火炬系統(tǒng)中爆破針閥選型分析
——從ASMEUD認證說起

王金良(惠生工程（中國）有限公司，上海 201210)

火炬系統(tǒng)中爆破針閥選型分析
——從ASMEUD認證說起

王金良(惠生工程（中國）有限公司，上海 201210)

本文將從ASMEUD認證說起，介紹UD認證的過程以及該認證的重要性，并闡述了UD認證的局限性和相關用戶對于UD認證的常見誤區(qū)。接下來，本文討論了火炬系統(tǒng)工況對于爆破針型閥的特殊挑戰(zhàn)，分析了時間和溫度對于實際爆破壓力的影響，并以實驗數據為佐證重點分析了時間因素對于三類常見的爆破針型閥長期可靠性的影響。最后本文提出了爆破針型閥選型時UD認證之外的具體要求。

火炬系統(tǒng)；爆破針型閥；靜摩擦系數；UD認證

1 引言

設置火炬系統(tǒng)的目的是將工藝裝置在各種工況下排放的無法回收和再加工的可燃物料收集并送到火炬頭及時燃燒，以確保裝置的安全運行，并減少對環(huán)境的污染。

火炬系統(tǒng)工藝技術的安全性非常重要，如排放不暢，就有可能造成爆炸的危險，對人員和設備構成巨大威脅。因此，任何可能導致排放管道不暢通的設備均應設置“失效安全型”的非重閉式泄壓裝置（爆破片或者爆破針型閥）作為旁路，旁路的動作必須不依賴其它外界條件，在主路不能完成泄放任務時自動開啟以將火炬氣泄放至火炬頭燃燒，以保證火炬系統(tǒng)自身及其上游裝置的安全性。

與爆破片相比較，設計良好的爆破針型閥具有動作精度高、復位安全簡單迅速、無需定期更換、泄放時不會產生碎片、長期使用成本低等優(yōu)勢。因此，爆破針型閥受到越來越多用戶的青睞，成為火炬系統(tǒng)中旁路的首選。

對于多數用戶而言，爆破針型閥是一種較新的泄壓裝置，選型經驗欠缺。很多用戶在采購階段對爆破針型閥認識僅限于ASMEUD認證，并且認識十分有限，且某些廠家也在故意混淆某些概念，企圖打擦邊球，這會給用戶帶來諸多困惑。同時，不同爆破針型閥的設計原理和泄壓方案差別較大，即便均通過了UD認證，不同產品的泄壓精度、泄壓可靠性和密封性能等關鍵指標差異巨大，這也會使得用戶在對爆破針型閥選型時變得十分困難。

本文將從UD認證說起，介紹UD認證的過程以及該認證的重要性，并介紹相關用戶對于UD認證的常見誤區(qū)。在此基礎上，本文將提出除了UD認證之外，火炬項目對于爆破針型閥的其它關鍵要求進行分析，供相關用戶在選型時參考。

2 ASMEUD認證的過程及常見認識誤區(qū)

2.1 ASME UD認證過程

ASME認證中屬于鍋爐與壓力容器范疇的有21種，如U、U2、U3、UV、UD、S等，其中UD認證和授權鋼印是針對非重閉式泄壓裝置的。申請UD認證和授權鋼印，需經歷如下過程：

(1)申請單位向ASME發(fā)函，獲取、填寫并提交申請表格和文檔材料，并繳納相關費用；

(2)ASME對收到的申請材料進行審核，包含但不限于產品型式、產品設計計算書、產品圖紙、材料清單、尺寸和壓力范圍、認證介質、流道特征、測試方法等。上述申請材料審核通過后，ASME會確定第一批送檢樣品的規(guī)格和數量，通常而言ASME要求的樣品規(guī)格不少于3種，每種規(guī)格不少于3臺。

(3)申請單位按ASME要求制造第一批送檢樣品，制造完畢后送至ASME指定的實驗室，按照ASME規(guī)范要求進行檢測。若樣機檢測結果不符合規(guī)范要求，申請將被駁回。

(4)申請單位接到ASME關于送檢樣品通過檢測的通知后，向ASME提出現場聯檢申請。隨后ASME安排現場聯檢時間，并要求申請單位準備聯檢使用的樣品。

(5)按照預定的聯檢時間，ASME代表（聯檢組長）抵達申請單位的工廠，對企業(yè)的質量控制體系及其實施情況進行嚴格審查，通常聯檢時間不少于兩天。聯檢內容包括但不限于：質控體系文件的審核；質控團隊的審核；質控體系的貫徹實施的考核；分供貨商管理；原材料采購要求及材料質量控制；來料檢驗程序；加工工藝；核心部件加工演示；產品裝配演示；無損檢測程序、演示及實施；焊接工藝評定及演示；熱處理；測量及測試設備的校驗及評定；爆破針的材料控制、加工要求、加工過程、無損檢驗和試驗；爆破針型閥試驗程序及實施；文檔保管維護；不符合項處理；爆破針及爆破針型閥的標識。

