緊急切斷閥過(guò)流切斷性能校驗(yàn)系統(tǒng)研究

張春波, 朱海清, 侯冀川2, 張?jiān)娪?, 邢熙權(quán), 張 雄

(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122； 2.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院 東莞檢測(cè)院，廣東 東莞 523112)

緊急切斷閥是汽車(chē)罐車(chē)中重要的安全附件之一，其過(guò)流切斷性能(以下簡(jiǎn)稱過(guò)流性能)能保證在汽車(chē)罐車(chē)發(fā)生意外火災(zāi)等突發(fā)狀況下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切斷，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

國(guó)標(biāo)GB/T 22653-2008《液化氣體設(shè)備用緊急切斷閥》中對(duì)緊急切斷閥過(guò)流性能要求是緊急切斷閥出口介質(zhì)流量達(dá)到額定流量時(shí)，閥門(mén)應(yīng)能自動(dòng)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(duì)緊急切斷閥的校驗(yàn)都停留在外觀檢查和解體檢查，國(guó)內(nèi)很多研究對(duì)其性能試驗(yàn)無(wú)法解決，總結(jié)為以下三點(diǎn)：

① 對(duì)緊急切斷閥的過(guò)流切斷的原理沒(méi)有詳盡的分析和理解；

② 對(duì)緊急切斷閥的夾緊方式?jīng)]有優(yōu)化改進(jìn)，夾緊力受力不均，拆卸笨重麻煩，無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的密封條件；

③ 實(shí)際工況條件和理想條件有一定差距，仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試實(shí)驗(yàn)效果存在較大誤差。

因此，從過(guò)流性能的切斷原理分析，解決夾緊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化，研發(fā)出一套過(guò)流性能校驗(yàn)的校驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)罐車(chē)緊急切斷閥性能試驗(yàn)快速有效的校驗(yàn)和判定，獲得保證過(guò)流性能的校驗(yàn)可靠性技術(shù)關(guān)鍵。

1 緊急切斷閥過(guò)流性能分析

1.1 緊急切斷閥過(guò)流切斷原理

對(duì)作用在過(guò)流閥瓣上下表面的任意兩點(diǎn)進(jìn)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(shì)能對(duì)過(guò)流閥瓣的影響。

圖1 過(guò)流切斷原理圖

當(dāng)汽車(chē)罐車(chē)外接的管路意外破裂時(shí)，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(dòng)速度增大。當(dāng)速度增大時(shí)，閥體下腔的靜壓會(huì)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(guò)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(guò)流閥瓣上的壓力和大彈簧力一起壓縮小彈簧，使得過(guò)流閥瓣向下運(yùn)動(dòng)并死死密封緊急切斷閥的入口處，防止液化氣體的進(jìn)一步擴(kuò)散流出，實(shí)現(xiàn)了緊急切斷閥的過(guò)流切斷。

1.2 緊急切斷閥過(guò)流性能校驗(yàn)原理

與傳統(tǒng)校驗(yàn)的人眼觀察壓力表和流量計(jì)示數(shù)不同，采用電磁流量計(jì)和壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)和測(cè)量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。如圖2所示，校驗(yàn)系統(tǒng)由兩部分組成，分別是下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。下位機(jī)系統(tǒng)主要是由采集模塊和測(cè)控模塊組成。在液相循環(huán)管路系統(tǒng)中安裝電磁流量計(jì)和壓力傳感器，采集流量實(shí)測(cè)值和壓力實(shí)測(cè)值，組成數(shù)字化采集模塊；PLC測(cè)控模塊將接收到的實(shí)測(cè)值進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換、傳輸。上位機(jī)系統(tǒng)主要是由操作軟件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)組成。操作軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)校驗(yàn)信息的錄入、COM口的選擇、串口的打開(kāi)、校驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示；數(shù)據(jù)庫(kù)主要是將錄入的校驗(yàn)信息和校驗(yàn)結(jié)果存儲(chǔ)，對(duì)已經(jīng)校驗(yàn)的數(shù)據(jù)提供查詢功能[2-4]。上下位機(jī)之間是通過(guò)RS232進(jìn)行無(wú)協(xié)議串口通信的。

圖2 校驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

2 過(guò)流性能校驗(yàn)的下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 夾緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在校驗(yàn)過(guò)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(shí)不能泄漏，如果不能準(zhǔn)確夾緊，那么流量計(jì)和壓力傳感器的測(cè)量精度就會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，這將大大影響校驗(yàn)的效果和準(zhǔn)確性，不能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)校驗(yàn)?，F(xiàn)在的夾緊機(jī)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(wèn)題。因此，對(duì)校驗(yàn)緊急切斷閥的夾緊臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決上述存在的問(wèn)題，既能滿足夾緊要求，又能實(shí)現(xiàn)輕便快拆。圖3為夾緊臺(tái)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(pán)、M16×1.5螺栓和液壓微型單元組成。

