槽罐安全阀在线校验装置的设计与实现∗

吴秀山，童仁园，李 青∗

(1.浙江水利水电学院电气工程学院，浙江 杭州 310018；2.中国计量大学，灾害监测技术与仪器国家地方联合工程实验室，浙江 杭州 310018)

槽罐车是一种移动的压力容器，其运输具有灵活、高效、方便等优点，是运输各种易燃、易爆、有毒危险化学气体的重要工具[1]。安全阀作为罐体的主要泄压部件，具有开启、回座、密封和排放的功能，这些功能的正常运作是安全阀保障罐车安全运输的前提。为保证槽罐运输的安全，加强对承压设备安全阀的管理，各国都对安全阀的定期校验与规程做出了明确规定[2]。安全阀校验的方法主要分为离线和在线校验，而离线校验由于具有各种缺陷已逐步被在线校验所替代。目前安全阀在线校验系统自动化程度较低，已经投入使用的安全阀在线校验装置主要采用手动液压装置提供开启安全阀的附加拉力，和安全阀连接的机械结构设计复杂，安装拆卸麻烦，操作繁琐自动化程度较低，而且具有拉力检测精度不高、阀瓣位移量测量不精确等问题[3－4]。针对目前安全阀在线校验存在的问题，本文基于安全阀在线校验的原理与关键技术展开研究，设计了一种槽罐安全阀在线校验装置，系统包含机械装置、电路控制部分和下位机与上位机程序设计，实现了数据的测量、传输、显示和存储等；最后对设计的在线校验装置进行了现场离线和在线校验试验，获得了安全阀在线校验的拉力和位移曲线，对获得的校验结果进行了分析和对比，对在线校验的实验误差进行了深入分析，给出了实验结论。

1 安全阀校验原理分析

1.1 安全阀校验基本原理

安全阀的在线校验是指设备在正常工作条件下，由于设备内的介质压强小于安全阀的整定压力，需要利用在线校验装置提供一个竖直向上的附加拉力，利用设备内介质对阀瓣的作用力和附加拉力的总和来克服安全阀弹簧的预紧力，从而使安全阀开启，根据校验过程得到的数据，实现对安全阀整定压力的测量[5]。

正常工作状态下的安全阀，作用于安全阀阀瓣向下的弹簧预紧力，一部分用来克服介质向上的作用力，一部分用来使阀瓣和密封件压紧。图1 为简单的安全阀受力示意图，图中F是校验装置提供的附加拉力，Fd是弹簧的预紧力，P0是槽罐内介质的压强，S是介质作用在安全阀阀瓣上的有效面积[6]。当不提供附加拉力F时，安全阀想要开启，需要罐体内介质压强不断增大，当压强增大到Ps时，此时安全阀开启，这时应满足:

图1 安全阀在线校验原理示意图

式中:Ps是安全阀的开启压力也称之为整定压力[7]。如果在安全阀阀瓣上施加竖直向上的附加拉力F，随着附加拉力逐渐增大，阀瓣和密封件之间的压紧力逐渐减小，当附加拉力F增大，使介质对阀瓣的作用力与校验装置提供的附加拉力之和刚好克服弹簧预紧力时，安全阀密封开始进入开启状态，此时，即:

联立式(1)、式(2)，可计算出在安全阀阀瓣上施加竖直向上的附加拉力时安全阀整定压力:

1.2 安全阀判开方法

安全阀判开方法常用附加拉力曲线特征点法，该法是基于对弹簧安全阀开启动作特性的分析，在外附加力作用下，安全阀从关闭到开启，再由开启到关闭的全过程中，外加附加力F的变化规律如图2所示。

