CN102182864B - 阀门行程测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阀门行程测试系统，其特征是包括被测阀门、阀杆行程控制机构、进排气控制装置和检测单元；被测阀门包括有通过二位三通电磁阀控制进气或排气的气动执行机构，用于获得阀杆相关信息的传感单元；阀杆行程控制机构是设置一限位套，在阀杆上设置限位挡块，用于限制阀杆的一部分行程；进排气控制装置是以缓冲罐一路通过进气电磁阀与外接仪表风罐相连通；另一路与排气电磁阀相连通；再一路通过手动阀与二位三通电磁阀相连通；检测单元用于采集检测信号，并提供二位三通电磁阀、排气电磁阀和进气电磁阀控制信号。本发明可用于实现阀门行程的在线或离线测试，可以用于对阀门进行全行程或部分行程测试，能够在各行业未安装智能定位器的气动式联锁阀中进行应用。

Description

阀门行程测试系统

技术领域

本发明涉及阀门的测试系统，更具体地说是一种适用于流程工业(石油、化工、冶金、电力等行业)以压缩气体为动力的气动式联锁阀，实现阀门离线或在线开关性能的测试系统与测试方法。利用本发明可以对在役阀门进行在线或离线检测，获取阀门开关过程中所受阻力及阻力与行程之间的对应关系，以便对上述阀门执行开关动作的性能进行评估。本发明的测试方法同时也适用于以液压油为动力的液压式联锁阀。

背景技术

以压缩空气为动力的气动式联锁阀广泛应用于石油、化工、冶金、电力等行业，主要用于安全目的，实现紧急情况下流程的安全控制。正常工作过程时，此类阀门处于一个特定工作状态，或为常开、或为常闭，只有在紧急情况下才执行相反的动作。由于此类阀门控制的流体通常为高温、高压、易燃、易爆及有毒介质，且此类阀门通常在较为严酷的环境中工作，灰尘、腐蚀性介质等都会对阀门在紧急情况下执行动作的能力产生影响。

随着服役时间的增长，此类阀门发生卡涩、卡死的现象日趋严重。影响此类阀门动作性能的主要包括两类因素：其一，此类阀门在绝大多数在某一特定状态下工作并持续数月或数年，因而阀门的主要运行部件即阀杆被腐蚀、锈死而卡住的可能性大大增加。灰尘、腐蚀性介质侵蚀、润滑油变性等都会影响阀杆的正常运动，导致阀门卡涩或动作缓慢等。其二、由于阀门的开关动作直接导致流程的中断，因而无法通过阀门动作情况进行实际检测。

公知技术中，针对此类阀门进行的可靠性与性能评估主要有离线全行程测试与在线测试两种方式：离线全行程测试是在流程工业装置停车或阀门被完全旁路的条件下，对阀门执行一次或数次完整的开关动作，通过检测阀门的动作特点来分析阀门执行安全功能的能力。在线测试是指在流程工业装置不停车或阀门不被旁路的条件下，对此类阀门进行开关性能的测试，由于在线测试通常会导致流程中断而引发装置停车，因而此类阀门的在线测试十分困难。公知技术中，此类阀门的在线测试方法只能在设有智能定位器的阀门上进行，通过检测阀门动作过程中作用力与阀门行程之间的相互关系，并与新阀标准曲线进行比对，从而判断阀门执行开关动作的性能。针对安装有智能定位器的气动式联锁阀，通过智能定位器对阀门阀杆行程进行设定，可实现部分行程测试。

已有技术中的离线全行程测试存在以下问题：

1、全行程测试是在流程中断，或对被测阀门进行旁路的情况下对阀门执行一次或数次完全的“开”或“关”动作，这种“离线”的测试要求大大限制了在现场在役条件下工作的阀门测试；

