徐尉富 丁衛(wèi)撐 李姝彬 陳文秀 侯臘梅 李佳聰

摘要：針對安全閥離線校驗(yàn)操作管理不便、工作效率低下、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、安全閥不便運(yùn)輸?shù)葐栴}，開發(fā)了OA系統(tǒng)、安全閥校驗(yàn)操作軟件和以STM32單片機(jī)為控制核心的小型安全閥離線校驗(yàn)臺構(gòu)成的安全閥離線校驗(yàn)系統(tǒng)。以WIFI無線通信技術(shù)作為傳輸手段，結(jié)合傳感器技術(shù)，將下位機(jī)采集到的安全閥壓力數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，并在安全閥校驗(yàn)操作軟件上用曲線圖實(shí)時顯示，實(shí)現(xiàn)安全閥校驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、信息化、校驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確程度高、校驗(yàn)效率高和降低成本。該研究將為特種承壓設(shè)備校驗(yàn)提供可靠的數(shù)據(jù)支持，對安全閥離線校驗(yàn)操作規(guī)范提出新的參考。

關(guān)鍵詞：安全閥離線校驗(yàn);操作規(guī)范;自動控制;高效率

中圖分類號：TK223.2;TP216.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）06-0121-04

收稿日期：2018-01-04;收到修改稿日期：2018-09-26

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41774140）

作者簡介：徐尉富（1993-），男，四川達(dá)州市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)閮x器儀表。

0 引言

安全閥是工業(yè)中一種不可代替的超壓泄放裝置，被廣泛應(yīng)用在化工、制藥、食品、動力等多個領(lǐng)域，防止設(shè)備超壓失控，保證作業(yè)安全。安全閥在長期運(yùn)行過程中，會出現(xiàn)整定壓力隨時間的推移發(fā)生某些偏差，或閥瓣受粘、彈簧剛度過硬或軟化、閥桿不對中、導(dǎo)向套生銹及密封損壞等問題，為確保承受設(shè)備的安全，國家規(guī)定必須對安全閥進(jìn)行強(qiáng)制性定期校驗(yàn)[1]。

安全閥離線校驗(yàn)是指將被保護(hù)的設(shè)備停車，把安全閥拆解下來進(jìn)行校驗(yàn)。離線校驗(yàn)是安全閥校驗(yàn)中最常用的方法，經(jīng)過多次校驗(yàn)，將當(dāng)前整定壓力調(diào)校到實(shí)際工作要求壓力值，并檢測其密封性能[2]。

目前，絕大部分安全閥的離線校驗(yàn)方式相對復(fù)雜落后，許多校驗(yàn)部門的校驗(yàn)臺仍然使用指針式壓力表，采用人工讀數(shù)。林橋等[3]提出了高智能化、自動化和網(wǎng)絡(luò)化的安全閥校驗(yàn)管理系統(tǒng)，結(jié)合OA系統(tǒng)[4]，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化管理和自動化檢測;但該系統(tǒng)部件眾多，可移動性差，安全閥操作軟件界面復(fù)雜。陳松生提出小型安全閥便攜離線校驗(yàn)設(shè)備研制[5]解決了離線校驗(yàn)臺不便移動的問題，使用傳感器測量，提高了數(shù)據(jù)的可靠性;但該設(shè)備是通過手工旋轉(zhuǎn)閥門手柄進(jìn)行加壓減壓操作，升壓速率完全憑經(jīng)驗(yàn)和感覺操作，無法保證安全閥升壓到整定壓力的90%后以0.01MPa/s的速度上升[6]，且其檢測范圍只有0～4MPa，另外校驗(yàn)設(shè)備采用觸摸液晶顯示屏作為人機(jī)交互接口，安全閥基本信息和數(shù)據(jù)無法直觀展示，操作較復(fù)雜。針對上述問題，本文提出一種安全、檢驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確、操作規(guī)范、離線校驗(yàn)靈活的安全閥離線檢驗(yàn)系統(tǒng)，可增加排氣閥、進(jìn)氣閥、電機(jī)、傳感器，最大可增加60MPa傳感器，以適用不同量程要求。

1 安全閥離線校驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

安全閥離線校驗(yàn)系統(tǒng)分為OA系統(tǒng)、安全閥校驗(yàn)操作軟件和小型安全閥離線校驗(yàn)臺3個模塊。OA系統(tǒng)的功能是對安全閥校驗(yàn)的任務(wù)委托、任務(wù)受理、收費(fèi)、任務(wù)下發(fā)，安全閥資料錄入，校驗(yàn)記錄生成和校驗(yàn)報告的生成、審核、審批、發(fā)放、打印等進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理。安全閥校驗(yàn)操作軟件負(fù)責(zé)控制下位機(jī)，整理保存下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)并上傳至云服務(wù)器，一般情況下采用筆記本電腦作為上位機(jī)安裝該軟件。小型安全閥離線校驗(yàn)臺連接并控制閥門的升壓速度以及實(shí)時上傳安全閥當(dāng)前的壓力值。