(6)在ASME聯檢過程中，ASME會隨機抽取生產過程中的兩臺產品，進行壓力和密封性能試驗以及動作性能試驗。這兩臺產品測試合格后，ASME代表會將其鉛封，并要求作為第二批送檢樣品送至指定的實驗室進行檢測。

(7)經現場聯檢，如果ASME代表認為申請單位符合要求，其將向ASME提出頒發(fā)認證和授權鋼印的建議。待第二批送檢樣品也通過ASME規(guī)定的測試后，ASME將向申請單位頒發(fā)ASME鋼印和授權證書。

在收到UD鋼印和授權證書后，持證企業(yè)方可以宣傳其認證范圍內（產品系列、尺寸、壓力均應在認證范圍內）的產品已通過UD認證，并承攬打UD鋼印產品的生產制造。

2.2 ASME UD認證的重要性

從以上過程不難看出，UD認證的意義不僅僅在于對產品的測試，更是對質量控制體系的嚴格考核，以保證企業(yè)能夠生產出質量穩(wěn)定的產品。

對于用戶而言，UD認證更重要的意義在于ASME對于被認證企業(yè)和產品的嚴格監(jiān)管，這是UD認證的精華和核心。在取得UD認證后，ASME代表還可隨時對認證企業(yè)和產品進行“飛行檢查”，并且在發(fā)貨前產品技術和質控資料將在National Board（代表ASME）備案，ASME代表可對全套資料審查，而且ASME代表可隨時到產品安裝現場實地考察。所有這些對產品使用者而言都是一種保障，因此，相關用戶紛紛要求所供貨產品必須通過UD認證，且?guī)D鋼印。多數保險公司對于采用未經ASME等權威機構認證的產品的項目不予承保。

2.3 對于ASME UD認證的常見認識誤區(qū)

在實踐中，不少用戶對于爆破針型閥以及UD認證的認識十分有限，且某些廠家也在故意混淆某些概念，企圖打擦邊球，這給用戶帶來了諸多困惑，并造成了一些認識誤區(qū)。

2.3.1對企業(yè)持有UD認證與其產品帶UD鋼印的關系認識不清

持有UD認證證書是企業(yè)生產出ASME認可的產品的必要條件，但不是充分條件。UD認證是對企業(yè)和產品的雙重認證，某企業(yè)持有UD認證證書，并不意味著其生產的爆破針型閥均經過ASME認可并可以打UD鋼印。也就是說，與其它類型的ASME認證一樣，任何企業(yè)所持的UD證書都是有認證范圍的，該認證范圍在美國鍋爐與壓力容器國家委員會（National Board，簡稱NB）的公開出版物“NB-18”中詳細列出，并在NB官方網站每周更新。

只有在認證范圍內（設計、圖紙均需與在ASME的備案一致），且嚴格遵循ASME質控要求生產的產品，才可以打UD鋼印。對于出廠時打了UD鋼印的產品，ASME對其設計和質量進行背書。對于未打UD鋼印的產品，即便是由持有UD證書的廠家生產的，ASME也不對其設計和質量進行背書。

2.3.2對ASMEUD認證的局限性認識不足

UD認證的局限性主要體現在認證過程中兩次檢驗所使用的閥門的尺寸、測試壓力以及要求的爆破精度與實際火炬項目相去甚遠。據了解，受ASME測試實驗室實際條件的限制：

（1）ASME選取的閥門規(guī)格較小（通常小于3”），最常選取的閥門尺寸為2”、2.5”和3”。

（2）測試時通常僅選擇一個測試壓力，最常選取的測試壓力為 15 psi（100kPa）。

（3）測試條件為室內常溫，介質為氮氣。

（4）對于爆破精度測試，驗收標準執(zhí)行ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第1冊UG 127篇的要求：當設定壓力小于等于40 psi(300 kPa)時，爆破壓力的允許偏差不應超過±2 psi(±15 kPa)；當設定壓力大于40 psi(300 kPa)時，爆破壓力的允許偏差為±5%[1]。

（5）對于泄放量測試，測試的目的僅是為了驗證閥與閥之間的泄放量是否存在較大的個體性差異，并以此考察制造商能否生產出個體差異性小的產品，而非以此定義每一個規(guī)格閥門的實際泄放量。

不難看出，相對于火炬項目而言，UD認證的主要局限性包括：

第一，認證測試中執(zhí)行的是ASME標準中對于爆破針型閥的最低精度要求，并不能滿足實踐中火炬項目（低壓應用）對于爆破針型閥精度的要求。也就是說，即便產品通過了UD認證，也無法保證該產品一定能夠對火炬系統(tǒng)起到有效保護作用。

