張春波, 朱海清, 侯冀川2, 張詩勇2, 邢熙權(quán), 張 雄

(1.江南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122； 2.廣東省特種設(shè)備檢測研究院 東莞檢測院，廣東 東莞 523112)

緊急切斷閥是汽車罐車中重要的安全附件之一，其過流切斷性能(以下簡稱過流性能)能保證在汽車罐車發(fā)生意外火災(zāi)等突發(fā)狀況下，實現(xiàn)自動切斷，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

國標(biāo)GB/T 22653-2008《液化氣體設(shè)備用緊急切斷閥》中對緊急切斷閥過流性能要求是緊急切斷閥出口介質(zhì)流量達到額定流量時，閥門應(yīng)能自動關(guān)閉，介質(zhì)流量與額定流量誤差允許在±10%之間[1]?，F(xiàn)在大多數(shù)對緊急切斷閥的校驗都停留在外觀檢查和解體檢查，國內(nèi)很多研究對其性能試驗無法解決，總結(jié)為以下三點：

① 對緊急切斷閥的過流切斷的原理沒有詳盡的分析和理解；

② 對緊急切斷閥的夾緊方式?jīng)]有優(yōu)化改進，夾緊力受力不均，拆卸笨重麻煩，無法實現(xiàn)良好的密封條件；

③ 實際工況條件和理想條件有一定差距，仿真結(jié)果與實際測試實驗效果存在較大誤差。

因此，從過流性能的切斷原理分析，解決夾緊機構(gòu)的優(yōu)化，研發(fā)出一套過流性能校驗的校驗測試系統(tǒng)，實現(xiàn)對汽車罐車緊急切斷閥性能試驗快速有效的校驗和判定，獲得保證過流性能的校驗可靠性技術(shù)關(guān)鍵。

1 緊急切斷閥過流性能分析

1.1 緊急切斷閥過流切斷原理

對作用在過流閥瓣上下表面的任意兩點進行分析(如圖1所示)，由于閥瓣上下表面的液位差幾乎為零，因此可以忽略閥瓣上下表面的重力勢能對過流閥瓣的影響。

圖1 過流切斷原理圖

當(dāng)汽車罐車外接的管路意外破裂時，損壞處的流量迅速增大，在截面面積幾乎不變的情況下，破裂處介質(zhì)流動速度增大。當(dāng)速度增大時，閥體下腔的靜壓會隨之減??；而閥體上腔中始終充斥著裝卸介質(zhì)，這就導(dǎo)致上下閥腔之間產(chǎn)生了靜壓差并作用在過流閥瓣上。外接的裝卸管路失去背壓、破裂處的流量增大到一定的值，作用在過流閥瓣上的壓力和大彈簧力一起壓縮小彈簧，使得過流閥瓣向下運動并死死密封緊急切斷閥的入口處，防止液化氣體的進一步擴散流出，實現(xiàn)了緊急切斷閥的過流切斷。

1.2 緊急切斷閥過流性能校驗原理

與傳統(tǒng)校驗的人眼觀察壓力表和流量計示數(shù)不同，采用電磁流量計和壓力傳感器進行監(jiān)測和測量實時數(shù)據(jù)。如圖2所示，校驗系統(tǒng)由兩部分組成，分別是下位機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。下位機系統(tǒng)主要是由采集模塊和測控模塊組成。在液相循環(huán)管路系統(tǒng)中安裝電磁流量計和壓力傳感器，采集流量實測值和壓力實測值，組成數(shù)字化采集模塊；PLC測控模塊將接收到的實測值進行處理、轉(zhuǎn)換、傳輸。上位機系統(tǒng)主要是由操作軟件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫組成。操作軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)校驗信息的錄入、COM口的選擇、串口的打開、校驗數(shù)據(jù)的實時顯示；數(shù)據(jù)庫主要是將錄入的校驗信息和校驗結(jié)果存儲，對已經(jīng)校驗的數(shù)據(jù)提供查詢功能[2-4]。上下位機之間是通過RS232進行無協(xié)議串口通信的。

圖2 校驗系統(tǒng)原理圖

2 過流性能校驗的下位機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 夾緊結(jié)構(gòu)設(shè)計

在校驗過程中，需要將緊急切斷閥夾緊密封，保證其在罐裝氣體和液體時不能泄漏，如果不能準(zhǔn)確夾緊，那么流量計和壓力傳感器的測量精度就會產(chǎn)生一定的誤差，這將大大影響校驗的效果和準(zhǔn)確性，不能實現(xiàn)精準(zhǔn)校驗?，F(xiàn)在的夾緊機構(gòu)都存在夾緊力不足、夾緊塊受力不均、夾緊笨重、拆卸麻煩等問題。因此，對校驗緊急切斷閥的夾緊臺進行優(yōu)化設(shè)計，解決上述存在的問題，既能滿足夾緊要求，又能實現(xiàn)輕便快拆。圖3為夾緊臺的結(jié)構(gòu)三維圖，其分別由夾具、定距管、導(dǎo)向桿、彎頭、法蘭墊、定距托盤、M16×1.5螺栓和液壓微型單元組成。

圖3 夾緊臺的結(jié)構(gòu)三維圖

在傳統(tǒng)校驗中，緊急切斷閥的固定依靠的是螺栓連接，由于每一次校驗都需要拆卸和鎖緊螺栓，這樣的校驗不僅麻煩、降低工作效率，還存在著不可避免的泄漏問題。所以夾緊臺采用壓入式夾緊，通過計算、校核夾具的抗彎強度，能夠保證其抗彎要求，夾緊力的大小由液壓微型單元提供，由于夾具是整體式設(shè)計，所以不存在夾具夾緊力不均的問題，同時在緊急切斷閥與夾緊臺面接觸的中間加入法蘭墊和密封圈實現(xiàn)夾緊后緊密密封，由于汽車罐車上常見的緊急切斷閥的大小是公稱直徑DN25和DN50，所以通常需要配置兩塊法蘭墊。

