安全閥離線校驗系統設計

徐尉富 丁衛撐 李姝彬 陳文秀 侯臘梅 李佳聰

摘要：針對安全閥離線校驗操作管理不便、工作效率低下、數據不準確、安全閥不便運輸等問題，開發了OA系統、安全閥校驗操作軟件和以STM32單片機為控制核心的小型安全閥離線校驗臺構成的安全閥離線校驗系統。以WIFI無線通信技術作為傳輸手段，結合傳感器技術，將下位機采集到的安全閥壓力數據傳輸給上位機，并在安全閥校驗操作軟件上用曲線圖實時顯示，實現安全閥校驗系統網絡化、信息化、校驗結果準確程度高、校驗效率高和降低成本。該研究將為特種承壓設備校驗提供可靠的數據支持，對安全閥離線校驗操作規范提出新的參考。

關鍵詞：安全閥離線校驗;操作規范;自動控制;高效率

中圖分類號：TK223.2;TP216.1 文獻標志碼：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

基金項目：國家自然科學基金項目（41774140）

作者簡介：徐尉富（1993-），男，四川達州市人，碩士研究生，專業方向為儀器儀表。

0 引言

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

安全閥離線校驗是指將被保護的設備停車，把安全閥拆解下來進行校驗。離線校驗是安全閥校驗中最常用的方法，經過多次校驗，將當前整定壓力調校到實際工作要求壓力值，并檢測其密封性能[2]。

目前，絕大部分安全閥的離線校驗方式相對復雜落后，許多校驗部門的校驗臺仍然使用指針式壓力表，采用人工讀數。林橋等[3]提出了高智能化、自動化和網絡化的安全閥校驗管理系統，結合OA系統[4]，實現了網絡化管理和自動化檢測;但該系統部件眾多，可移動性差，安全閥操作軟件界面復雜。陳松生提出小型安全閥便攜離線校驗設備研制[5]解決了離線校驗臺不便移動的問題，使用傳感器測量，提高了數據的可靠性;但該設備是通過手工旋轉閥門手柄進行加壓減壓操作，升壓速率完全憑經驗和感覺操作，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，另外校驗設備采用觸摸液晶顯示屏作為人機交互接口，安全閥基本信息和數據無法直觀展示，操作較復雜。針對上述問題，本文提出一種安全、檢驗結果準確、操作規范、離線校驗靈活的安全閥離線檢驗系統，可增加排氣閥、進氣閥、電機、傳感器，最大可增加60MPa傳感器，以適用不同量程要求。

1 安全閥離線校驗系統構成

安全閥離線校驗系統分為OA系統、安全閥校驗操作軟件和小型安全閥離線校驗臺3個模塊。OA系統的功能是對安全閥校驗的任務委托、任務受理、收費、任務下發，安全閥資料錄入，校驗記錄生成和校驗報告的生成、審核、審批、發放、打印等進行網絡化管理。安全閥校驗操作軟件負責控制下位機，整理保存下位機發送的數據并上傳至云服務器，一般情況下采用筆記本電腦作為上位機安裝該軟件。小型安全閥離線校驗臺連接并控制閥門的升壓速度以及實時上傳安全閥當前的壓力值。

1.1 OA系統

企業單位可以自己安排校驗時間，在OA系統上登錄被分配的權限賬號，勾選需要校驗的安全閥，提交校驗申請和繳費，校驗部門通過審核后確認收費，給校驗人員下發校驗任務，校驗人員確認接受校驗任務后，在指定時間之前到達目的地進行校驗工作。減少數據輸入的重復性，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確性。

1.2 安全閥校驗操作軟件

校驗人員登錄OA系統導出需要校驗的安全閥基本信息并打開安全閥校驗操作軟件。若該單位是第一次使用該校驗系統，數據庫無該單位信息，需校驗人員到場地后，用軟件部分手動錄入資料、校驗和保存，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，與硬件部分通過ESP8266建立TCP連接。在整定壓力檢測時，先調校，調校合格后再復核。安全閥開啟時，壓力變化會有一個明顯的特征——壓力變化會出現一個明顯的“拐點”，這個特征可以作為對開啟壓力進行自動識別的依據，這個點的數據被認為是整定壓力[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內沒有，則該安全閥的密封性能合格[8]。根據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。在這兩個標準里，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系，可以用壓力檢測密封性。連續3次檢測，每次自動計算出當前實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——結束壓力值。