1.1 OA系統(tǒng)

企業(yè)單位可以自己安排校驗(yàn)時間，在OA系統(tǒng)上登錄被分配的權(quán)限賬號，勾選需要校驗(yàn)的安全閥，提交校驗(yàn)申請和繳費(fèi)，校驗(yàn)部門通過審核后確認(rèn)收費(fèi)，給校驗(yàn)人員下發(fā)校驗(yàn)任務(wù)，校驗(yàn)人員確認(rèn)接受校驗(yàn)任務(wù)后，在指定時間之前到達(dá)目的地進(jìn)行校驗(yàn)工作。減少數(shù)據(jù)輸入的重復(fù)性，提高工作效率，縮短安全閥受理時間，同時也確保了安全閥信息登記的準(zhǔn)確性。

1.2 安全閥校驗(yàn)操作軟件

校驗(yàn)人員登錄OA系統(tǒng)導(dǎo)出需要校驗(yàn)的安全閥基本信息并打開安全閥校驗(yàn)操作軟件。若該單位是第一次使用該校驗(yàn)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫無該單位信息，需校驗(yàn)人員到場地后，用軟件部分手動錄入資料、校驗(yàn)和保存，最后一起上傳云平臺。下次約檢時，直接勾選需要校驗(yàn)的安全閥，避免再次填寫安全閥的基本信息。選擇好安全閥編號后，打開硬件部分開關(guān)，與硬件部分通過ESP8266建立TCP連接。在整定壓力檢測時，先調(diào)校，調(diào)校合格后再復(fù)核。安全閥開啟時，壓力變化會有一個明顯的特征——壓力變化會出現(xiàn)一個明顯的“拐點(diǎn)”，這個特征可以作為對開啟壓力進(jìn)行自動識別的依據(jù)，這個點(diǎn)的數(shù)據(jù)被認(rèn)為是整定壓力[n。然后降低壓力值為整定壓力的90%，通過儀表及安全閥操作軟件測量有無壓力降，如3min內(nèi)沒有，則該安全閥的密封性能合格[8]。根據(jù)GB/T 12243-2005《彈簧式直接載荷式安全閥》5.6.3.2[9]和GB/T 24920-2010《石化工業(yè)用鋼制壓力釋放閥》622.1[10]的要求，利用泄漏的氣泡/min或cm³/min來檢測安全閥的密封性能。在這兩個標(biāo)準(zhǔn)里，100個氣泡與29.9mL氣體的體積很接近。而壓力與體積成線性關(guān)系，可以用壓力檢測密封性。連續(xù)3次檢測，每次自動計算出當(dāng)前實(shí)際整定壓力和泄漏率的平均值。泄漏率計算公式為：

泄漏率=式中：P₁——起始壓力值;

P₂——結(jié)束壓力值。

校驗(yàn)合格，選擇新的ID對下一個安全閥進(jìn)行校驗(yàn)。待校驗(yàn)完成后，將數(shù)據(jù)上傳保存至云系統(tǒng)。

1.3 小型安全閥離線校驗(yàn)臺

小型安全閥離線校驗(yàn)臺原理圖如圖1所示，采用ST公司的ARM處理芯片STM32F103RCT6作為主控芯片，BOOST.PSC.0103傳感器完成壓力信號的采集。液晶屏作為輸入模塊，電機(jī)模塊控制安全閥的進(jìn)氣閥和排氣閥的閉合，絕對式光電編碼器固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸外圈，決定電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度，達(dá)到控制加壓設(shè)備壓力輸入速率的目的。ESP8266WIFI模塊與上位機(jī)安全閥校驗(yàn)操作軟件采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，執(zhí)行上位機(jī)下發(fā)的命令，并上傳至安全閥校驗(yàn)操作軟件。為了使測試結(jié)果更加可靠，保留壓力表作為參照。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)控制部分包括觸摸屏輸入、電機(jī)驅(qū)動、ESP8266模塊、傳感器采集、電機(jī)位置檢測、中斷等子程序。圖2為STM32控制流程圖，整個系統(tǒng)程序用C語言編寫實(shí)現(xiàn)。

