1．概述
目前在石油天然氣工業生産集輸裝置系統，普遍應用的國産安全閥。由于結構原理所定，超過壓力(△Po)範圍一般都在5～10％Ps，這類安全閥在結構和可靠性上都難于滿足生産的要求，更不能保證天然氣集輸裝置的安全運行。隨著生産裝置的大型化和高參數化，對安全閥使用的安全性、功能的可靠性以及使用壽命等方面提出了更高更嚴格的要求。本研究項目以氣動學、自動控制爲理論基礎，將導閥設計爲活塞結構，利用導閥閥芯密封面積與活塞面積的轉換，活塞阻尼孔流阻系數和背壓的匹配設定，實現導閥超壓即開。使安全泄放閥超過壓力△Po<1％Ps，這個理論追求值真正變爲了現實，回座密封零泄漏。采用防爆監控系統，可實現遠距離超壓監控。在西氣東輸工程上已成功替代國外先導式安全閥，並在全國各天然氣集輸工程得到廣泛推廣應用，項目的安全可靠性和高效節能已被市場所認可。
文中符號注釋：Ps——整定壓力(MPa)
Pd——排放壓力(MPa)
Pr——回座壓力(MPa)
△Po——超過壓力(MPa)，△Po=Pd-Ps
△Pbl——啓閉壓差(MPa)，△Pbl=Ps-Pr
F彈——导阀彈簧力N(导阀阀芯密封比压力)，F彈=Ps·S密
S活——導閥活塞面積(mm2)
S杆——導閥閥杆截面積(mm2)
S密——導閥閥芯密封面積(mm2)
S上——活塞上腔面積(mm2)，S上=S活-S杆(mm2)
2．國內外安全閥技術現狀
(1)从国内来看，安全阀产品不论是采用直接载荷式(重锤式、重锤加杠杆式、彈簧式)还是非直接载荷式(先导式、补充载荷式)，其主要性能指标遵循GB/T 12243—2005《彈簧直接载荷式安全阀》标准规定。在气体介质中超过压力△Po≤10%Ps，启闭压差△Pbl≤15%Ps，流道直径≥20mm，密封泄漏率为20气泡数/min。在石油天然气采输场站实地调查和排放调试情况看，安全阀超过压力△Po ≤5%Ps，也难以满足天然气集输装置安全排放使用。在现场安装调试一台整定压力7.2MPa、DN50的先导式安全阀，超过压力△Po升至2.8%Ps，即排放压力为7.4MPa时，天然气从安全阀主阀出口泄漏的声音已使几米内的调试人员听不到说话声，但还没达全行程排放。待排放压力增加到Pd≤7.2+7.2×5%≤7.56(MPa)才全启排放，调试现场工作人员早已没有任何安全感了。若在标准允许的△Po≤10%Ps范围内工作，则更不敢设想。
由于我國天然氣工業發展還處于初級階段，天然氣用安全閥與其他工業用安全閥在使用特點要求上存在著質的區別還沒有完全被人們所認識。這種區別在于，一是天然氣本身屬易燃、易爆介質，若使用的安全閥長期泄漏，一旦環境出現火種或遭雷電襲擊，會發生嚴重火災事故。如在90年代初四川磨溪氣田曾發生過一起由于安全閥泄漏，雷擊引起天然氣燃燒，造成重大破壞和經濟損失；二是天然氣介質不同于其他液體或蒸汽，一般集輸都是中高壓，特別是在高壓力情況下安全閥泄放，排放量要大、排放速度要快，性能指標要求遠遠高于液體或蒸汽；三是從安全性出發要求天然氣用安全閥超壓即刻全行程排放，一旦排放泄壓完畢迅速回座關閉“零泄漏”，高效節能，使用壽命要長。
爲此，一些石油天然氣設計院專門組成考察小組，到全國各地安全閥生産廠調研考察定點生産。由于産品結構所定排放精度不能滿足天然氣集輸裝置的運用，一些天然氣礦區根據工程的需要規定不能選用國産安全閥。
