安全閥校驗智能化測試技術研究及應用

周璐璐 盧俊文 陳 敏 王肖逸 湛立寧

（河北省特種設備監督檢驗研究院唐山分院 唐山 063000)

安全閥是一種壓力釋放裝置,是承壓類特種設備必備的安全附件之一,也是保障承壓設備安全運行的最后一項保護措施。當設備超壓運行時安全閥自動起跳來泄放壓力,直到壓力下降到安全閥的回座壓力后關閉。安全閥能否正常開啟對設備的安全運行有著舉足輕重的作用[1]。為保證安全閥能在整定壓力下開啟泄壓并及時復位,安全閥至少每年進行1次整定壓力的校驗及密封試驗泄漏率的測試。傳統方法是人工報檢,人工讀取壓力表顯示的數值來確定整定壓力,人工統計試驗氣體在水中產生的氣泡數來確定泄漏率,校驗數據的真實性、準確性及可追溯性都無法保證[2]。為了保證安全閥報檢信息的真實性,提高校驗數據的精度,克服人工校驗效率較低的弊端,確保校驗數據可以追溯,本文開發的安全閥校驗智能化測試技術針對性地提供了解決方案：實現了專業技術人員的遠程網上報檢操作,從而提高了安全閥報檢數據采集的正確率；通過各種智能化操作軟件的運行,保證了安全閥校驗數據的誤差在±0.5%范圍內。

1 安全閥校驗流程

安全閥用戶申報檢驗時,可以通過智能化測試系統的網上報檢平臺完成,受理員接收后派發任務給校驗員,校驗員核查信息正確后開始校驗,校驗完成后提交合格報告給審核人員,審核完成后提交給審批人員,審批通過后便可以直接打印報告,用戶就可以領取報告及安全閥,并結束校驗流程[3]。如果某個流程發現錯誤,則直接返回給受理員。安全閥校驗流程如圖1所示。

圖1 安全閥校驗流程圖

2 安全閥校驗智能化測試管理系統

2.1 安全閥校驗智能化測試管理系統的組成

安全閥校驗智能化測試管理系統由安全閥報檢系統、智能化操作軟件、OA管理系統、校驗數據庫及相關硬件組成。安全閥報檢系統為用戶提供網上報檢服務、受理及收費服務,同時生成待驗安全閥終身二維碼。智能化操作軟件包括壓力傳感器軟件、整定壓力及密封試驗軟件、解體清洗及倉儲管理軟件、名牌打印軟件等[4]。OA管理系統包括校驗記錄、校驗報告填寫、審核、批準、打印及發放等功能。校驗數據庫包括安全閥數據庫,鍋爐、壓力容器、壓力管道數據庫。相關硬件包括壓力傳感器、流量傳感器、單片機、電腦主機、硬件電路、密封試驗快拆堵蓋、激光打印機等。安全閥校驗智能化測試管理系統組成如圖2所示。

圖2 安全閥校驗智能化測試管理系統組成

2.2 安全閥報檢系統

安全閥用戶在報檢時,應按報檢系統界面的要求填寫安全閥的使用單位、安全閥所保護設備的名稱及編號、設計壓力、要求的整定壓力大小等信息,同時還應當填寫安全閥的出廠編號、生產單位、閥體直徑及工作壓力范圍等內容。提交信息完成后會自動生成安全閥終身二維碼,該閥報廢時二維碼才失效,并在受理單上打印出二維碼,安全閥校驗合格后會將此二維碼在報告上顯示并激光打印在合格銘牌上。通過掃描安全閥二維碼可以獲得該閥的校驗狀態、使用狀態及安裝位置等全部信息,為安全閥的使用及監管部門提供了快捷通道。