2、在全行程测试过程中，其快速开关过程必然导致阀芯与接触面之间多次瞬时巨大冲击，此冲击是导致密封面磨损、阀门内漏、阀杆弯曲变形的重要因素；

3、全行程测试是在停车、或被测阀门旁路的状况下进行离线测试，离线状况下的被测试阀门不存在上下游流体的压差；与之相比，阀门在实际工作时，上下游流体存在有较明显的压差，这种压差可能是影响阀门动作性能的很重要的因素。这种离线状况下测得的阀门阻力与实际工况下阀门动作的阻力必定存在较大差异，因此，离线全行程测试并不能准确反映阀门的在线工作状况。

已有技术中在线测试的方法存在以下相关问题：

1、在线测试只能应用于对带有智能定位器的阀门进行测试。这类带有智能定位器的阀门价格昂贵，通常仅作为控制阀，而在开关阀、联锁阀或切断阀等重要阀门中很少被采用，因此实际生产中大量未安装智能定位器的开关阀、联锁阀或切断阀并不能实现在线测试。

2、在线测试的方法是将被测阀门的作用力与阀杆行程之间的对应关系作出曲线，将该曲线与新阀门进行比对从而评估被测阀门的动作性能，但对于目前大量在役阀门，其对应的新阀门性能曲线无法获得，这一情况也同样使这种在线测试无法实现。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种简单、实用、可靠，尤其适用于动力源为压缩气体的气动式联锁阀。利用本发明提出的测试系统，测试过程对阀门冲击小、磨损小，并以其便携的形式可以实现根据阀门的服役条件进行在线测试或离线测试，可以对阀门进行全行程或部分行程测试，以及可以在石油、化工、冶金、电力等行业大量未安装智能定位器的气动式联锁阀上获得广泛应用。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明阀门行程测试系统的特点是系统构成包括被测阀门、阀杆行程控制机构、进排气控制装置和检测单元；

所述被测阀门的结构设置包括：通过二位三通电磁阀控制进气或排气的气动执行机构；用于获得阀杆相关信息的传感单元，所述传感单元包括用于检测阀杆移动速度的速度传感器、用于检测阀杆移动加速度的加速度传感器，以及用于检测阀杆位移量的位移传感器；

所述阀杆行程控制机构是在固定架上设置由外套筒与内套管螺纹连接构成的限位套，在阀杆上固定设置限位挡块，以所述限位套限制所述挡块的行程，以限制阀杆的一部分行程；

所述进排气控制装置的结构设置包括：一缓冲罐，所述缓冲罐一路依次通过进气电磁阀和减压阀与外接仪表风罐相连通；另一路与排气电磁阀相连通；再一路通过手动阀与二位三通电磁阀相连通；在所述缓冲罐中设置压力传感器；

所述检测单元是以数据采集卡的传感单元信号输入端A1和压力传感器信号输入端A2分别采集传感单元和压力传感器的检测信号，并以控制模块分别提供二位三通电磁阀的ESD控制信号A4、排气电磁阀的排气控制信号A0，以及进气电磁阀的进气控制信号A3。

本发明阀门行程测试系统的特点也在于：

所述限位套是以可拆装的形式或以固定的形式设置所述固定架上。

测试过程中以气动执行机构通过二位三通电磁阀经缓冲罐及排气电磁阀排气；外接仪表风罐经减压阀、缓冲罐和二位三通电磁阀向气动执行机构内反向冲气，实现阀杆的设置行程上的动作和恢复。

通过在缓冲罐内设置的压力传感器，对气动执行机构内的压力进行间接测量，从而获得测试过程中所需要的参数。

联锁阀在使用过程中的规定的动作或为关闭，或为开启，以设置失效时关闭的阀门为例，利用本发明实现部分行程条件下对阀门的摩擦力与弹簧力的测试。测试过程中阀门系统的受力情况如图2所示。