(2)从国外来看，美国安德森-格林伍德公司生产的AGCO安全解压阀(先导式安全阀)为目前世界先进水平。采用ASME规范Ⅷ篇、API 526和API 527标准，结构设计主要采用膜片或活塞作为传动部件，导阀感测出口压力信号，实现开启回座。其主要技术参数超过压力△Po可达到3%～4%Ps，启闭压差△Pbl≤10%Ps，密封泄漏率为O气泡数/min。中国五环化学工程公司“千米桥潜山凝析气田天然气处理厂脱酸装置”2001年6月选用的美国API RP520/ASME第Ⅷ篇标准普通先导式安全阀HTO-06CB-4L6，进口连接4″-600LB-RF，排放孔面积392mm2，在操作溫度20℃情況下，Ps=7.08MPa、Pd=7.35MPa、△Po=3.8%Ps，不能完全滿足現場工況使用要求。天然氣在超壓開啓部分泄放量大，能源損失嚴重，安全閥的售後服務和維修配件也很不方便，況且進口一台國外安全閥價格大約爲國産同類産品的8～10倍，性能價格比很不合算。
3．結構功能原理
以氣動學、自動控制爲理論基礎，在先導式安全閥基本原理基礎上，將導閥設計爲活塞式導閥，並在活塞上設計阻尼孔。主閥設計爲自緊式結構，創新出一種新型的即開式安全保護閥，使安全閥超過壓力△Po≤1%Ps，啓閉壓差△Pbl≤10%Ps，複位准確，回座密封“零泄漏”。
結構如圖1所示。
基本工作原理：
(1)当安全保护阀的阀前压力低于整定压力时，导阀整定彈簧将阀芯推向阀座密封面，气体介质通过导压管经导阀进口进入主阀阀芯上腔，主阀阀芯在彈簧力复位作用下紧贴阀座，安全阀处于零泄漏关闭状态。
(2)当阀前压力达到或高于整定压力时，介质压力克服导阀彈簧力，导阀阀芯向上推移，超压气体介质进入活塞下腔，受力面积由阀芯密封面积转化为活塞受力面积，受力面积瞬间增加，推动活塞上升力增大，而活塞上腔由于通过阻尼孔与出口端形成通路的作用，压力增长缓慢，并与活塞下腔形成较大压差，导阀立即轻松开启。随之主阀上腔气室内的气体从导阀出口排出，上腔泄压，主阀开启，介质迅速排放。
(3)在气体介质压力全行程排放过程中，导阀活塞下腔气体介质压力通过阻尼孔传递到活塞上腔，活塞上腔空间距离已达到最小值。造成活塞上下腔气室压差近乎相等，活塞下腔面积压力与上腔面积压力及导阀彈簧密封比压力形成动态平衡，使导阀处于开启状态，气体介质稳定排放。
(4)当气体介质压力降至回座压力时，导阀活塞上腔在背压力和导阀彈簧力共同作用下大于活塞下端所受介质压力，导阀迅速关闭，实现零泄漏。
4．技術及性能參數
4.1 超压即开
在天然氣集輸裝置系統，由于天然氣介質本身特殊要求較高，要滿足安全可靠、高效節能、使用壽命長的特性，就必須保證超壓即刻排放。
即開式天然氣集輸專用安全保護閥其關鍵核心技術之一就是將導閥設計爲活塞結構，利用導閥閥芯密封面積與活塞開啓面積的轉換，增大開啓力，克服密封面間産生的吸附力、靜壓力、摩擦力。通過在導閥活塞上設計阻尼孔，並與閥體凸台流道孔匹配，以滿足介質壓力上升到開啓壓力時，活塞上腔氣室通過流阻系數的匹配與活塞下腔形成較大面積壓差，實現導閥的超壓即開，使安全泄放閥超過壓力△Po<1%Ps這個理論追求值真正變爲現實。
如圖2所示，安全閥導閥開啓時，Ps·S密>F彈，閥瓣離開閥座端面，氣體介質開始泄漏並作用于活塞底端面，由于活塞面積S活，即遠大于導閥密封面積S密，即Ps·S活≥Ps·S密，閥瓣迅速上移，導閥排放，主閥隨即排放。
4.2 准确复位
GB/T 12243—2005标准规定，空气或其他气体用安全阀的启闭压差△Pbl≤15%Ps。当回座压力Pr越趋向于整定压力Ps时，启闭压差△Pbl越小，安全阀回座时间越短，精度就越高，节约大量能源。
(1)本项目巧妙运用密封气室和气室面积差压关系，通过计算机模拟动作设计和实验室数据验证，使流经活塞阻尼孔的介质在活塞上端产生的压力在彈簧力作用下与活塞下端建立面积差压动态平衡关系，随介质压力的超压排放，实现安全保护阀复位准确和回座关闭。