打開上位機(jī)上的軟件，開啟服務(wù)器（TCP server）模式，開始監(jiān)聽是否有在同一個網(wǎng)段的客戶端（TCPclient）模式。當(dāng)單片機(jī)第一次連接該路由器時，手動在觸摸屏上輸入該熱點(diǎn)的名稱和密碼，成功連接路由器后，輸入上位機(jī)的IP地址。使用STM32內(nèi)部Flash保存當(dāng)前熱點(diǎn)的名稱、密碼和上位機(jī)的IP地址。若不改變連接熱點(diǎn)，下次開機(jī)將自動連接該熱點(diǎn)。上位機(jī)與單片機(jī)通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)啟動測量后，單片機(jī)輸出PWM1控制電機(jī)打開進(jìn)氣閥的速度，當(dāng)壓力將達(dá)到整定壓力的90%時，停止PWM1輸出，輸出 PWM2反轉(zhuǎn)電機(jī)，使進(jìn)氣閥升壓速度控制在0.01MPa/s以下。當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到100%，關(guān)閉進(jìn)氣閥。安全閥校驗(yàn)操作軟件顯示當(dāng)前壓強(qiáng)，并用曲線圖實(shí)時展示出來，通過傳感器動態(tài)補(bǔ)償方法[11]，使動態(tài)測量數(shù)據(jù)更加精確。測量完當(dāng)前整定壓力后一段時間，進(jìn)行密封性檢測試驗(yàn)，通過進(jìn)氣閥加壓至整定壓力的90%，然后關(guān)閉進(jìn)氣閥，開始3min密封性檢測[1]。

3 運(yùn)行結(jié)果分析

進(jìn)行了重慶某作業(yè)區(qū)庫房的先導(dǎo)式安全閥校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。隨著加壓設(shè)備對安全閥加壓，可以在校驗(yàn)操作軟件上收集到當(dāng)前整定壓力的數(shù)據(jù)變化，可以直觀地觀察整定壓力校驗(yàn)整個的過程，當(dāng)壓力值達(dá)到最大，閥門開啟，圖3中的紅線表示測得的整定壓力。閥門開啟的瞬間會泄掉一部分安全閥內(nèi)部的氣體，壓力值瞬間下降某個值。隨后電機(jī)將關(guān)閉進(jìn)氣閥，安全閥當(dāng)前壓力保持不變?？梢钥闯鲈摪踩y的壓力和實(shí)際要求的整定壓力基本吻合，但由于傳感器偶然誤差和自動控制系統(tǒng)的震蕩等原因，測得結(jié)果有一定的波動[12]，經(jīng)過3次測量結(jié)果的計算，滿足精度要求，達(dá)到了檢測的目的。

圖4為進(jìn)行了安全閥密封性校驗(yàn)的界面。若當(dāng)前壓力值小于整定壓力的90%，進(jìn)氣閥打開增壓到快接近整定壓力的90%時關(guān)閉。等待3s檢測進(jìn)氣閥是否關(guān)緊以及等待安全閥內(nèi)部的氣體保持穩(wěn)定，開始進(jìn)行密封性檢測。從圖4可直觀地觀察安全閥密封性是否合格，綠線表示密封性檢測開始值，紅線表示密封性檢測結(jié)束值。

表1是對口徑和整定壓力都不相同的安全閥進(jìn)行校驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)GB/T 24920-2010《石化工業(yè)用鋼制壓力釋放閥》6.1[10]的要求，當(dāng)整定壓力大于或等于0.5MPa時，其偏差不應(yīng)超過士3%整定壓力。通過表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，本文所論述的校驗(yàn)設(shè)備測得的數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，整定壓力相對誤差較低，滿足當(dāng)前安全閥離線校驗(yàn)要求。

本系統(tǒng)將目前我國現(xiàn)有的安全閥離線校驗(yàn)系統(tǒng)比較分散的優(yōu)點(diǎn)整合在一起，實(shí)現(xiàn)了體積小、可移動性高、網(wǎng)絡(luò)化管理。通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，減免了接線繁瑣或連接線因?yàn)椴僮鞑灰?guī)范等破損無法使用的情況，以便應(yīng)對惡劣的工作環(huán)境。電腦實(shí)時保存數(shù)據(jù)，相比液晶屏，讀取數(shù)據(jù)更加方便。還在此基礎(chǔ)上增加電機(jī)控制閥門開關(guān)，自動化程度更高。且系統(tǒng)能在整定壓力達(dá)到90%以后升壓速度保持不高于0.01MPa/s，相較于人工操作可能產(chǎn)生誤差，本系統(tǒng)更加符合要求，操作更規(guī)范簡單。

4 結(jié)束語

安全閥離線校驗(yàn)系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、成本低廉、操作簡單、安全、規(guī)范等優(yōu)點(diǎn)，可以提高我國安全閥在校驗(yàn)工作中的工作效率，為企業(yè)節(jié)省成本和不必要的人力資源，降低了校驗(yàn)人員的工作強(qiáng)度，提升了安全閥校驗(yàn)單位的管理水平，保證了整定壓力和密封性的可靠性，從而保證我國特種承壓設(shè)備的安全性。

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（編輯：李剛）