先导式安全阀失效原因及措施分析

先导式安全阀失效原因及措施分析
摘要：介绍先导式安全阀的结构和工作原理，分析了某装置吸附塔安全阀失
效引起的原因及危害，并提出相应的处理措施。

关键词：先导式安全阀失效分析处理措施
先导式安全阀是安全阀的一种，当系统压力发生变化时，通过导阀操作主阀
进行开启或关闭。

主阀的结构是套筒活塞式、密封阀座。

而导阀是直接载荷式。

此种安全阀在系统压力接近其整定压力时进行排行时，导阀排放介质，驱动主阀
启闭，具有反应灵敏，启闭压差小，排放量大等特点。

先导式安全阀在石油化工
领域广泛应用，对设备的安全运行起到了很大的作用。

1.先导式安全阀结构及工作原理
1.1先导式安全阀结构
先导式安全阀由主阀、导阀及控制回路组成。

主阀的主要结构是阀体、阀瓣、弹簧、活塞室和导管。

导阀的主要结构是阀体、下阀瓣、顶杆、弹簧、泄放装置。

控制回路通过导管将主阀和导阀进行连接，导管连通主阀的阀腔和导阀进口腔，
并在控制节点设置滑阀。

当先导式安全阀处于正常的工作情况时，滑阀处于开启
状态，阀座的密封面处于密封状态。

图1 先导式安全阀结构形态
1.2先导式安全阀工作原理
（1）安全阀正常关闭状况下
在正常操作工况下，先导式安全阀是处于关闭状态，导阀阀体内的滑阀保持开启状态，系统压力由主阀进口通过下导管、阀腔和上导管进入主阀阀瓣上方气室，此时上方气室介质压力与主阀进口的系统压力一致，导阀密封面压力处于平衡状态，处于密封状态。

同时主阀上方气室的气体也不会由导阀泄压口排放，主阀关闭并保持密封。

（如图2）
图 2先导式安全阀关闭状态
（2）安全阀泄放开启状态
当系统压力达到整定压力时，导阀的弹簧力被克服，导阀开启，滑阀关闭使进气通道隔断。

主阀顶气室的压力通过导阀进行泄压。

由于系统压力高于回座压力，滑阀封闭进气通道从而阻断流体在导阀中的流动，这时主阀顶气室的压力急剧下降，主阀阀瓣完全打开，流体通过主阀排放，降压（图3）。

当系统压力降低至回座压力时，导阀的弹簧力大于作用在滑阀上的进口压力，导阀开始回座，顶开滑阀，使介质通过导管重新进入到主阀的顶气室，在压差作用下关闭主阀，保证系统的正常运行。

图 3先导式安全阀开启状态
1.3先导式安全阀特点
（1）安全阀起在启闭前后可以保持良好密封性。

当介质力增加时，安全阀的弹簧作用力保持不变，密封力减小。

当先导阀开启力和关闭力都增加，密封力也相应的提高；
（2）先导阀启闭时，安全阀的开启动作以及高度不受背压的影响。

（3）同等口径下，先导阀安全阀的高度、重力要比其他安全阀小，其整定压力要比弹簧直接载荷的安全阀高很多；
（4）反应灵敏，当系统压力较小的超压时，可迅速达到全启状态。

安全阀正常工作压力可以接近整定压力；
（5）导阀非流动型结构设计，减少排放及环境污染；
（6）导阀启闭压差可调，可在线进行检测整定压力；
2 吸附塔安全阀失效经过及危害
2.1 故障经过
2014年5月17日某装置1系列吸附塔安全阀位号：PRV212A，介质为混合芳烃，定压值为：1.65MPa，在运行过程中先导式安全阀入口压力位1.1MPa， 1系
列吸附塔发生压力低低联锁，压力最低掉至0.22Mpa，远低于吸附塔该温度下所
要求的联锁压力0.35 MPa，紧急情况下将转阀离座、公共吸入口阀打开，现场未
发现任何外部泄漏，并且补入氮气流程全开情况下吸附塔压力仍无法上升，判断
为吸附塔安全阀异常起跳，切除安排维修。

考虑到先导式安全阀密封结构，起密封作用的关键原件是主阀阀瓣的O形圈
以及导阀阀座的O形圈，初步判断O形圈失效可能是导致该安全阀起跳的原因。

2.2失效危害
由于吸附塔为满液相操作，而安全阀后路通量很大，一旦起跳，从发现故障、确认原因，到处置结束，吸附塔将至少会有10min以上的低压时间。

吸附塔低压
容易造成满液相操作的吸附塔内介质汽化，引发吸附剂微孔结构破损，对吸附剂
危害极大。

而故障过程中所导致的吸附塔压力大幅波动易造成吸附塔格栅出现变形，吸附剂发生松动错位，导致吸附剂填充密度不均匀，从而影响床层内流体流
速分布，造成各区域吸附性能差异，吸附进料质量基本相同的情况下，吸附性能
有所降低。

3失效分析
3.1关键原件检查
（1）5月18日将故障安全阀试压，在压力升至0.3MPa左右时，发现安全阀
的导阀有泄漏现象，压力升至0.4MPa左右，发现安全阀主阀出现大量泄漏。

随
即对安全阀主阀拆检，经外观检查，发现该安全阀主阀阀座金属密封面上有3道
贯穿的划痕（图4）。

图4主阀密封面图5阀瓣密封面
（2）在拆除导阀的弹簧侧时发现有小部分介质，弹簧有略微的生锈（图6）。

该处正常情况时不应该存在介质，原因应是下侧压力平衡室密封圈存在变形导致
的介质泄漏。

弹簧生锈应该是通过导阀排空口长时间接触空气造成的。

图7导阀弹簧图8导阀密封面
3.2密封元件检查
（1）主阀阀瓣O形圈出现明显溶胀。

（2）导阀阀瓣O形圈出现轻微溶、弹性降低、破损断裂
3.3失效原因分析
从先导式安全阀的关键原件以及密封元件检查，可以发现导阀O形圈存在变
形缺陷，导阀的气室通道被阻塞，使介质压力不断减小，无法通过导管到达主阀
顶部的气室，这样主阀密封压力平衡无法保持。

主阀作用于密封面的气室压力逐
渐减小，会引起主阀阀瓣密封压力逐渐降低，在达到或超过一定压力后，主阀阀
瓣密封压力减少到临界点，出现轻微泄露，此种工况维持较长的一段时间后，泄
漏部位的阀瓣密封材料发生损坏，阀瓣O形圈发生溶胀变形并高压作用下出现破损，引起安全阀异常起跳，同时阀瓣由于O形圈溶胀，使安全阀起跳后无法回座，造成持续排放。

3.4处理措施
（1）对安全阀采取返厂维修，更换所有O形圈，原O形圈材质升级为全氟
醚O形圈，对主阀阀瓣密封面进行维修，导管连接件更换，提高安全阀在同样工
况的稳定性。

（2）吸附塔安全阀后增加了爆破膜，其设计压力略低于安全阀整定压力，
避免安全阀异常起跳对吸附塔床层的冲击，增加安全运行系数。

4小结
本次先导式安全阀失效主要是O形圈的失效变形引起安全阀异常起跳。

参照《固定式压力容器安全技术监察规程》的相关规定落实先导式安全阀定期检验制度，做好对主阀、导阀进行解体检查以及相关配件更换等，确保设备安全保护的
最后一道防线。

参考文献
[1］固定式压力容器安全技术监察规程特种设备安全监察条例04-TSG 21-2016 [S].
[2] 化工机械，2010，34(4)：
[3]方学锋，蔡文生．先导式安全阀动作原理及应用失效分析。