圖3 夾緊臺(tái)的結(jié)構(gòu)三維圖

在傳統(tǒng)校驗(yàn)中，緊急切斷閥的固定依靠的是螺栓連接，由于每一次校驗(yàn)都需要拆卸和鎖緊螺栓，這樣的校驗(yàn)不僅麻煩、降低工作效率，還存在著不可避免的泄漏問(wèn)題。所以?shī)A緊臺(tái)采用壓入式夾緊，通過(guò)計(jì)算、校核夾具的抗彎強(qiáng)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(jì)，所以不存在夾具夾緊力不均的問(wèn)題，同時(shí)在緊急切斷閥與夾緊臺(tái)面接觸的中間加入法蘭墊和密封圈實(shí)現(xiàn)夾緊后緊密密封，由于汽車(chē)罐車(chē)上常見(jiàn)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(pán)和夾緊臺(tái)面之間，保證彎頭有足夠的安置空間。液壓微型單元工作時(shí)，活塞頭向下動(dòng)作，推動(dòng)鎖緊在橫梁上的導(dǎo)向桿移動(dòng)來(lái)保證夾緊力的大小，這樣提高了校驗(yàn)的可靠性[7-10]。

2.2 PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

下位機(jī)數(shù)據(jù)的采集是以歐姆龍CP1L的PLC為測(cè)控核心的，接收電磁流量計(jì)和壓力流量計(jì)的模擬信號(hào)進(jìn)行采集、放大，轉(zhuǎn)換成PLC能處理的數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)串口通信傳輸給上位機(jī)。PLC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要分為4個(gè)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(jìn)行信號(hào)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(guò)監(jiān)測(cè)流量信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)處理，然后將流量模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)PLC處理運(yùn)算，通過(guò)RS232無(wú)協(xié)議通信將數(shù)據(jù)處理結(jié)果上傳給上位機(jī)，由上位機(jī)顯示、存儲(chǔ)、生成校驗(yàn)報(bào)告等[5-6]。

圖4 PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖

3 過(guò)流切斷性能校驗(yàn)的上位機(jī)管理系統(tǒng)

基于Windows操作系統(tǒng)，對(duì)上位機(jī)操作軟件系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，采用C Sharp和SQL Server 2012作為其開(kāi)發(fā)工具，上位機(jī)操作端軟件系統(tǒng)的主要功能是提前錄入待校驗(yàn)閥的相關(guān)參數(shù)、與下位機(jī)通信、顯示實(shí)時(shí)曲線和實(shí)時(shí)流量值、存儲(chǔ)校驗(yàn)數(shù)據(jù)。

C Sharp開(kāi)發(fā)工具的主要優(yōu)點(diǎn)是它不僅具有C/C++的強(qiáng)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(jià)比，給數(shù)據(jù)的管理帶來(lái)了靈活性。通過(guò)操作端軟件系統(tǒng)與PLC的串口通信，上位機(jī)能接收數(shù)據(jù)，也能發(fā)送數(shù)據(jù)，還能顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化，存儲(chǔ)所需要的校驗(yàn)數(shù)據(jù)[11-14]。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證過(guò)流性能測(cè)試校驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性，對(duì)校驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)并記錄實(shí)測(cè)流量。在常溫常壓下分別對(duì)DN 25和DN 50 QGY43F-2.5型號(hào)的緊急切斷閥進(jìn)行過(guò)流切斷性能試驗(yàn)，試驗(yàn)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(yàn)是通過(guò)人眼觀察過(guò)流閥瓣關(guān)閉時(shí)流量計(jì)的最大流量。而測(cè)試校驗(yàn)系統(tǒng)是由微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)控制，上位機(jī)界面顯示得到的最大流量。由于每次試驗(yàn)介質(zhì)用量頗大，所以每組實(shí)驗(yàn)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(cè)試校驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)

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(jué)滯后和反應(yīng)滯后，傳統(tǒng)校驗(yàn)測(cè)出的數(shù)據(jù)偶然性很大，波動(dòng)性很大。而通過(guò)測(cè)試校驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示數(shù)據(jù)大小，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值的篩選，發(fā)現(xiàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高，不存在偶然性的誤差，說(shuō)明此套過(guò)流性能校驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的技術(shù)可靠性比較強(qiáng)。

為了進(jìn)一步確定測(cè)試校驗(yàn)系統(tǒng)的技術(shù)可靠性，選取公稱直徑為DN25的QGY43F-2.5型號(hào)的緊急切斷閥的測(cè)試曲線。通過(guò)COM口選擇，串口打開(kāi)進(jìn)行通信，填寫(xiě)待校驗(yàn)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(yàn)編號(hào)，程序控制上位機(jī)的界面顯示，PLC調(diào)試、采集實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。如圖5所示，從測(cè)試界面可知，實(shí)測(cè)曲線的趨勢(shì)走向和流量的實(shí)時(shí)變化清晰可見(jiàn)，測(cè)試界面自動(dòng)記錄實(shí)測(cè)流量并進(jìn)行篩選得出最大流量值，到達(dá)最大流量的時(shí)間和校驗(yàn)的總時(shí)間也會(huì)被同時(shí)記錄，最后有校驗(yàn)人員手動(dòng)操作判別緊急切斷閥是否合格。

圖5 QGY43F-2.5緊急切斷閥過(guò)流性能測(cè)試曲線

5 結(jié)論

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

② 對(duì)緊急切斷閥的夾緊臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(wèn)題，提高了過(guò)流性能校驗(yàn)的可靠性和準(zhǔn)確性，很好地保障了測(cè)試系統(tǒng)的精密度。

③ 過(guò)流性能校驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)在結(jié)合傳感器技術(shù)、微機(jī)測(cè)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(dòng)和數(shù)據(jù)不精確，大大提高了校驗(yàn)精度，可靠性強(qiáng)。