提升过程安全的新路径——最后一道防线“压力安全阀”的智能化

作者 | Mashhood Zafar

压力安全阀（PSV）的设计初衷是在达到预设压力时开启并释放流体，直至压力降至可接受水平。然而，众多严重事故表明，若在运行期间未对压力安全阀进行主动监控，操作人员容易忽视整定压力漂移、回座压力及颤振等关键性能指标。本文将探讨如何通过整合上下游压力监测、快速数据采集以及在控制系统设计中融入适当安全功能，将压力安全阀从简单的被动设备转变为智能、可诊断的资产。

全球多起事故调查表明，压力安全阀故障是导致这些事件的一个重要原因。现有标准要求对压力安全阀进行定期检查、维护和测试，但目前尚无法规强制要求持续在线监测。作为工艺过程中的最后一道防线，若缺乏对压力安全阀的持续监控，对人为因素的过度依赖可能导致设备老化被忽视，异常行为未被察觉。压力安全阀诊断功能的缺失，容易导致故障未能及时发现，造成代价高昂的停机，有时甚至会引发致命事故。

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在役测试的局限性

传统的压力安全阀现场手动测试技术（也称为在役测试）存在若干缺陷。例如，压力安全阀中的机械提升指示器，仅能确认阀杆运动；台架测试可在受控实验室条件下验证特定时刻的校准状态，但无法记录实际运行工况中的流体动力学、过程瞬变或背压效应等动态因素。值得注意的是，尽管定期检查必不可少，但测试间隔期内发生的缓慢性能退化常被忽视。压力安全阀的漂移可能远早于下一次计划检查就已发生。

对于安装在高处的压力安全阀，其拆卸、送检、实验室测试及回装过程，不仅成本高昂且耗费人力。此外，压力安全阀在运输和重装过程中也可能受损。最重要的是，这些方法无法反映真实动态环境下压力安全阀的实际行为特征。正因如此，操作人员难以察觉装置运行中可能出现的颤振、异常排放及整定压力漂移等问题。

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实时压力安全阀监控方案

为克服在线测试的不足，可采用声学、压力及温度传感器等多种仪表技术，来实现压力安全阀的智能化监控。本文重点探讨基于压力测量技术的实时压力安全阀监控方案。其核心思路是在压力安全阀两侧安装压力变送器，并通过事件过程中的数据轨迹进行分析。典型配置如下：

・上游压力（P1）：监测管道或容器内的实际压力；

・下游压力（P2）：测量背压，并通过捕获放空总管或排放管道压力确认流体流动。

上、下游压力传感器的输出信号，传输至由PLC、SCADA、DCS或独立系统组成的控制系统。通过压差计算（ΔP= P1–P2），可识别部分起跳或异常回座动态，清晰呈现阀门开启特性。工程师通过同步追踪P1、P2与ΔP的趋势，可获得压力安全阀性能的实时特征图谱。无需借助提升辅助装置，即可远程验证压力安全阀起跳压力精确值，也无需人工到现场操作压力安全阀。

通过上游压力变送器来对比开启与关闭压力点，可测量压力安全阀的实际整定压力与实际回座压力之差。压力变送器能够在泄压开始的瞬间精确测量整定压力，并在压力安全阀回座时记录复位压力。通过比较这两个数值可计算出差压值，从而获取阀门在实际运行条件下的真实性能数据。

颤振是一种异常且不利的现象，表现为压力安全阀频繁快速启闭，而非按理想状态完全开启、稳定压力并在工艺压力恢复正常后关闭。压力安全阀的颤振会损坏阀座、内部部件，进而削弱阀门的核心功能。发生颤振时，由于压力安全阀的快速启闭，上游压力（P1）会出现大幅波动，而下游压力（P2）则记录到阀门每次突然开启时的压力峰值和关闭时的压力下降。在控制系统中追踪P1和P2的趋势，可及时检测颤振并采取预防措施以避免事故。

压力安全阀的整定压力可能因阀门选型不当、腐蚀或弹簧疲劳等原因发生漂移。测量压力安全阀两侧压力，能够监测“整定压力漂移” 。若运行压力逐渐接近压力安全阀的整定压力，则需开展全面排查，以确保压力安全阀未发生整定值漂移。

对压力安全阀进行持续监测，通过提前识别吹降、颤振和整定压力漂移，可在发生灾难性泄漏前预防工业事故，从而保障人员的生命安全，保护财产、设备及环境。多项标准与事故调查表明，人为因素和失误是导致多数化工事故的重要原因。借助PLC、SCADA及DCS等控制系统对压力安全阀进行诊断性监测，可为过程安全增设额外保护层，同时大幅节省测试耗时，并加快检修审核进度。

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设计挑战的考量

在实施压力安全阀诊断时，必须仔细考虑来自设计方面的挑战。由于压力变送器必须在泄压操作期间承受高压、高温及瞬态载荷，传感器的耐受性至关重要。作为一种高频瞬态现象，压力安全阀颤振测量需选用高精度、快速响应的压力变送器，这大大限制了市场上通用压力传感器的可选范围。因此，业界广泛采用差压变送器来测量泄压装置两侧压差，以监测阀门开启压力，这是一种经济高效的压力安全阀监测方案。

该方式还能让控制系统在超压事件中测量流量，无需依赖昂贵的高频压力传感器。然而，若需对振动导致的阀门故障进行根本原因分析，或在最恶劣工况下必须确保关键基础设施安全时，则需采用高速压力传感器以捕捉颤振信号。同时，控制系统的模拟输入模块也需配备高速电子元件，以实现对传感器信号的快速采样。

为符合IEC 61511标准，诊断监控必须与安全关键停机逻辑保持独立，确保诊断功能的加入不会损害安全仪表系统（SIS）的完整性。压力安全阀诊断系统并非SIS的替代，而应视为辅助性诊断/监控手段，用于提升外部风险降低设施（ERRF）的可靠性，以限制事故的后果。

大量行业事故表明，压力安全阀性能不佳可能会导致严重的后果，因此绝不能忽视其监控。设计完善的压力安全阀监测系统，可通过检测排放情况，在环境保护中发挥关键作用。这一额外的诊断层为工程师提供了对压力安全阀性能的洞察能力、支持预测性维护，并增强对关键基础设施超压保护的信心。

▲本文来自于控制工程中文版杂志（CONTROL ENGINEERING China）2025年11-12月刊《技术文章》栏目：压力安全阀的智能化：提升过程安全的新路径