緊急切斷閥入口處與氣液兩相循環(huán)管路系統(tǒng)相連，因此，采用定距管安裝，用螺栓連接緊固在定距托盤和夾緊臺面之間，保證彎頭有足夠的安置空間。液壓微型單元工作時，活塞頭向下動作，推動鎖緊在橫梁上的導(dǎo)向桿移動來保證夾緊力的大小，這樣提高了校驗的可靠性[7-10]。

2.2 PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

下位機數(shù)據(jù)的采集是以歐姆龍CP1L的PLC為測控核心的，接收電磁流量計和壓力流量計的模擬信號進行采集、放大，轉(zhuǎn)換成PLC能處理的數(shù)字信號，然后通過串口通信傳輸給上位機。PLC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要分為4個模塊(如圖4所示)，分別是數(shù)據(jù)采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和串口通信模塊。系統(tǒng)的主要工作是進行信號采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸。原理圖如圖4所示，通過監(jiān)測流量信號，進行信號處理，然后將流量模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)PLC處理運算，通過RS232無協(xié)議通信將數(shù)據(jù)處理結(jié)果上傳給上位機，由上位機顯示、存儲、生成校驗報告等[5-6]。

圖4 PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖

3 過流切斷性能校驗的上位機管理系統(tǒng)

基于Windows操作系統(tǒng)，對上位機操作軟件系統(tǒng)進行開發(fā)，采用C Sharp和SQL Server 2012作為其開發(fā)工具，上位機操作端軟件系統(tǒng)的主要功能是提前錄入待校驗閥的相關(guān)參數(shù)、與下位機通信、顯示實時曲線和實時流量值、存儲校驗數(shù)據(jù)。

C Sharp開發(fā)工具的主要優(yōu)點是它不僅具有C/C++的強大功能，而且還有Visual Basic的便捷使用功能；而SQL Server 2012使用方便，具有良好的集成性和性價比，給數(shù)據(jù)的管理帶來了靈活性。通過操作端軟件系統(tǒng)與PLC的串口通信，上位機能接收數(shù)據(jù)，也能發(fā)送數(shù)據(jù)，還能顯示實時數(shù)據(jù)變化，存儲所需要的校驗數(shù)據(jù)[11-14]。

4 實驗驗證

為了驗證過流性能測試校驗系統(tǒng)的可靠性，對校驗系統(tǒng)進行試驗并記錄實測流量。在常溫常壓下分別對DN 25和DN 50 QGY43F-2.5型號的緊急切斷閥進行過流切斷性能試驗，試驗壓力為2.5 MPa，額定流量要求分別是18 m3/h和54 m3/h。傳統(tǒng)校驗是通過人眼觀察過流閥瓣關(guān)閉時流量計的最大流量。而測試校驗系統(tǒng)是由微機測控系統(tǒng)控制，上位機界面顯示得到的最大流量。由于每次試驗介質(zhì)用量頗大，所以每組實驗重復(fù)3次，記錄最大流量，如表1所示。

表1 QGY43F-2.5緊急切斷閥測試校驗系統(tǒng)試驗

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，由于人眼觀察一瞬間的最大流量存在視覺滯后和反應(yīng)滯后，傳統(tǒng)校驗測出的數(shù)據(jù)偶然性很大，波動性很大。而通過測試校驗系統(tǒng)的實時監(jiān)測、顯示數(shù)據(jù)大小，并對數(shù)據(jù)進行最大值的篩選，發(fā)現(xiàn)測量的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高，不存在偶然性的誤差，說明此套過流性能校驗測試系統(tǒng)的技術(shù)可靠性比較強。

為了進一步確定測試校驗系統(tǒng)的技術(shù)可靠性，選取公稱直徑為DN25的QGY43F-2.5型號的緊急切斷閥的測試曲線。通過COM口選擇，串口打開進行通信，填寫待校驗緊急切斷閥的額定流量和最大誤差范圍等基本技術(shù)參數(shù)，生成校驗編號，程序控制上位機的界面顯示，PLC調(diào)試、采集實測數(shù)據(jù)。如圖5所示，從測試界面可知，實測曲線的趨勢走向和流量的實時變化清晰可見，測試界面自動記錄實測流量并進行篩選得出最大流量值，到達最大流量的時間和校驗的總時間也會被同時記錄，最后有校驗人員手動操作判別緊急切斷閥是否合格。

圖5 QGY43F-2.5緊急切斷閥過流性能測試曲線

5 結(jié)論

① 從過流切斷性能的原理出發(fā)，結(jié)合流體動力學(xué)和校驗規(guī)程，分析了在發(fā)生意外險情時，介質(zhì)流量超過額定流量后緊急切斷閥是如何實現(xiàn)切斷的，對過流切斷有了明確的認(rèn)知，為過流性能校驗的研究奠定了基礎(chǔ)。

② 對緊急切斷閥的夾緊臺進行優(yōu)化設(shè)計，解決了夾緊力不足、夾緊笨重不易拆卸和夾緊受力不均等問題，提高了過流性能校驗的可靠性和準(zhǔn)確性，很好地保障了測試系統(tǒng)的精密度。

③ 過流性能校驗測試系統(tǒng)在結(jié)合傳感器技術(shù)、微機測控技術(shù)和計算機技術(shù)下，能夠明顯減少因人為誤差導(dǎo)致的數(shù)據(jù)波動和數(shù)據(jù)不精確，大大提高了校驗精度，可靠性強。