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安全阀失效原因及预防方法

时间:2023-06-20 理论教育 版权反馈
【摘要】:安全阀可能根据泄漏风险被定为高风险。此外6.6%的安全阀在低于70%整定压力时出现泄漏,其中2.4%的被测安全阀泄漏明显。文献表明,先导式安全阀的失效率约是弹簧载荷式安全阀的20倍。随着超压比增加,安全阀失效率显著降低。在安全阀上游与安全阀组合安装爆破片,将安全阀与工作条件和腐蚀性或污垢流体隔离,可以降低安全阀所要求的开启失效概率。追踪每个安全阀从初始安装起的历史检测数据,以获得失效率的相关数据。

安全阀失效原因及预防方法

(1)安全阀失效的风险 安全阀失效的后果有人员伤害、设备损坏造成损失、系统损失、介质毒性的危害和对环境的影响。

安全阀不能按要求正常开启,将很可能导致被保护设备处于远高于正常使用压力的压力之中。最严重后果将导致被保护设备的灾难性爆破。

虽然安全阀泄漏的后果要轻于由于安全阀不能开启而带来的损失,但是严重泄漏可能影响设备或系统的正常工作,会造成大量流体损失、耗损能源、污染环境,甚至会酿成重大事故。安全阀可能根据泄漏风险被定为高风险。

API RP 581—2008中,通过对工业台架检测数据分析表明,大约8.4%的安全阀在整定压力的70%和90%之间出现泄漏。此外6.6%的安全阀在低于70%整定压力时出现泄漏,其中2.4%的被测安全阀泄漏明显。API的RBI认为,安全阀排量的1%和10%的泄漏率(在正常使用条件下计算)是轻微和中等的泄漏。对于开启卡住,泄漏率大约为25%的安全阀排量。

泄漏造成的总成本损失包括环境成本、停工维修安全阀的成本以及产品损失成本。

当泄漏通过安全阀排放到大气或排放到清理系统(会产生清理成本或罚款)时,需要增加环境成本。

如果泄漏的安全阀不能被容忍,则需要考虑实际的与安全阀的维修、检测、检查和修理相关的用户工作订货成本。

维修泄漏的安全阀带来的产品损失成本,如果备份的安全阀是平行安装的,或在安全阀下方设有隔离阀,维修时不需要停工,则可以不考虑产品损失。

当泄放要求使用多个安全阀来共同达到泄放量时,因所有安全阀同时处于失效的概率很低,则风险会相应降低。对于安装多个安全阀的情况,某个特定的安全阀的泄漏概率不会增加。然而,既然安全阀数量增加了,系统泄漏的概率及相关后果会随着安全阀数量的增加而增大。

(2)影响安全阀失效的因素

1)安全阀使用工况的严酷程度。安全阀失效概率与其工作流体性质和使用工况的严酷程度有关。流体的温度、腐蚀、结垢、堵塞或其他影响会造成安全阀的失效。使用工况的严酷程度可分为轻度、中度或重度。

值得注意的是,对于不能正常开启失效模式下被定为轻度工况的液体,对于泄漏失效模式不一定也是轻度工况。例如,工业失效数据表明,冷却水,若为肮脏或产生水垢的工况,对于不能正常开启失效模式有最高的失效率,因此被分类为重度工况;相反的,用于冷却水的安全阀没有表现出大量泄漏故障,因此对于泄漏失效被分类为轻度工况。另一个例子是蒸汽,数据表明,对于不能正常开启失效模式其应被分类为轻度工况,而对于泄漏失效则应被分类为重度工况,这是因为高温蒸汽的侵蚀特性所致。

用户的使用经验将为选择泄漏状况的使用严酷度条件提供重要帮助。

设计高温条件下工作的阀门必须考虑材料不同的热膨胀系数。蒸汽安全阀与介质是碳氢化合物的安全阀相比,更容易失效,因此需要附加使用爆破片,或频繁地检修。

2)安全阀的结构类型。平衡波纹管式安全阀采用了波纹管以隔离阀瓣背面来自附加背压和排放背压的影响,波纹管也隔绝了来自排放系统中流体的腐蚀影响。但是,API的RBI来自于工业失效率数据显示,与常规式安全阀相比,平衡波纹管式安全阀泄漏率有所上升。

迄今为止,在工业失效数据库中只有很少的数据适用于先导式安全阀。文献表明,先导式安全阀的失效率约是弹簧载荷式安全阀的20倍。

对于泄漏,由于先导式安全阀固有的内部设计,可以使得其工作压力接近整定压力,因而先导式安全阀的密封性比较好。

对于具有软座(O形圈)的常规式安全阀或平衡波纹管式安全阀,降低了通过其阀座潜在的泄漏,可以考虑提高25%的可靠性

3)常规式安全阀排放到封闭系统。如果常规式安全阀排放到封闭系统,则其失效率增高。这是因为常规式安全阀没有波纹管来保护使之免受排放系统的腐蚀性流体的侵蚀。

4)超过压力高于1.3倍整定压力。API RP 581—2008的失效定义为需要的开启压力超过1.3倍的整定压力。采用更高的超压,安全阀不能正常开启的概率会明显下降。工业上的失效数据支持这一观点。随着超压比(实际整定压力与预计整定压力之比)增加,安全阀失效率显著降低。