第二，認證中的泄放量測試使用的閥門尺寸很小，且僅僅驗證了閥與閥之間泄放量的一致性，閥門選型過程中應找到合理的方法以核算閥門的泄放量。

第三，認證測試僅限于3”以下閥門，而火炬項目中使用的爆破針型閥尺寸普遍在8”以上，直至28”甚至48”。能夠生產出通過ASME測試的閥門，未必能夠有能力生產火炬項目所需要的爆破針型閥。

第四，測試條件為室內常溫，介質僅為氮氣?；鹁嫦到y(tǒng)內的介質條件以及環(huán)境工況比這要復雜得多。

本文將從爆破精度和泄放量核算等各個方面分別討論火炬項目對于爆破針型閥的其它關鍵要求。在討論爆破精度時，本文除了提出火炬系統(tǒng)對于爆破針型閥爆破精度的基本要求之外，還從長期運行角度對幾種不同設計的爆破針型閥滿足相關要求的難易程度和可能性進行分析。

3 火炬系統(tǒng)對于爆破精度的要求

火炬系統(tǒng)是工廠的最后一道安全防線，而作為旁路使用的爆破針型閥則是火炬系統(tǒng)最后的安全保障，其必須保證在主路不能完成泄放任務時準確開啟。因此，爆破精度這一參數對于火炬系統(tǒng)中爆破針型閥的選型具有特殊重要的意義，是必須著重考慮的一項。

火炬系統(tǒng)是全廠裝置公用的安全設施，受各個工藝裝置排放條件的制約，火炬氣總管和各個支管的最高允許背壓通常較低，也就是說所選用爆破針型閥的設定壓力很低，通常在20～100kPa，某些低壓工況甚至低于10kPa。

如前文所述，ASME規(guī)范對于該壓力水平下爆破精度的要求為±2 psi（±15kPa）。也就是說，如果在采購爆破針型閥時僅規(guī)定其通過UD認證，則其爆破精度驗收時將執(zhí)行這一標準。這一驗收標準是針對所有行業(yè)壓力容器與壓力管道的最低要求，并無法滿足火炬系統(tǒng)特殊低壓工況的要求。在火炬設計階段，工程公司及用戶必須根據其火炬系統(tǒng)的實際情況提出爆破精度的明確要求。根據近年來的工程實踐，火炬系統(tǒng)用爆破針閥的動作精度可規(guī)定為：當整定壓力高于40kPa時，精度為±5%；當整定壓力低于40kPa時，精度為±2kPa。

眾所周知，如何保證超低壓力工況下較高的泄壓精度，對于任何泄壓裝置而言，均是一個挑戰(zhàn)，爆破針型閥也不會例外。因此，本文將著重分析幾種不同設計的爆破針型閥滿足火炬項目精度要求的難易程度和可能性。

此外需要特別指出的是，火炬系統(tǒng)的特殊低壓工況決定了任何能夠引起實際爆破壓力發(fā)生改變、漂移的因素都應該格外注意辨明，并請爆破針型閥廠家提出合理且成熟的解決方案。對實際爆破壓力會產生顯著影響的因素包括時間和介質溫度等因素，本文也將著重分析。

3.1 爆破精度與密封性能難以兼得

爆破針型閥主要由開關閥體和泄壓觸發(fā)機構兩部分組成[2]，其中泄壓觸發(fā)機構動作原理如下：介質壓力作用在加載元件上產生動力，此動力在克服相關阻力后的剩余力經加載機構作用在爆破針上，當爆破針承受的載荷達到其失穩(wěn)臨界載荷時，其會失穩(wěn)彎曲進而觸發(fā)泄壓。

相關阻力（主要是摩擦力）有一定的變動性，不可能100%地精確計算，因此，控制相關阻力與介質動力相比較所占的比例對于保證爆破針型閥精度至關重要。阻力與介質動力相比較所占的比例越低，阻力的變動性對于爆破針型閥精度的影響越小，越有利于保證爆破針型閥的精度。

為提高爆破精度，爆破針型閥的設計人員必須盡力降低相關阻力，例如，降低密封副之間的摩擦力。然而，密封副之間的摩擦力是不能隨意降低的，原因是這些密封副之間的摩擦力在某種程度上與密封性能是成正比的，為保證密封性能，就必須得有一定水平的摩擦力。

金屬密封副表面無論經過多么精密的加工，從微觀角度來講，其表面總是凹凸不平的，存在溝槽，這些溝槽成為密封面的泄漏通道，因此必須在一定的力的作用下，使密封元件表面嵌入到密封面的凹凸不平處，將溝槽填沒或形成微觀毛細管，消除上述泄漏通道。為實現密封，有效密封面單位面積上的壓緊力（即實際密封比壓）需要大于密封材料的必須比壓，并且有效密封面應達到一定的寬度，以保證微觀毛細管具有一定的長度，從而保證密封效果。