图2 安全阀校验附加拉力曲线

在图2(a)中，当在线校验安全阀时，随着校验装置对安全阀阀瓣提供的附加拉力逐渐增大，附加拉力与系统内介质对阀瓣的作用力之和等于弹簧预紧力时，阀瓣将微启，此时介质对阀瓣的作用面积瞬间增大，造成对阀瓣的作用力瞬间增大，其结果是瞬间减小了附加拉力，在拉力曲线上出现了特征峰A；同理，在安全阀关闭的过程中，附加拉力逐渐减小，当阀瓣在关闭的瞬间，介质对阀瓣的作用面积瞬间减小，介质对阀瓣的作用力瞬间减小，为保持力的平衡关系，附加拉力会出现瞬间增大的现象，在拉力曲线上会出现第二个特征峰B。图2(b)中，在离线校验没有介质的作用力情况下，在安全阀开启的过程中拉力曲线急剧上升是为了克服阀芯静态刚性力，当安全阀开启以后，这时拉力的增加主要克服安全阀弹簧的弹性力，两者随时间变化的斜率不同，从而出现特征拐点C；同理，在安全阀关闭的过程中出现特拐点D[8]。

2 装置的方案设计与实现

2.1 系统整体设计

设计的槽罐车在线校验装置主要包括机械结构、硬件电路、软件程序三部分。槽罐车在线校验装置主要是利用步进电机配合减速器提供扭矩，利用丝杠螺母实现将电机的旋转运动变为丝杠的垂直运动，利用快速接头实现安全阀的连接，同时装置内安装有测量拉力和位移的传感器，实现安全阀整定压力和位移的测量；硬件电路主要包括单片机控制系统、传感器信号检测、放大与滤波电路、电磁阀的驱动电路等；软件部分主要包括下位机和上位机程序设计。下位机程序实现了数据的测量，上位机程序利用无线模块接收单片机控制电路发送的测量数据，实现数据处理与保存，绘制安全阀校验过程的拉力位移曲线，并实现对步进电机和电磁阀的控制[9]。

2.2 安全阀校验装置结构设计

设计校验装置结构如图3 所示，安全阀校验装置包括从上到下依次固定连接的上、中、下三个套筒，分别是电机套筒、检测套筒、连接套筒。步进电机和减速器连接安装在电机套筒中并固定在检测套筒上端面，步进电机连接减速器，然后通过联轴器和检测套筒内的联轴套连接，联轴套的另一端和滚珠丝杠螺母固定连接，丝杠螺母和连接套筒的上端面之间安装有支撑筒，支撑筒底部固定在连接套筒上端面，丝杠螺母与支撑筒之间装有推力球轴承，丝杠下端面开有螺纹孔连接拉力传感器的上端，在丝杠和拉力传感器之间安装有固定垫片，垫片伸出的一端安装有一块永磁体，在永磁体对应正下方的连接套筒上端面安装有霍尔传感器，拉力传感器的另一端经导向杆和上快速连接头固定连接，在导向杆上安装有防止丝杠旋转的防转块，上快速连接头底端与下快速连接头顶端之间通过旋转卡合结构连接，下快速连接头底端与安全阀连接头螺纹连接，安全阀连接头通过螺纹和安全阀阀瓣连接，连接套筒的下端面安装在安全阀的法兰上，实现了校验装置和安全阀的连接[10]。

图3 校验装置构示意图

校验装置实现了和安全阀的机械连接，校验装置工作时由步进电机提供扭矩，经过减速器将扭矩放大，减速器通过联轴套和丝杠螺母连接在一起，电机转动带动丝杠螺母转动，丝杠螺母安装在推力球轴承上，丝杆螺母转动带动丝杠向上直线运动，通过防转块防止丝杠发生转动，丝杠下端通过垫片伸出一块永磁体，丝杠移动带动永磁体向上移动，永磁体移动使正下方放置的霍尔传感器输出的电压信号发生变化，找到电压信号和永磁体位移的关系，测量出丝杠位移，垫片下面的拉力传感器可以监测校验装置的拉力变化，拉力传感器下端和导向杆连接，导向杆和快速连接头连接，快速连接头和安全阀接头连接。当电机转动带动丝杠向上运动，安全阀阀瓣通过连接头一起向上运动，达到开启安全阀的目的。这样在安全阀开启的过程中就可以实时对安全阀开启的高度和装置提供的拉力进行测量，利用这些参数计算出安全阀的整定压力和回座压力，完成安全阀的校验。