2.3 智能化操作軟件

●2.3.1 壓力傳感器定標軟件

校驗系統采用高精度壓力等級的壓力傳感器,可以自動顯示壓力數值,為防止使用過程中出現標準零點漂移引起的誤差,導致校驗精準度下降,開發了自動校準壓力傳感器零點的定標軟件,每天打開系統正式工作之前自動校驗傳感器的準確性,同時杜絕了因校驗系統泄漏、壓力指示失靈引起的校驗數據失效。壓力傳感器工作原理是將采集的壓力數值轉換成電流信號上傳給單片機,為保障其上傳精度,應選擇適宜的量程范圍,通常選擇被測壓力3～4倍量程的傳感器,為此校驗系統要設置多個不同量程范圍的測試通道,每個測試通道都配置相同量程的機械式壓力表同步測壓。密封試驗用電子流量計的最佳量程范圍為50～60 cm3/min。壓力傳感器每年應進行1次法定計量校驗,其標定精度標準為±0.5%,為驗證準確性可將壓力值與指針式壓力表進行比對。

●2.3.2 校驗操作端軟件

校驗員手動輸入工位號和登錄密碼即可進入校驗操作端界面,輸入安全閥報檢單號或掃描二維碼,即可查找到待校安全閥參數,并將這些信息自動導入校驗報告與原始記錄中,系統將根據整定壓力的大小自動選取對應的測試通道,并給出合格的精度范圍。整定壓力調校時,壓力傳感器自動讀取壓力數值,轉換成電流信號后傳送到單片機,校驗員在顯示界面上判斷該值是否在允許范圍內即可。系統會記錄安全閥起跳時的最大壓力為整定壓力,調試3次后取其平均值作為最終整定壓力,并保存至安全閥數據庫。整定壓力合格后可轉至下一道校驗程序即安全閥密封性能試驗。密封試驗前將帶有集漏管的快拆堵蓋固定在安全閥排氣口,然后系統自動將密封試驗壓力調整到起跳壓力的90%,保壓3 min后查看泄漏氣體體積量,若在合格范圍內則試驗3次,每次均合格后密封試驗結束,最終將校驗數據與結果存入數據庫中并生成銘牌參數,點擊界面上方的“銘牌參數”后彈出該界面,點擊“派發銘牌”,將自動生成銘牌參數,將其導入打標機中刻印校驗合格證銘牌。

2.4 OA管理系統及數據庫

OA管理系統主要功能是完成安全閥校驗記錄的填寫,合格報告的審核、批準程序,校驗報告的打印及發放等工作。安全閥數據庫采用SQL Server2012軟件建立,數據庫由登錄用戶信息表、校驗單位信息表、存放安全閥原始信息的安全閥信息表、存放安全閥校驗信息的校驗記錄表、存放收費明細的收費參數表組成。傳感器輸出的電流信號通過數據處理器采集并轉換后存入數據庫。數據庫系統設置了自檢功能,定時自動啟動或人工啟動自檢功能程序,以確保智能化測試系統的精度在可控范圍內。采用ADO（活動數據對象）技術訪問數據庫,使訪問數據庫的途徑非常便捷,可以快速獲取數據庫相關信息[5]。

3 安全閥校驗智能化測試操作系統

3.1 安全閥校驗整定壓力智能化操作系統

● 3.1.1 組成

安全閥整定壓力智能化操作系統采用傳感器監測安全閥校驗的起跳過程[6],讀取的數據傳送至校驗臺并實時顯示出來,通過操作端軟件控制信號的采集與管理,完成整定壓力的調校后將合格數據傳送給主服務器,管理端軟件控制主服務器的運行,并將最終數據保存到數據服務器中,同時也傳送給激光打印機用于打印合格銘牌。圖3所示為安全閥整定壓力智能化操作系統組成。

圖3 安全閥整定壓力智能化操作系統組成圖

● 3.1.2 性能測試

為了確認安全閥校驗整定壓力智能化測試技術的穩定性,在系統的調試階段,選取了3個測試通道進行性能測試,分別是：第一測試通道,開啟壓力為0.2 MPa、0.3 MPa、0.45 MPa；第二測試通道,開啟壓力為0.8 MPa、1.1 MPa、1.4 MPa；第三測試通道,開啟壓力為1.5 MPa、3.0 MPa、4.5 MPa。每個測試通道的壓力等級選取3個安全閥,每個安全閥測試3組數據,在此選取0.8 MPa、1.5 MPa、4.5 MPa三組數據與人工校驗數據進行比對。安全閥整定壓力智能化測試與人工校驗數據統計見表1。從性能測試數據可知,智能化測試與人工校驗數據的比較偏差最大值為0.467%,絕對偏差最大值為0.375%,達到了測試精度±0.5%的設計目標,且符合GB/T 12242—2021《壓力釋放裝置性能試驗方法》規定的“工作臺上定壓試驗時,壓力測量偏差不超過±1%”,說明本系統能達到應用標準。