火炬系統(tǒng)中介質動力的稀缺性決定了設計人員必須竭盡全力降低相關阻力。多數廠家采取的第一個措施便是減小密封元件的寬度以降低密封副之間的摩擦力，但這必然會犧牲密封性能和使用壽命。在與某廠家交流時，曾注意到該廠家對于其火炬系統(tǒng)用爆破針型閥僅承諾啟閉25次，啟閉25次后應更換主密封，否則無法保證閥門的密封性能，這便是由提高精度而減小密封元件寬度造成的，因此，該廠家推薦為每臺閥門均準備一套密封元件作為備件[3]。其它廠家的爆破針型閥，如果設計不合理，也會存在類似的問題。

火炬氣均為易燃易爆氣體，爆破針型閥必須擁有良好的密封性能，既要杜絕外漏，又要避免內漏以防止回火閃爆的發(fā)生。因此，當爆破針型閥廠家對精度作出優(yōu)于ASME標準的承諾時，應要求廠家充分解釋其提高精度的措施以判斷其是否存在顧此失彼的傾向。

3.2 時間對于爆破壓力的影響

ASME標準規(guī)定爆破針型閥出廠時需要做兩次爆破試驗，也就是說只要這兩次試驗的爆破壓力落在了允許偏差范圍之內，就認為爆破精度符合要求。然而，爆破針型閥的用戶更應該關注的是安裝一段時間之后的實際爆破壓力，這一點在爆破針型閥選型時經常被遺忘。而實際上，密封副之間的摩擦力會隨著時間的推移而發(fā)生變化，這種變化會直接影響實際爆破壓力。

摩擦學相關研究表明，兩個剛性體接觸時的摩擦系數只與接觸表面的形貌有關。然而，表面硬度和彈性差別較大的表面作相對運動時，它們的摩擦行為更加復雜，摩擦不再只與接觸表面形貌有關，還與接觸副材料、靜接觸的持續(xù)時間、溫度、相對運動速度、預壓縮率以及材料的磨損與老化程度等諸多因素相關。

橡膠或塑料密封圈與對偶件形成相對運動之前需要克服的靜摩擦力主要由兩部分組成[4]：

第一部分是粘附力。當非金屬密封圈與剛性的對偶件之間產生相對滑動時，密封圈表層的分子鏈與剛性對偶件的粗糙峰會由于分子之間的范德華力而發(fā)生黏著，形成類似于冷焊點一樣的節(jié)點，滑動作用對這些分子鏈產生了拉伸、破壞、回彈等作用，產生了粘附力Fa。

第二部分遲滯力，非金屬密封圈在滑動時會經過許多剛性體的粗糙峰，由于非金屬的彈性模量遠遠小于其對偶件，所以非金屬會被反復擠壓變形然后再復原。在這個擠壓復原過程中，非金屬內部產生了能量損失，也就是滯后損失，這部分能量損耗由外力做功來彌補，這個力就是遲滯力Fh。

為減小密封副之間的摩擦力或者摩擦力的變動性，爆破針型閥廠家通常會采取以下措施：

其一，降低對偶件的表面粗糙度。相關試驗證明，當物體表面特別光滑時，粘附力占主導，摩擦力隨表面粗糙度的減小而增大。當表面粗糙度增加到一定程度時，遲滯力占主導，摩擦力隨表面粗糙度的增加而增大。也就是說，當表面粗糙度降低到一定程度時，繼續(xù)降低表面粗糙度并不能減小摩擦力，因為此時密封圈與對偶件表面貼合緊密，粘附力變大。并且當對偶件的表面粗糙度低至一定水平時，其表面潤滑膜難以維持，摩擦力反而增大。

表1 直接加載式直線開啟爆破針型閥實驗數據

其二，采用潤滑劑。潤滑膜在一定的程度上能將對偶件的粗糙峰與密封圈表面分開，急劇降低兩者之間的粘附作用，從而幾乎消除粘附力。相關試驗和研究表明，潤滑劑的存在不僅能夠極大降低密封副之間的摩擦力，也能夠消除摩擦力的變動性，這對于提高爆破針型閥的動作精度極其重要。

然而，隨著非金屬密封圈與其對偶件的靜接觸持續(xù)時間增長，它們之間的潤滑劑會被擠出，并且非金屬密封圈的分子會由于微布朗運動（分子熱運動）遷移到對偶件的表面，逐漸形成轉移膜。隨著潤滑劑被擠出以及轉移膜的形成，靜摩擦系數會逐漸升高。國外學者關于靜接觸持續(xù)時間對靜摩擦系數的影響進行了實驗研究，得出了一些材料與304不銹鋼對偶副之間的靜摩擦系數增加量與靜接觸持續(xù)時間之間關系的擬合曲線。其中常見的密封材料VITON的曲線如下圖1所示。[5]