图2中：f_T为弹簧力，F_P为膜片力，f为摩擦力，f_L为流体压差所产生的阻力。

1、当通过控制二位三通电磁阀、手动阀及排气电磁阀使气动执行机构向外排气时，阀杆向下运动，摩擦力与流体压差所产生的阻力向上。如图2a所示，气动执行机构(5)内气压下降使阀门关闭，此时存在以下式(1)：

f_T1＝F_P1+f_L1+f₁    (1)

2、当控制二位三通电磁阀、手动阀、进气电磁阀及减压阀使外接仪表风罐向气动执行机构内部充气时，阀杆向上运动，摩擦力向下，与弹簧力共同构成阀门开启的阻力，如图2b所示，此时存在以下式(2)：

f_T2+f₂＝F_P2+f_L2    (2)

联立式(1)和式(2)即为：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{T1}=F_{P1}+f_{L1}+f_1\\ f_{T2}+f_2=F_{P2}+f_{L2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

(3)式中，下式左右变换后与上式相加，即得到：

f_T1+F_P2+f_L2＝F_P1+f_L1+f₁+f_T2+f₂

在测试过程中，若阀门的行程极小，弹簧的升长量可忽略，阀门开关过程中，流体压差所产生的阻力基本相同，即：

f_T1≈f_T2，f_L1≈f_L2

进而变换得到：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1+f_2\≈2f=F_{P2}-F_{P1}\\ f_{T1}+f_{T2}\≈2f_T=F_{P1}+F_{P2}+f_{L1}+f_{L2}\end{array}\right.$

式中：F_P1与F_P2分别为初始行程为“关”和初始行程为“开”时阀门的膜片力，可通过测量缓冲罐内的压力间接测得。

若将阀门动作过程中由流体压差所产生的阻力忽略，即可求出阀门运动过程中的最大静摩擦力与弹簧弹力。

当考虑流体压差所产生的阻力时，可以以阀门关闭时的上下游压差与阀门截面积乘积作为流体对阀门动作所产生的阻力。

上述过程所测得的被测阀门的摩擦力与弹簧弹力即可用于评估阀门的启闭性能。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明是将控制阀杆的动作与检测气动执行机构的内部压力相结合，实现阀杆阻力的测试；检测过程中通过控制排气电磁阀或进气电磁阀可以实现气动执行机构的缓慢排气或缓慢进气，避免瞬时开关冲击带来的阀门损伤；

2、本发明通过在阀杆上安装传感单元，可以方便地获得测试过程中阀杆的运动参数，进而计算出阀门动作过程中的阻力，为阀门开关性能的评估提供可靠的依据，无需将检测结果与新阀的动作特性进行比对，提高了检测的适应性。

3、本发明中的阀杆限位结构的设置可以方便地进行阀门在线状态的部分行程测试，一方面确保阀门测试过程中不会因为开度过大或过小而影响流程的正常进行，另一方面，以在线测试的方式检测阀门在真实工况下的动作特性，确保检测结果准确可靠。

4、本发明在测试过程中，通过外接仪表风罐和外接控制信号可以确保测试系统不干扰阀门自身的工作；在测试完毕后，通过可靠的恢复有效避免了对整个系统产生任何不良影响。

5、本发明系统结构简单，可以设置为便携的形式进行现场测试，能广泛应用于对未安装智能定位器的气动式联锁阀的测试，大大拓展了阀门的检测范围。

附图说明

图1为本发明系统构成示意图；

图2a和图2b为本发明测试原理示意图；

图中标号：1阀体；2固定架；3挡块；4阀杆；5气动执行机构；6二位三通电磁阀；7仪表风；8内套管；9紧固件；10外套筒；11手动阀；12缓冲罐；13压力传感器；14传感单元；15排气电磁阀；16进气电磁阀；17减压阀；18外接仪表风罐；19a数据采集卡；19b控制模块；20计算机。