2.3 器件选型与测量设计

为了保证装置测量的精度和先进性，系统采用的器件、传感器进行了反复的选型和实验，并进行了相应的电路设计。

步进电机是校验装置提供拉力的根源，选择合适的步进电机十分重要。选择步进电机需要考虑电机的参数，根据校验装置工作时负载的大小对电机启动时的必须转矩进行计算。根据计算结果，选择步进电机型号为57HPG113A，转动惯量为810 g•cm2，电机启动时间为0.1 s，设定电机转速为120 r/min，经过减速器后转速为2.4 r/min，电机的保持转矩为3.6 N•m，步进角为1.8°，额定电流为4 A。由于电机的扭矩不足以带动负载，所以又选择了配套的减速器，选用减速比为1 ∶50 的行星减速器，以提供足够的扭矩，保证系统可以正常地工作，电机驱动器采用DM542 数字式中低压步进电机驱动器。

系统采用电阻应变式测力传感器，考虑到拉力传感器的负荷范围、灵敏度、线性度、传感器结构等方面，最终选择了型号为BSLM－3 的拉力传感器，为保证测量的精度，系统设计了拉力传感器输出电压信号的仪用精密放大电路和有源滤波电路。

位移量的测量主要是为了检测安全阀开启的高度，因为校验装置判断安全阀开启的方法是采用附加拉力曲线特征点法；另外用来确定装置内部安全阀快速连接头的具体位置，方便通过调整位移实现校验装置和安全阀的快速安装和拆卸。校验装置内部是利用霍尔传感器对磁感应强度敏感的特性，通过霍尔传感器输出电压的变化得到安全阀开启高度的变化，根据霍尔传感器的输出电压计算出位移值。系统采用SS94A1F 线性霍尔传感器，传感器具有很好的温度稳定度和性能。校验装置中的磁场由半径为10 mm，厚度为5 mm 的圆柱形钕铁硼磁铁提供[11]。

3 系统软件设计

安全阀在线校验程序是通过触摸显示屏上的按键实现对校验装置中步进电机的控制，从而达到对安全阀的开启与关闭，并在显示屏上显示拉力、位移数据和曲线。下位机测量流程如图4 所示。

图4 下位机测量流程图

具体流程是先将校验装置和安全阀安装好，在触摸显示屏上设置好安全阀要开启的高度，然后按下开启按钮，步进电机开始转动，带动安全阀开启，拉力传感器和霍尔传感器实时监测拉力和位移，同时将传感器输出信号经过放大滤波后，经过单片机的A/D 转换和数值计算得到拉力值和位移值，同时通过无线模块把数据发送给上位机。当位移达到设定值时，电机开始反转，当运行到位移值为零时，电机停止转动，完成一次校验[12]。

设计的安全阀在线校验系统上位机界面如图5所示，系统简介界面主要介绍系统使用的场合，系统实现的功能；亮度调节界面主要是调节显示屏背光的亮度；数据显示界面主要是实时显示当前的拉力、位移等参数；曲线选择界面主要是选择查看不同的曲线，包括拉力曲线、位移曲线、拉力位移曲线、压强位移曲线；操作界面主要是设置开启的位移值，控制校验装置开启和关闭安全阀，控制数据打开和关闭；帮助界面主要介绍系统的使用方法。上位机实现了对校验装置的控制、拉力与位移参数的显示、数据存储以及相应曲线的绘制等功能。点击相应的按键后，可以显示相应的内容。

