压管进口位置比U型引压管33最低处高150～300mm，储水罐35的顶端比U型引压管33的最高处低150～300mm，储水罐上安装有压力变送器37、39和压力表36、38，在压力变送器和压力表与储水罐35之间安装有仪表角阀40、41、42、43； 

所述的激光测试装置13为两个反射型的激光探头，一个激光探头46安装于被测安全阀起跳前阀杆48上端面下方0.5～1.5mm处；另一个激光探头47安装于被测安全阀起跳前阀杆48上端面上方额定开高-0.5mm处，两个激光探头距离 阀杆的水平距离为100～300mm，探头的响应时间为50～100μs； 

所述的电磁测量装置14为环形电感式位移传感器，传感器测量开高范围为10～50mm，测量精度为±5％，响应时间为30ms，输出信号为0～20mA电流，传感器探头垂直安装于安全阀阀杆48上方水平的支架上，探头与被测安全阀阀杆的垂直距离为额定开高值再加上5～10mm； 

所述的PLC控制系统49通过数据线与所述的试验台架相连，PLC数字量的输入输出卡件的扫描周期小于10μs，模拟量的输入输出卡件的扫描周期小于10ms。 

2.一种测试安全阀热态机械性能的试验装置，其特征在于，所述的直流锅炉1的排量不低于5ton/h，蒸汽过热度精度为±3℃，蒸汽过热度在50℃内可调，干度＞98％； 

所述的汽水分离器2的容积为3～10m³； 

所述的储能器3的容积为20～40m³； 

所述的安全阀实验容器4的容积为5～15m³； 

所述隔离阀10为气动闸阀，公称通径为250～400mm； 

所述小口径气动球阀11公称通径为10～30mm 

所述的大口径调节阀7的全闭到全开时间为0.5s～2s，阀门由全开到全闭时间为1～3s，调节阀口径为178mm；调节阀气动执行机构的气源为0.6～1.0MPa的压缩空气；所述的手操器的供电电源为24V直流电，输出为4～20mA直流电流； 

所述小口径调节阀8为气动调节阀，阀口径为12.7mm，阀门由全开到全闭的时间为3s； 

所述快速放空阀门16为气动球阀，公称通径为50mm，全行程时间为0.5～1s； 

所述电动开关阀5为气动闸阀，公称通径为50mm，全行程时间为5～10s； 

所述电动开关阀6为气动闸阀，公称通径为300mm，全行程时间为5～15s； 

所述气动调节阀17、18、19、20的阀口径为6.25mm，阀门启闭时间1～3s。 

3.一种测试安全阀热态机械性能的试验装置，其特征在于，所述的汽水分离器2容积5m³；储能器3容积为30m³；安全阀实验容器4容积为10m³；隔离阀10的公称通径为300mm；小口径气动球阀11公称直径为15mm；大口径调节阀的阀门全闭到全开时间为1s，阀门由全开到全闭时间为1.5s。 

4.一种测试安全阀热态机械性能的试验装置，其特征在于，所述的连接放大器23和储气罐22的管道直径20mm；管道的长度为1.5m；储气罐22的体积为3m³； 

所述手操器的手轮30转动1.5圈达到手操器满量程；手操器的精度±1.5％。； 

所述的快速放空阀门16的全行程时间为0.8s，电动开关阀5的全行程时间为8s，电动开关阀6的全行程时间为10s，气动调节阀17、18、19、20的阀门启闭时间为2s。

5.一种测试安全阀热态机械性能的试验装置，其特征在于，在所述的蒸汽压力测量系统9中，储水罐35的引压管进口位置比U型引压管33最低处高200mm，储水罐35的顶端比U型引压管33的最高处低200mm。 

6.一种测试安全阀热态机械性能的试验装置，其特征在于，在所述的激光测试装置13中，两个激光探头距离阀杆的水平距离为200mm，探头的响应时间为80μs； 

所述的激光探头46安装于被测安全阀起跳前阀杆48上端面下方1mm处； 

所述的电磁测量装置14的传感器探头距离被测安全阀阀杆的垂直距离为额定开高值再加7mm。 

7.一种基于权利要求1所述的试验装置的试验方法，其特征在于，所述的试验方法包括如下步骤： 

(1)启动锅炉，将蒸汽排放到储能器及测试系统中进行台架预热，并开启PLC控制系统，对系统运行进行监控，扫描周期固定为5～10s的一个数值的常规扫描； 

(2)进行过程升温控制容器内外壁温不超过50℃，每隔半小时开气动调节阀排放冷凝水； 

(3)当储能器以及试验容器的压力达到80％被测安全阀整定压力时，关闭实验容器入口管道上的小口径和大口径调节阀门，停止对实验容器升压； 

(4)标定实验容器上安装激光测试装置和电磁测量装置的初始值； 

(5)锅炉连续向储能器充压，当压力达到预设值后开启实验容器入口管道上的小口径调节阀门，使储能器的蒸汽流入实验容器，控制升压速度为2psi/s，将 实验容器压力升高到90％的被测安全阀整定压力，当实验容器压力达到该数值后，开启实验容器入口管道上的大口径调节阀门，控制实验容器压力为103％被测安全阀整定压力；同时PLC控制系统的扫描周期由常规扫描转换为快速扫描，扫描周期为10ms，快速扫描时只扫描测量安全阀开高的激光探头、电磁测量装置、蒸汽压力测量系统中的压力变送器，快速扫描10s结束，PLC再转换为常规扫描； 

当实验容器压力到达110％整定压力，PLC系统自动安全连锁关闭实验容器进气管道上的电动开关阀并开启快速放空阀门，实验容器压力降至被测安全阀80％整定压力时手动复位关闭快速放空阀门； 

(6)当安全阀起跳并达到额定开高，维持稳定排放5秒，完成安全阀起跳及稳定排放实验，关闭实验容器进气管道上的小口径调节阀门，慢慢关闭大口径调节阀门，观察安全阀回座性能，当判断安全阀回座后，快速关闭大口径调节阀门同时开启快速放空阀，使实验容器压力降到被测安全阀的80％整定压力； 

(7)当实验容器升压至安全阀开启时，将下激光探头检测到的反射的激光信号由无变为有时的实验容器压力记录为整定压力；安全阀回座时，下激光探头检测到激光信号由有变为无时的实验容器压力值为回座压力；一个10秒的测试时间内，上、下激光探头检测到反射的激光信号由无变为有所需时间差值为安全阀达到额定开高所需时间；将PLC系统记录与控制室操作人员记录的安全阀开启和回座时的压力相对照核实试验数据，根据安全阀产品规格及实验数据，判断是否继续重复实验或对安全阀现场调试后重新试验直至试验合格或现场决定终止试验； 

(8)按(4)～(7)步骤，完成另外2次连续试验； 

根据实验数据进行偏差分析，若测得实验数据在ASME规范规定的精确度的公差范围内，成功完成实验，否则终止实验，分析原因及调整后另行测试。 

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