A0为排气控制信号；A1为传感单元信号输入端；A2为压力传感器信号输入端；A3为进气控制信号；A4为ESD控制信号；

具体实施方式

参见图1，本实施例中的系统构成包括被测阀门、进排气装置和检测单元；

被测阀门的结构设置包括：通过二位三通电磁阀6控制仪表风7向气动执行机构5内进气，或控制气动执行机构5向外排气，以驱动气动执行机构5；用于获得阀杆4相关信息的传感单元14，传感单元14包括用于检测阀杆移动速度的速度传感器、用于检测阀杆移动加速度的加速度传感器，以及用于检测阀杆位移量的位移传感器；

进排气装置的结构设置包括：缓冲罐12一路依次通过进气电磁阀16和减压阀17与外接仪表风罐18相连通；另一路与排气电磁阀15相连通；再一路通过手动阀11与二位三通电磁阀6的出口相连通；在缓冲罐12中设置压力传感器13；

检测单元是以数据采集卡19a的传感单元信号输入端A1和压力传感器信号输入端A2分别采集传感单元14和压力传感器13的检测信号，并以控制模块19b分别提供二位三通电磁阀6的控制信号A4、排气电磁阀15的排气控制信号A0，以及进气电磁阀16的进气控制信号A3。

具体实施中，相应的结构设置也包括：

在阀杆4上设置部分行程上的限位结构；是在固定架2上设置一限位套，相应位置的阀杆4上固定设置挡块3，以限位套限制挡块3的行程，以限制阀杆4的一部分行程。图1所示限位套设置为高度可调的套筒结构，由外套筒10和内套管8螺纹连接构成，外套筒10设置在固定架2上，以内套管8在外套筒10中的螺纹转动获得内套管8顶部不同的限位高度，该限位套可以设置为可拆装的形式从而实现便携，也可以直接固定设置在固定架2上。

仪表风7是维持阀门正常工作时的气源，在测试结束后，仪表风7仍存在；外接仪表风罐18作为气动执行机构5的测试用气源，用于在进行测试的过程中对执行机构反向冲气，以此避免因使用仪表风7造成对阀门的影响。当对阀门进行测试时，仪表风7与气动执行机构5通过二位三通电磁阀6隔断，此时气动执行机构只通过二位三通电磁阀与缓冲罐8相连通。当测试结束且恢复后，气动执行机构5内经反向冲气，达到与仪表风7相同的压力时，二位三通电磁阀通道重新转为仪表风7至气动执行机构5，确保测试结束后阀门得到恢复。

本实施例中以外接仪表风罐18可以有效避免对阀门自身工作系统影响。

测试过程：

一、阀门的全行程在线测试按如下过程进行

1、将传感单元14和压力传感器13的信号输出端分别与数据采集卡19a的A1和A2端相连接；将进气电磁阀16和排气电磁阀15的控制信号线分别与控制模块19b的控制信号输出端A3和A0相连接；将用于控制二位三通电磁阀6的ESD信号线控制模块19b的控制信号输出端A4相连接，完成电气连接；

2、将外接仪表风罐18通过减压阀17、进气电磁阀16与缓冲罐12连接，将缓冲罐12与二位三通电磁阀6连接，完成机械连接；

3、开启手动阀11、开启减压阀17；

4、由控制模块输出控制信号进气电磁阀16关闭、排气电磁阀15开启；

5、将数据采集卡与控制模块设置为就绪状态，自A4端输出控制信号，使二位三通电磁阀6排气并开始计时，气动执行机构5经过二位三通电磁阀6、缓冲罐及排气电磁阀向外排放气体，传感单元和压力传感器同时进行数据采集；

6、随着气动执行机构排气的不断进行，阀杆4受到的力逐渐由向上转为向下，当达到平衡后，阀杆4逐渐向下运动，此时的运动状态及气动执行机构的内部压力均由传感单元和压力传感器分别进行检测，并记录；