從以上曲線不難看出：首先，密封圈與其對偶件之間的靜摩擦系數會隨著時間的推移而不斷增加；其次，在靜接觸初期，靜摩擦系數的增加速度較慢，也就是說爆破針型閥的動作圧力增加會較慢，這為爆破針型閥通過出廠時兩次試驗提供了條件；再次，在靜接觸一定時間后，靜摩擦系數會進入加速增加階段；最后，在結束加速增加階段之后，靜摩擦系數會進入低速增加階段。

靜接觸時間對于靜摩擦系數的影響在爆破針型閥選型時經常被忽略，結果導致用戶會選擇出廠時能夠通過爆破試驗但安裝一段時間后爆破壓力卻嚴重漂移而不能有效保護火炬系統(tǒng)的產品。

圖1 靜摩擦系數增加量與靜接觸持續(xù)時間之間關系的擬合曲線

圖2 直接加載式直線開啟爆破針型閥

3.3 溫度對于爆破壓力的影響

除非特殊規(guī)定，爆破針型閥出廠試驗均在常溫下進行。然而，火炬氣來自工廠內不同生產裝置或者壓力儲罐，不同來源的火炬氣在溫度等方面差異很大，有的火炬氣可能是極端低溫或者極端高溫。因此，在爆破針型閥選型時應充分考慮介質溫度這一因素。溫度對于爆破針型閥的影響主要表現在以下兩個方面：

其一，破壞密封材料而帶來泄漏，包括外漏和內漏。多數密封材料在超低溫狀態(tài)下，都會變硬變脆，失去彈性和韌性，從而喪失密封性能，而在高溫狀態(tài)下（超過200℃），多數密封材料也會損壞失效而失去密封作用（甚至熔化），而無法保證密封。在這種情況下，爆破針型閥不僅不能保護相關設施，還可能因為內漏和外漏成為安全隱患。

其二，非金屬材料的膨脹系數較金屬材料大得多，常用的非金屬密封材料的線性膨脹系數較鋼材高3～10倍。也就是說，非金屬材料對溫度的影響十分敏感，在溫度大幅度變化時，密封圈與相應密封副之間的配合關系和摩擦力會發(fā)生改變，也就是說爆破壓力會大幅度改變。

表2 先導式式直線開啟爆破針型閥實驗數據

此外，對于超低溫應用，若未設置長頸結構，超低溫介質的冷量會傳遞至閥桿密封以及密封之外的區(qū)域（甚至包括泄壓觸發(fā)機構區(qū)域），使得這些區(qū)域會結冰，導致閥門卡死而無法開啟，更談不上如何能夠保證動作精度。關于此問題，之前的研究中已經詳細論證，在此不再贅述[6]。

3.4 不同設計爆破針型閥對于火炬系統(tǒng)保護有效性分析

介質動力的稀缺性決定了并非任何一種設計的爆破針型閥均適用于火炬系統(tǒng)。以下將簡要介紹三種不同設計的爆破針型閥的工作原理并分析它們長期保證精度的難度和可能性。

3.4.1直接加載式直線開啟爆破針型閥

直接加載式直線開啟爆破針型閥的典型設計結構如圖2所示。這種類型爆破針型泄壓閥的開關閥本體部分的密封是基于柱塞原理設計的，由鑲嵌于柱塞型閥瓣外側的密封環(huán)與閥體內側的閥座間的過盈配合實現。這種類型的爆破針型閥的柱塞式閥瓣承受介質壓力而產生動力，此動力在克服相關阻力（包括閥桿與閥蓋密封元件之間的摩擦力和活塞與閥座之間的摩擦力等）后的剩余力通過與閥瓣一體的閥桿沿其軸向直接加載在爆破針上。當作用在閥瓣上的動力達到一定極限時，爆破針失穩(wěn)彎曲，閥瓣與閥座會脫離進而達到泄壓的目的。

以往研究曾對此類爆破針型閥的局限性進行了詳細論述[7]，包括：其一，開啟時閥瓣對于閥蓋的沖擊力巨大，大口徑閥門更是如此，甚至可能將閥蓋沖破；其二，復位時密封件極易咬傷而無法繼續(xù)保證密封性能；其三，該類型爆破針型閥用作旁路時爆破針、閥桿、閥瓣等部件均處于水平位置，這會造成密封元件的偏壓而增大摩擦力的變動性而使得動作精度難以保證。

然而，這些研究并未就時間對于該類爆破針型閥長期爆破精度的影響進行闡述。該類爆破針型閥的密封均由非金屬密封圈保證。如上文所述，非金屬密封圈與其對偶件之間的靜摩擦系數會隨著時間的推移而不斷增加，這會導致該類爆破針型閥安裝后的實際爆破壓力會持續(xù)升高而無法有效保護火炬系統(tǒng)。