表1 安全閥整定壓力智能化測試與人工校驗數據統計表

3.2 安全閥密封性試驗智能化操作系統

● 3.2.1 組成

安全閥密封性試驗智能化操作系統采用高精度電子流量計測量單位時間內泄漏氣體體積量。不再使用傳統人工統計氣泡數的測量方法,對實時采集的氣體流量信號進行數字化處理,并顯示在計算機界面上。安全閥密封性試驗智能化測試系統由管路系統、數字化測試系統、下位機測控系統、系統管理端軟件及密封試驗數據庫組成[7]。安全閥密封性試驗智能化操作系統組成如圖4所示。

圖4 安全閥密封性試驗操作系統組成圖

● 3.2.2 性能測試

為了確認安全閥密封性試驗智能化測試技術的穩定性,選用3組安全閥與傳統人工氣泡計數法進行比對實驗[8],實驗條件為常溫、常壓的室內環境,3組安全閥的整定壓力分別為I組5.0 MPa、Ⅱ組20 MPa、Ⅲ組30 MPa,流道直徑均大于7.8 mm。分別采用智能化測試系統的直接測流量法和傳統人工氣泡計數法來測量安全閥的密封性,每次測量時間為3 min（40個氣泡等效泄漏量為11.8 cm3）。安全閥密封試驗智能化檢測與氣泡法檢測結果對比見表2。

表2 安全閥密封試驗智能化檢測與氣泡法檢測結果對比

GB/T 12243—2021《彈簧直接載荷式安全閥》規定,安全閥密封試驗最大允許泄漏率為29.9 cm3/min。通過表2的實驗對比可知,安全閥密封性試驗數字化測試方法與傳統氣泡法測試結果最大偏差為-0.94%,說明該系統具有可靠的適用性及穩定性。

為進一步驗證安全閥密封試驗數字化檢測的精度,對不同條件下的泄漏率進行多次重復測試,通過直接收集排放介質體積的排水法進行流量驗證。在此隨機選取3組安全閥（整定壓力分別為Q1組5 MPa、Q2組18 MPa、Q3組25 MPa）的測試數據,每組測試3次,分析其測量精度及穩定性。數字化測量泄漏率誤差分析見表3。

表3 數字化測量泄漏率誤差分析表（100 kPa、25 ℃）

數字化測量泄漏率誤差數據表明,在不同的流量條件下（5～20 cm3/min）,數字化測試系統均可以獲得穩定的測試精度,其測量的平均誤差最大值為0.432%,達到了測試精度±0.5%的設計標準,且符合GB/T 12242—2021規定的測量偏差不超過±1%的要求。

4 結論

1）通過智能化測試系統平臺,安全閥報檢單位可以由專業技術人員網上報檢,從而提高了安全閥報檢效率,提高了安全閥報檢信息的準確率,保證了安全閥原始校驗數據采集的完整性,并采用了校驗銘牌的激光打印,確保了銘牌保存的時效性。

2）通過安全閥報檢軟件、壓力傳感器定標軟件、校驗操作端軟件、OA管理系統及數據庫的使用,極大地提高了安全閥整定壓力調校及密封性試驗的效率,保障了安全閥校驗數據的穩定性,通過掃描終身二維碼可隨時查看安全閥各種信息。

3）實現了安全閥校驗整定壓力的智能化測試,經性能測試驗證最大偏差為0.375%；實現了安全閥密封性能試驗自動檢測泄漏氣體的體積流量,并以數字形式在計算機界面上顯示出來,經性能測試驗證最大偏差為0.432%,2項測試精度均達到了±0.5%的設計標準。