7、当达到测试行程时，持续一定时间后，转入如下的进气测试过程；

8、由控制模块19b输出控制信号分别使排气电磁阀15关闭、进气电磁阀16开启；

9、随着进气过程的不断进行，气动执行机构5内部的压力逐渐升高，阀门开度逐渐增加；当阀门开度达到“全开”时，保持一段时间为“全开”后停止测试，采集这一过程中传感单元和压力传感器全部检测数据，并存贮在计算机20中。转而进入以下测试结束的恢复过程；

10、由控制模块19b通过A4口输出控制信号，使二位三通电磁阀16保持在测试前的状态，关闭测试用外接仪表风罐的减压阀17；

11、保留二位三通电磁阀6，拆除其它外接部件，恢复阀门的正常工作状态；

二、阀门的部分行程测试工，以设置失效时关的阀门为例，过程如下：

首先在阀杆上设置部分行程限位结构：

了解阀门的全行程长度及工艺要求，部分行程限位结构的设置应确保行程不会导致测试过程中流程的异常；随后的测试过程与全行程测试过程相同，在完成测试后需要拆除部分行程限位结构。

此外，相应的系统设置还可以是：

1、通过选用不同口径的进气电磁阀和排气电磁阀来控制测试过程中的进气和排气速度，以确保测试过程中的进气及排气速度平稳，以提高气动执行机构内压力的测量效果；

2、具体实施中，进气电磁阀和排气电磁阀也可以由一只二位三通电磁阀来实现；数据采集卡、控制模块和数据存储可以设置为一体化，以使测试过程方便快捷，提高测试效率；

3、测试过程中，依据测试现场的实际情况，可以将采集数据存储在测试用便携式电脑中，亦可在测试现场进行数据显示和打印。

Claims (4)

1.一种阀门行程测试系统，其特征是系统构成包括被测阀门、阀杆行程控制机构、进排气控制装置和检测单元；

所述被测阀门的结构设置包括：通过二位三通电磁阀(6)控制进气或排气的气动执行机构(5)；用于获得阀杆(4)相关信息的传感单元(14)，所述传感单元(14)包括用于检测阀杆移动速度的速度传感器、用于检测阀杆移动加速度的加速度传感器、以及用于检测阀杆位移量的位移传感器；

所述阀杆行程控制机构是在固定架(2)上设置由外套筒(10)与内套管(8)螺纹连接构成的限位套，在阀杆(4)上固定设置限位挡块(3)，以所述限位套限制所述挡块(3)的行程，以限制阀杆(4)的一部分行程；

所述进排气控制装置的结构设置包括：一缓冲罐(12)，所述缓冲罐(12)一路依次通过进气电磁阀(16)和减压阀(17)与外接仪表风罐(18)相连通；另一路与排气电磁阀(15)相连通；再一路通过手动阀(11)与二位三通电磁阀(6)相连通；在所述缓冲罐(12)中设置压力传感器(13)；

所述检测单元是以数据采集卡(19a)的传感单元信号输入端A1和压力传感器信号输入端A2分别采集传感单元(14)和压力传感器(13)的检测信号，并以控制模块(19b)分别提供二位三通电磁阀(6)的ESD控制信号A4、排气电磁阀(15)的排气控制信号A0，以及进气电磁阀(16)的进气控制信号A3。

2.根据权利要求1所述的阀门行程测试系统，其特征是限位套是以可拆装的形式或以固定的形式设置在所述固定架(2)上。

3.根据权利要求1所述的阀门行程测试系统，其特征是测试过程中以气动执行机构(5)通过二位三通电磁阀(6)经缓冲罐(12)及排气电磁阀(15)排气；外接仪表风罐(18)经减压阀(17)、进气电磁阀(16)、缓冲罐(12)和二位三通电磁阀(6)向气动执行机构(5)内反向冲气，实现阀杆(4)的设置行程上的动作和恢复。

4.根据权利要求1所述的阀门行程测试系统，其特征是通过在缓冲罐(12)内设置的压力传感器(13)，对气动执行机构(5)内的压力进行间接测量，从而获得测试过程中所需要的参数。

Images