某爆破針型閥廠家曾就時間對于爆破針型閥長期爆破壓力的影響進行實驗性研究。該實驗性研究所采用的閥門信息及獲得的數據匯總如表1所示。

在實驗之前，該廠家抽取了一臺3”閥門，將其爆破針置于水平位置（即：與實際用作旁路時相同的位置）進行了20次爆破試驗。然后將該閥門的爆破針置于鉛直位置進行了20次爆破試驗。兩次結果比較，發(fā)現鉛直位置明顯優(yōu)于水平位置的爆破精度。這說明密封元件偏壓造成的摩擦力變動性的確明顯降低了爆破針型閥的動作精度。為了消除密封件偏壓這一擾動因素，上表中所有爆破壓力均是在爆破針處于鉛直位置時測得。

從以上9組實驗不難看出，所有9組試驗均表明，實測爆破壓力會隨著靜置時間的延長而持續(xù)升高，而且靜置時間越長，爆破壓力升高的幅度越大，這顯然會導致該類爆破針型閥安裝后無法長期有效保護火炬系統(tǒng)，靜置6周后偏離值已經大大超過ASME規(guī)范允許的最大偏差。并且，從上表中數據中看出，爆破壓力的升高幅度隨著閥門尺寸加大有增大的趨勢，也就是說，火炬系統(tǒng)中應用的更大口徑閥門的爆破壓力升高幅度可能會更大。

此外，值得注意的是，該類爆破針型閥的設計決定了，其無法設置長頸結構，無論應用于高溫還是低溫介質，閥桿密封和閥座密封都會受到介質溫度的損害而失效，也無法保證動作精度。

圖4 膜片加載先導式旋轉開啟爆破針型閥

3.4.2先導式直線開啟爆破針型閥

先導式直線開啟爆破針型閥的設計原理與先導式安全閥的原理相似。如圖3所示，先導閥的上腔通過連通管與系統(tǒng)下游管道連通，先導閥泄壓時壓力會向系統(tǒng)下游管道泄放。先導閥下腔與主閥的上腔連通，而主閥的上腔和下腔通過主閥閥瓣上的小孔都與系統(tǒng)上游管道連通。因此，主閥下腔、上腔和先導閥的下腔都是與上游管道連通的，這幾部分的壓力與上游管道壓力相等。

當系統(tǒng)壓力超過泄壓設定值時，爆破針失穩(wěn)，先導閥會向系統(tǒng)下游管道泄壓。此時主閥上腔的壓力會迅速向下游管道泄放而降低，下腔與上腔之間的壓差會使主閥閥瓣的下表面壓力大于上表面壓力，此壓力差會將主閥閥瓣從主閥閥座上推開，從而實現上游介質向下游泄壓。

以往研究曾對此類爆破針型閥應用于火炬系統(tǒng)的劣勢進行了總結[7]，包括：其一，主閥復位時密封件極易咬傷而造成泄漏；其二，對于設定壓力較低的工況，該類爆破針型閥可能無法開啟而無法保護火炬系統(tǒng)；其三，主閥閥桿可能對人身造成傷害。

然而，這些研究并未就時間對于該類爆破針型閥爆破精度甚至閥門能否開啟的影響進行論述。該類爆破針型閥的密封由非金屬密封圈實現，這些非金屬密封圈與其對偶件之間靜摩擦系數隨著時間推移的增加，會導致該類爆破針型閥安裝后爆破壓力持續(xù)升高，也可能會導致主閥無法開啟而帶來災難性后果。

某爆破針型閥廠家曾就時間對于該類爆破針型閥爆破壓力以及主閥開啟的影響進行了一些實驗。這些試驗采用的閥門信息及獲得的數據匯總如表2所示。

這類先導式閥門的先導閥采用了直接加載式直線開啟爆破針型閥。對于6”閥門的實驗，在爆破壓力升高方面獲得的結果與直接加載式直線開啟爆破針型閥相似。由于其先導閥為水平放置，靜置之前20次實驗獲得的爆破精度較差。

對于8”閥門的實驗，由于其設定壓力為30kPa，其先導閥使用的密封元件的直徑遠小于設定壓力為100kPa的閥門，故靜置之前20次實驗獲得的爆破精度優(yōu)于6”閥門。

在靜置9周之后，將壓力升高至50kPa，閥門沒有動作，也就是說，爆破壓力至少較之前試驗獲取的最大值升高了16.1kPa。

此時，實驗人員將爆破針取下，空打閥門，以驗證靜置時間對于主閥開啟的影響。當壓力升高至27.6kPa時，不帶針的先導閥動作，但主閥未隨著先導閥的開啟而開啟。這說明，主閥密封元件與其密封副之間的持續(xù)靜接觸使得靜摩擦系數大幅度增加，導致主閥下腔與上腔之間形成的壓差不足以將主閥閥瓣從主閥閥座上推開。