(2)本産品在設計時利用活塞上下腔氣室動態平衡條件，實現啓閉壓差△Pbl精度調節。導閥回座時氣室平衡條件如圖3所示。
故：回座壓力Pr與整定壓力Ps的比值爲設計所設定的導閥密封面積S密與閥杆面積S杆的比值。並由設定的導閥閥芯密封面積與閥杆面積的比值計算確定啓閉壓差值△Pbl≤10%Ps。因而複位准確，工作穩定可靠。
4.3 回座密封“零泄漏”
一般安全閥在出廠或剛使用時都符合國家通用閥門標准規定，但在天然氣工況現場超壓排放幾次就出現超壓排放工作困難，回座密封泄漏嚴重等現象，現場工人把這種現象稱爲“超壓不能開啓、回座不能關閉”。
針對天然氣集輸裝置安全閥使用中存在的問題，在對其結構工作原理深刻剖析的基礎上采用了以下關鍵技術：
(1)主阀采用自紧式结构。如图4．图5所示，阀芯设计成圆柱台阶形，一是利于阀芯全行程开启时限位；二是利于主阀轻便开启。阀芯上部面积大于阀座密封面积，在设置压力下，进口介质压力越高，密封力越大，主阀阀芯阀座密封越可靠。主阀彈簧的作用只是复位和预紧力的实现。
(2)导阀设计成活塞迷宫阻尼结构，阀芯的密封面积远小于活塞面积，较小彈簧力产生的密封比压力就可满足工作要求。
(3)主阀、导阀阀芯阀座采用硬软双质密封副。如图6所示，阀芯底端内锥面与阀座凸台锥面组成硬密封副，硬密封面堆焊stellite合金，并配对研磨，耐蚀、耐腐、耐冲刷，阀芯内腔硫化氟橡胶与阀座锥面凸台端面组成软密封副。阀芯底端嵌的软密封垫，设计受力条件三相应力，满足高压力密封条件，底端内锥硬密封面，也是定位面，使软密封材料始终在彈性范围内工作。硬软双质密封副保证了气体介质密封可靠，实现了安全阀回座密封“零泄漏”。使安全阀回座密封零泄漏这一长期存在的技术难点得到解决，通过静压试验该阀启闭1500次以上仍保证
回座密封“零泄漏”，真正達到人們所期望高效節能、安全可靠的目的。
4．4 性能指标
(1)排量系數的測試
由四川省産品質量監督檢驗所委托中國核動力研究設計院二所對即開式天然氣集輸專用安全保護閥進行排量測試，編號：(中心)2010號，排量系數Kd=0.835。
(2)性能參數型式試驗。
該閥型式試驗送機械工業通用機械産品檢測所測試，編號NO:2004FM450。整定壓力Ps=7.0MPa，按標准排放壓力Pd應≤7.7MPa，回座壓力應≥5.95MPa。
(3)性能指標
超過壓力：△Po
啓閉壓差：△Pbl≤10%Ps；
公稱壓力範圍：PN1.6～32.0MPa；
公稱通徑：DN25～DN200
密封泄漏率=0氣泡數/min
介質溫度：-46℃～220℃
排量系數：Kd=0.835
5.結束語
該項目針對天然氣工業需求而開發，拓新了傳統的設計理念和設計方法，形成了自己的特色。保障集輸裝置安全可靠運行，替代進口，促進國産裝備水平提高。可廣泛用于石油天然氣、化工、冶金等領域。先後被國家評爲2001年國家重點新産品、2003．年國家火炬計劃、2005年國家技術創新基金項目。
目前在我國四川、陝甘甯、青海、新疆、大慶五大天然氣主産區油氣田管路集輸裝置采用，在四川天然氣礦區、“西氣東輸”工程各支線和站場、中奧合作廣東LNG液化天然氣項目、“陝-京”輸氣管線、“靖-西”管線、“忠-武”管線、中石油塔裏木油田、澀北氣田産能建設、河北省天然氣利用工程、海南環島輸氣管線等國家重點工程上，替代進口産品，爲國家節約了大量外彙支出。它的推廣和應用必將帶來巨大的經濟效益和社會效益。
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