图5 上位机显示界面与数据显示窗口

4 实验测量与数据分析

4.1 安全阀校验实验

安全阀的校验实验在浙江省特种设备检验研究院海宁基地完成，选定型号为A412F－25－15、阀瓣有效面积为2 123 mm2的全启式安全阀进行校验实验[13]。第一组实验首先是利用安全阀校验台，对选取的安全阀进行离线校验，测出其整定压力；第二组实验将安全阀安装在校验台上，然后给校验台充入一定压强的氮气，模拟安全阀的工作状态，利用设计的校验装置对安全阀进行校验，具体校验步骤为:①安全阀放置在校验台上，在安全阀的法兰上放置一个塑料圈，塑料圈下端面涂有黄油和法兰端面粘起来，圈内倒入水；②控制操作台上的旋钮，向校验台内充入氮气，随着氮气压强逐渐增大，安全阀将要被开启，当看到水中慢慢有稳定的气泡产生，停止充入氮气；③读取校验台上的压力表示数，即为安全阀的整定压力；④释放氮气，完成校验。安全阀的校验一般以压缩空气或氮气为校验介质，本次实验过程中采用高压氮气作为实验介质。安全阀校验台与实验现场操作如图6 所示[14]。

图6 安全阀校验台与校验现场图

第一组校验实验进行三次取平均值作为安全阀的整定压力测量结果，实验数据如表1 所示。第二组实验是模拟安全阀进行在线校验进行的试验，校验台充入一定压强的氮气，在每一个压强下进行三次实验，以三次测量的平均值作为校验结果，数据如表2 所示。

表1 第一组实验数据

4.2 实验结果与分析

由表1 中可得出第一组实验重复性较好，平均整定压力的相对误差在2%左右；由表2 中数据可得，第二组实验中初始压强越大测量误差也越大，其主要原因是实验过程中充入校验台的氮气量有限，安全阀开启时气体瞬间放完，对实验结果造成了影响[15]。

利用设计的槽罐安全阀在线校验装置的上位机得到第一与第二组实验的安全阀在线校验曲线，分别如图7(a)和7(b)所示。图7(a)中的拉力曲线在上升阶段和下降阶段均出现了拐点，拐点A 和B分别对应安全阀开启和关闭时刻的拉力值，通过查找计算机中存储的拉力数据找到对应拐点处的拉力值，计算出安全阀的整定压力，得到的安全阀校验曲线与理论分析分完全一致。图7(b)中由于安全阀受到氮气的作用力和校验装置提供的拉力，校验过程得到的拉力曲线出现了变化，这是因为在出现拉力拐点C 时，安全阀开启，同时校验台内填充的氮气快速泄露完毕，此时的拉力不足以开启安全阀，安全阀又重新关闭，随着校验装置提供的拉力继续增大，达到一定的拉力值时，安全阀开启。校验试验是模拟罐车在装有气体介质时的在线校验，但是校验台充入的氮气量十分有限，在安全阀被开启的瞬间，气体就泄露完毕，不能完全模拟实际安全阀开启时气体的持续排放状况，对校验结果造成一定影响。为增加测量结果的准确性，可设计密封结构和气体排放结构与安全阀连接，模拟实现安全阀开启时气体的持续排放场景[16]。

5 结论

本文根据安全阀校验原理和判开的方法，研究了槽罐安全阀的在线校验实现方法，进行了系统的设计和实验的验证。该系统通过步进电机配合减速器以提供充足的扭矩，利用霍尔效应原理实现对位移的精确测量，利用拉力传感器精确测量安全阀开启过程的拉力变化，最终实现安全阀的校验。该系统在安全阀校验方面相比利用液压系统提供拉力的校验装置，具有操作简单、速度快、拆卸方便等优点；设计的上位机实现了对校验装置的控制、拉力与位移参数的显示、数据存储以及相应曲线的绘制等功能，提升了装置实用性。通过对选定的安全阀进行了离线和在线校验实验，得到校验装置校验安全阀的整定压力，当进行离线校验时，实验误差均在3%以内，对模拟在线校验时实验误差产生原因进行了详细分析，经实验验证，此在线检验装置实现了槽罐安全阀在线校验，提高了校验效率和自动化水平，