從以上2組實驗不難看出，靜置時間這一因素對于該類閥門的影響體現在以下兩個方面：其一：導致爆破壓力升高；其二，導致主閥密封元件與其密封副之間的摩擦力增加，甚至導致主閥在先導閥動作后無法開啟。這些對于火炬系統(tǒng)而言，都是巨大的安全隱患。

3.4.3膜片加載先導式旋轉開啟爆破針型閥

該類閥門將爆破針技術、膜片加載技術及角行程開關閥完美地結合起來，其動作原理如圖4所示。

爆破針型先導閥的腔體通過壓力連通管線與蝶閥上游相連接，介質壓力通過膜片加載在閥桿上并傳遞至爆破針。當管線內壓力小于設定壓力時，爆破針保持穩(wěn)定，與閥桿固定連接為一體的鎖止卡套將兩個鎖止手柄卡住，使得鎖止手柄將助力機構的頂桿頂住，蝶閥處于關閉狀態(tài)。當管線內壓力達到設定壓力，爆破針失穩(wěn)彎曲而喪失承載能力，管線內介質壓力將推動膜片并進而帶動鎖止卡套向右移動直至失去對鎖止手柄的約束。此時，鎖止手柄將釋放助力機構的頂桿，助力機構帶動蝶閥開啟而達到泄壓的目的。

該類爆破針型閥的創(chuàng)新性設計主要體現在以下兩個方面：

第一，在設計上將先導閥與主閥的摩擦系統(tǒng)隔離開來，使得先導閥的動作不受主閥密封系統(tǒng)摩擦力的影響，也就是說主閥密封系統(tǒng)摩擦力對于先導機構的動作不會產生影響，而主閥本身是是通過彈簧式執(zhí)行器開啟的，主閥選擇時無需考慮介質壓力產生的動力的制約，可選擇密封等級很高的蝶閥，主閥密封性能得以保證。

第二，爆破針型先導閥采用膜片作為加載元件，解決了其它爆破針型閥存在的動作精度與密封性能無法同時兼顧的問題。膜片具有彈性變形大、密封性好等特點，徹底解決了閥芯與閥座配合不可靠而產生泄漏的問題以及閥芯與閥座之間的摩擦力變動性較大而無法保證精度的問題。

某爆破針型閥廠家曾就時間對于該類閥門長期爆破壓力的影響進行實驗性研究。該實驗性研究所采用的閥門信息及獲得的數據匯總如表3所示。

從以上6組實驗未發(fā)現靜置時間這一因素對于爆破壓力的影響。也就是說，該類型爆破針型閥通過其更加合理的設計，保證了同時獲得最佳的爆破精度和密封性能，并且長期爆破精度可以保證。

此外，先導閥與主閥之間有足夠長的連接管，并且先導閥和連接管內的介質始終處于不流動的狀態(tài)，這意味著不論爆破針失穩(wěn)與否，內部介質都不會流動。此結構可保證溫度梯度的形成，保證了先導閥始終處于常溫下而不受高溫或超低溫介質的影響。并且，該類爆破針型閥可以使用金屬密封蝶閥，這些均保證了該類爆破針型閥既適用于高溫工況，又適用于超低溫工況。

4 火炬系統(tǒng)對于爆破針型閥泄放量的要求

ASME對于流阻系數的測試更多的是為了驗證閥與閥之間的泄放量是否存在較大的個體性差異，并以此考察制造商能否生產出個體差異性小的產品。在本質上這是一種泄放量一致性測試，并非以此定義每一個規(guī)格閥門的實際泄放量。

并且ASME實驗室條件有限，決定了試驗對象和試驗工況極其有限，因此，ASME認證也有其局限性；受ASME實驗室條件所限，只能測試3寸以下的閥門。而且廠家可以選擇某種方式(真實產品或等比例模型)選取樣品送檢，各個廠家選取樣品的方式不同，決定了廠家之間的流阻系數不具有可比性。

在實踐中，為了突破ASME試驗的局限性，更好地反應閥門的真實泄放量，在需要核算流通能力時，可以要求爆破針型閥廠家提供Cv值，以依據TP-410按照閥門尺寸、介質物性、操作溫度、流體壓力等工況條件以及閥門的Cv值計算閥門的真實泄放能力。這一計算方法，是相關國際標準和國內外工程公司普遍認可的計算方法[8]。

5 結語

火炬系統(tǒng)作為全廠共用的安全設施，工藝技術的安全性至關重要，如排放不暢，就有可能造成爆炸的危險，對火炬自身以及上游設備和人員造成巨大威脅。作為火炬系統(tǒng)的最后一道安全防線，爆破針型閥的選型十分關鍵，必須全面考慮各方面因素以確保其能夠長期可靠地起到保護作用。