校驗合格，選擇新的ID對下一個安全閥進行校驗。待校驗完成后，將數據上傳保存至云系統。

1.3 小型安全閥離線校驗臺

小型安全閥離線校驗臺原理圖如圖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，電機模塊控制安全閥的進氣閥和排氣閥的閉合，絕對式光電編碼器固定在電機轉軸外圈，決定電機轉動的角度，達到控制加壓設備壓力輸入速率的目的。ESP8266WIFI模塊與上位機安全閥校驗操作軟件采用TCP/IP協議進行數據傳輸，執行上位機下發的命令，并上傳至安全閥校驗操作軟件。為了使測試結果更加可靠，保留壓力表作為參照。

2 系統軟件設計

系統控制部分包括觸摸屏輸入、電機驅動、ESP8266模塊、傳感器采集、電機位置檢測、中斷等子程序。圖2為STM32控制流程圖，整個系統程序用C語言編寫實現。

打開上位機上的軟件，開啟服務器（TCP server）模式，開始監聽是否有在同一個網段的客戶端（TCPclient）模式。當單片機第一次連接該路由器時，手動在觸摸屏上輸入該熱點的名稱和密碼，成功連接路由器后，輸入上位機的IP地址。使用STM32內部Flash保存當前熱點的名稱、密碼和上位機的IP地址。若不改變連接熱點，下次開機將自動連接該熱點。上位機與單片機通過TCP/IP協議進行數據交換。當啟動測量后，單片機輸出PWM1控制電機打開進氣閥的速度，當壓力將達到整定壓力的90%時，停止PWM1輸出，輸出 PWM2反轉電機，使進氣閥升壓速度控制在0.01MPa/s以下。當壓強達到100%，關閉進氣閥。安全閥校驗操作軟件顯示當前壓強，并用曲線圖實時展示出來，通過傳感器動態補償方法[11]，使動態測量數據更加精確。測量完當前整定壓力后一段時間，進行密封性檢測試驗，通過進氣閥加壓至整定壓力的90%，然后關閉進氣閥，開始3min密封性檢測[1]。

3 運行結果分析

進行了重慶某作業區庫房的先導式安全閥校驗實驗，如圖3所示。隨著加壓設備對安全閥加壓，可以在校驗操作軟件上收集到當前整定壓力的數據變化，可以直觀地觀察整定壓力校驗整個的過程，當壓力值達到最大，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部的氣體，壓力值瞬間下降某個值。隨后電機將關閉進氣閥，安全閥當前壓力保持不變。可以看出該安全閥的壓力和實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的震蕩等原因，測得結果有一定的波動[12]，經過3次測量結果的計算，滿足精度要求，達到了檢測的目的。

圖4為進行了安全閥密封性校驗的界面。若當前壓力值小于整定壓力的90%，進氣閥打開增壓到快接近整定壓力的90%時關閉。等待3s檢測進氣閥是否關緊以及等待安全閥內部的氣體保持穩定，開始進行密封性檢測。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束值。

表1是對口徑和整定壓力都不相同的安全閥進行校驗的實驗數據，根據GB/T 24920-2010《石化工業用鋼制壓力釋放閥》6.1[10]的要求，當整定壓力大于或等于0.5MPa時，其偏差不應超過士3%整定壓力。通過表1實驗數據可見，本文所論述的校驗設備測得的數據較為穩定，整定壓力相對誤差較低，滿足當前安全閥離線校驗要求。

本系統將目前我國現有的安全閥離線校驗系統比較分散的優點整合在一起，實現了體積小、可移動性高、網絡化管理。通過無線網絡進行控制，減免了接線繁瑣或連接線因為操作不規范等破損無法使用的情況，以便應對惡劣的工作環境。電腦實時保存數據，相比液晶屏，讀取數據更加方便。還在此基礎上增加電機控制閥門開關，自動化程度更高。且系統能在整定壓力達到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生誤差，本系統更加符合要求，操作更規范簡單。

4 結束語

安全閥離線校驗系統具有性能穩定、成本低廉、操作簡單、安全、規范等優點，可以提高我國安全閥在校驗工作中的工作效率，為企業節省成本和不必要的人力資源，降低了校驗人員的工作強度，提升了安全閥校驗單位的管理水平，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備的安全性。

參考文獻

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[9]彈簧式直接載荷式安全閥：GB/T 12243-2005[S].北京：中國質檢出版社，2005.

[10]石化工業用鋼制壓力釋放閥：GB/T 24920-2010[S].北京：中國質檢出版社，2010.

[11]軒春青，軒志偉，陳保立.基于最小二乘與粒子群算法的壓力傳感器動態補償方法[J].傳感技術學報，2014，27（10）：1363-1367.

[12]CHENG Y，LI X C，LIZ J，et al.Aircloud：acloud-based air-quality monitoring system for everyone[C]//Proceedings of the12th ACM Conference on Embedded Network SensorSystems，2014.

（編輯：李剛）