5)环境因素。存在几个影响安全阀可靠性的环境与安装因素,包括相连接管路的振动、安全阀颤振的历史、装置是否位于脉冲流或周期性使用工况,如安装在往复式旋转设备的下游等。其他能够显著影响泄漏率的环境因素是工作温度和操作比(最大系统工作压力与整定压力之比)。

对于弹簧载荷式安全阀的操作比大于90%时,系统压力接近于克服弹簧提供的阀座表面的关闭力,则安全阀将可能泄漏(前泄)。这种增加的潜在的泄漏,应用环境因素来考虑。类似地,当先导式安全阀的操作比极限大于95%时,应使用环境因素来考虑这种情况。当然,某些先导式安全阀可以在98%的操作比下工作。(www.xing528.com)

通过分析工业失效率数据,表明安装在振动或循环使用状态下的安全阀可能有更高的泄漏率。但分析表明,其不能正常开启的失效率保持不变。

如果安全阀有颤振的历史,应尽快改进或重新设计安全阀以尽快排除颤振,因为颤振对安全阀所保护的设备是非常有害的。对于有颤振历史的安全阀,其可靠性将降低。

在工作温度、操作比、相连接管路的振动、装置位于脉冲流或周期性使用工况以及阀门颤振等方面,先导式安全阀较之弹簧载荷式安全阀有较高的可靠性。

6)与安全阀组合安装爆破片。在安全阀上游与安全阀组合安装爆破片,将安全阀与工作条件和腐蚀性或污垢流体隔离,可以降低安全阀所要求的开启失效概率。API的RBI考虑了上游爆破片情况,不考虑选择流体的严酷度,仅利用轻度工况的失效概率。我们假设爆破片和安全阀之间的空间是排空的,并根据规范要求和API Std 520⁃Ⅰ—2008的推荐处于泄漏监控之中。如果不是这种情况,上游爆破片不应在分析中考虑(即假设爆破片不存在)。

当在安全阀的上游安装爆破片时,可以不计算由泄漏导致的后果。

7)安全阀特定的测试数据。追踪每个安全阀从初始安装起的历史检测数据,以获得失效率的相关数据。一般来说,失效率是基于安全阀本身的检查结果(即台架检测结果)。泄压系统的可靠性会受到阻塞管路的影响,因而对于每个检查日期,都应记录管路的检查情况。工程实践建议如果管路阻塞超过25%,则管路应被认为是阻塞的,这将缩短检查间隔。

8)安全阀的结构合理性和设计更新。对安全阀进行结构完善和设计更新可以提高其可靠性,这将会降低失效率。例如选用耐腐蚀材料或安装上游爆破片。

(3)安全阀失效(故障)的主要原因

1)对使用工况的严酷程度考虑不周,腐蚀或锈蚀造成安全阀内件粘连,安全阀不能正常开启。

2)安全阀进出口腔被腐蚀残余物、固化物(如焦化物、硫等)、聚合物(聚丙烯聚乙烯)等堵塞,无法正常开启。

3)腐蚀或锈蚀造成安全阀导向件之间摩擦力过大,活动受阻,从而造成安全阀开启压力升高。

4)由于应力蠕变造成的阀杆弯曲变形使阀杆活动受阻。

5)弹簧力下降(刚性变软)造成安全阀开启压力降低。弹簧力下降(刚性变软)的原因:①弹簧发生蠕变(即永久性变形);②弹簧表面被腐蚀,横截面减小,不能提供足够关闭力;③弹簧在高温条件下工作,其弹性模数降低,从而造成弹簧力下降。

6)安全阀工作压力接近整定压力,由于某种因素(如工作压力波动、振动等)致使安全阀提前启跳。

7)腐蚀使安全阀弹簧断裂,安全阀启跳后无法关闭。

8)安全阀密封面被高温高压介质冲蚀或被腐蚀介质腐蚀,或有污染物、划痕,或因频繁启跳后受冲击而损坏,造成安全阀泄漏。密封件未压紧或造成损伤,如划痕、老化变形及腐蚀变质等。

9)设备振动(如往复压缩机)致使安全阀密封面损伤而造成安全阀泄漏。

10)安全阀泄漏主要是由于密封失效所引起。安全阀因密封失效造成泄漏的原因,很可能是结构设计的不合理(如未能充分考虑安全阀的使用条件等)。

11)安全阀前后配管不合适、背压力过高、腐蚀或锈蚀残余物或弹簧刚度不合适,致使安全阀存在动作时机械特性不稳定或排放量不够。

安全阀的失效还与使用、维修和校验有关,即与安全阀的材料是否合理、安装位置是否合适、维修方式是否恰当、零件更换是否进行、压力调校是否准确有关。

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