在火炬系統(tǒng)采購過程中，通常要求爆破針型閥通過ASME UD認證，并在供貨時帶UD鋼印。這是十分重要的，產品帶UD鋼印意味著ASME對于這些產品的嚴格監(jiān)管和質量背書。然而，火炬用戶必須認識到，UD認證應該是對爆破針型閥的入門級最低要求。火炬系統(tǒng)需要的并不只是通過UD認證的爆破針型閥，而是能夠長期可靠地精確泄壓的產品。

除了介紹UD認證的局限性和相關用戶對于UD認證的常見誤區(qū)之外，本文重點討論了火炬系統(tǒng)的特殊低壓工況對于爆破針型閥的挑戰(zhàn)，并分析了時間和溫度對于實際爆破壓力的影響。

本文還以實驗數據為佐證分析了時間因素對于三類常見的爆破針型閥長期可靠性的影響。對于直接加載式和先導式直線開啟這兩類爆破針型閥而言，實際爆破壓力會隨著靜置時間的延長而持續(xù)升高，并且靜置時間越長，爆破壓力升高的幅度越大，靜置6周后偏離值已經大大超過ASME規(guī)范允許的最大偏差，這顯然會導致這兩種爆破針型閥安裝后均無法長期有效保護火炬系統(tǒng)。此外，對于先導式直線開啟爆破針型閥而言，主閥密封元件與其密封副之間的持續(xù)靜接觸會使得靜摩擦系數大幅度增加，導致主閥下腔與上腔之間形成的壓差可能不足以將主閥閥瓣從主閥閥座上推開，致使主閥無法開啟。

而膜片加載的先導式旋轉開啟爆破針型閥，通過其創(chuàng)新性設計，既解決了其它爆破針型閥存在的動作精度與密封性能無法同時兼顧的問題，同時獲得很高的精度和可靠的密封，又不存在因靜置時間推移而造成爆破壓力升高的問題，是火炬系統(tǒng)的合適選擇。

總結來看，火炬用戶和設計方在選型時，應根據實際工況要求提出UD認證之外的具體要求，包括但不限于：第一，應明確規(guī)定爆破針閥的爆破精度，根據近年來的工程實踐，火炬系統(tǒng)用爆破針閥的動作精度可規(guī)定為：當整定壓力高于40kPa時，精度為±5%；當整定壓力低于40kPa時，精度為±2kPa。并應要求廠家解釋其如何做到精度與密封性能兼顧。第二，應要求廠家解釋其如何保證閥門在安裝一段時間后爆破壓力不發(fā)生漂移改變。第三，對于高溫和超低溫等工況，應要求廠家解釋其如何消除介質溫度對于爆破精度和密封性能的不利影響。第四，應采用有實際使用業(yè)績的產品，畢竟UD認證測試僅限于3”以下閥門，而火炬項目中使用的爆破針型閥尺寸普遍在8”以上，能夠生產出通過ASME測試的閥門，未必能夠有能力生產火炬項目所需要的爆破針型閥。第五，如果有條件，可以要求爆破針閥生產廠家進行爆破精度、密封性能和爆破壓力隨時間飄移的相關現場試驗以實地考察廠家能力。

[1]ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第1冊,2010.

[2]API Standard 520,Sizing,Selection,and Installation of Pressure-relieving Devices Part I—Sizing and Selection,2014.

[3]Buckling Pin Pressure Relief Technology,BSamp;B Pressure SafetyManagement,L.L.C.公司公開出版物(Catalogue77-1015).

[4]溫詩鑄,黃平.摩擦學原理[M].第4版.北京:清華大學出版社.2012.

[5]LaurenceW.McKeen.Fatigue and Tribological Properties of Plastics and Elastomers(First Edition)[M].Oxford:William An?drew Publishing,1994.

[6]低溫地面火炬用爆破針型閥選型分析[J].劉良海,中國化工貿易,2017(1):250-255.

[7]爆破針型閥在火炬系統(tǒng)的應用以及發(fā)展歷史[J].辛宏亮,化工管理,2017(15):191-195.

[8]Crane Technical Paper TP-410,Flow of Fluid Through Valves,Pipeand Fittings

This paper analyzes the selection of buckling pin valves.It introduces the processand importance of ASMEUD cer?tification,and describes themain lim itationsof and m isunderstand?ingson UD certification.Themain challenges for the buckling pin valve in flare system isdiscussed due to its low pressure service con?dition,and the influence of time and temperature on the bursting pressure isanalyzed.Some experimentaldata are used to prove the influence of time on the reliability of buckling pin valve in the long term.In the end,the main requirements on buckling pin valvesbesidesUD certification are summarized.

Flare System;Buckling Pin Valve;Static Friction Coefficient;UD Certification