一種測試安全閥熱態機械性能的試驗裝置及試驗方法

一種測試安全閥熱態機械性能的試驗裝置及試驗方法
【專利摘要】本發明涉及一種測量安全閥熱態機械性能的試驗裝置與方法。通過鍋爐提供蒸汽源，儲能器3的壓力高于實驗容器4。通過大口徑調節閥，實現安全閥實驗容器蒸汽的快速補充與切斷，保持安全閥的穩定排放，并同時操控快速放空閥，避免安全閥測試過程中出現頻跳。激光測量裝置實現測量精度為10ms的安全閥開啟狀態測試，非接觸式的電磁裝置測量安全閥的開高數值，高壓蒸汽測壓裝置測量實驗容器的壓力。通過控制系統在安全閥測試階段和準備階段設置不同的掃描周期，精確測量安全閥的機械性能相關參數并兼顧數據處理量。此安全閥熱態試驗裝置和工藝方法具有防止安全閥頻跳、測量精度高、安全性強、系統運行穩定、自動化程度高的優點。
【專利說明】一種測試安全閥熱態機械性能的試驗裝置及試驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種測試安全閥熱態機械性能的試驗裝置與試驗方法，特別涉及一種基于補量法的安全閥的熱態機械性能試驗裝置與方法。
【背景技術】
[0002]安全閥是一種防止系統超壓、保障人員安全和設備安全的主要壓力釋放裝置；是鍋爐、壓力容器、壓力管道上的主要安全附件，對鍋爐、壓力容器、壓力管道的安全運行起到最后一道屏障保護作用。為保證安全閥產品質量，需要高精度的安全閥全試驗裝置和方法。
[0003]安全閥是“小閥門、大臺架”。安全閥熱態試驗臺架包含鍋爐、容器、控制閥和控制系統，造價近億元，試驗技術遠比安全閥本身復雜得多。目前，安全閥熱態試驗主要是依照美國ASME PTC 25標準。此標準規定了對試驗過程和測試精度的要求，但如何實現試驗過程則是一大挑戰。安全閥熱態試驗裝置最早出現在美國。目前美國Tyco公司分別在Stafford、Wrentham等地建有安全閥熱態試驗臺架，但美國上述試驗臺架在進行大口徑、大排量安全閥熱態試驗過程中存在安全閥頻跳問題。即安全閥在一次測試過程中會出現多次的開啟與回座，試驗過程將對安全閥的密封面將造成顯著的損傷。另一方面，安全閥設計和制造工藝不合理也會造成安全閥的頻跳，此是安全閥所需嚴格避免的產品缺陷。而由于試驗裝置和方法的不足所帶來的安全閥測試中的頻跳將會掩蓋產品本身的問題，這將在安全閥的實際使用中埋下重大安全隱患。
[0004]國家特種泵閥工程技術研究中心具有安全閥的試驗資質，但沒有以蒸汽為介質的熱態試驗系統。國內共有3套熱態安全閥試驗臺架，都采用試驗臺架整體升壓直至安全閥起跳，進而測量安全閥機械性能的方法，安全閥業內稱之為“自由膨脹法”。三套臺架分別建在上海閥門廠、哈爾濱鍋爐有限公司、中國船舶工業711所。“自由膨脹法”不符合ASME PTC25標準的要求，存在如下的缺點:(I)無法滿足高參數、大排量安全閥試驗過程中穩定排放的要求；(2)采用自由膨脹法，造成整定壓力和排放壓力測量值相同，無法準確測量排放壓力；(3)安全閥測量的額定開高比實際值偏低。
[0005]美國專利N0.4893494介紹了一種測量安全閥整定壓力的裝置和方法。一個小型的實驗容器和被測安全閥相連；一個較大的容器儲存高壓流體。該裝置和方法適用于水和空氣安全閥的測量，不適用于安全閥的熱態機械性能的測量。
[0006]美國專利US2010/0281954A1介紹了一種安全閥熱態試驗臺架和相應的測試方法。該臺架有一個儲能器、一個安全閥實驗容器(被測安全閥安裝在實驗容器上)、一個儲水罐。儲能器中有電加熱器，實際是承擔高壓蒸汽的儲存和鍋爐的功能。儲能器通過管道和實驗容器相連，管道上有閥門控制實驗容器的壓力。實驗容器上安裝的被測安全閥的出口通過管道和儲水罐相連；管道的末端加工成噴頭形狀，埋入儲水罐的水中。通過泵將儲水罐中的水打入儲能器中，從而使該試驗臺架形成一個封閉系統。安全閥測試時，將實驗容器、儲能器、儲水罐預先加入去離子水，然后開啟儲能中的電加熱器，生成高壓蒸汽。將高壓蒸汽通入到實驗容器中，使實驗容器升壓直至安全閥起跳。安全閥排放的蒸汽被儲水罐吸收。控制儲水罐中水的液位，通過泵將和安全閥排放蒸汽相當質量的液態水送入儲能器中。此安全閥熱態試驗裝置具有如下優點:省去鍋爐、投資小；排放噪音低；介質封閉循環，介質流失少。此裝置適合于小口徑安全閥和對背壓影響不敏感的安全閥的熱態試驗，特別適合于高溫水安全閥的熱態試驗。但其不是一種通用的安全閥熱態試驗裝置和方法，存在如下問題:
[0007](I)大多安全閥對背壓變化很敏感。該專利將安全閥的出口埋入儲水罐的水中將會產生附加的背壓，嚴重影響安全閥的測試精度；
[0008](2)對于大口徑的高溫、高壓安全閥，其蒸汽排量可達每小時幾百噸。通過儲水罐中的水將如此大量的蒸汽冷凝是非常困難的，儲水罐的體積和儲水量將是巨大的，成本和造價非常聞;
[0009](3)將儲能器賦予鍋爐的功能，臺架操作的靈活性和彈性下降；相對燃氣和燃油鍋爐，采用電加熱的運行成本很高。
[0010](4)采用電加熱儲能器中的水來產生蒸汽，造成產生的蒸汽為濕飽和蒸汽。ASMEPTC 25標準推薦安全閥熱態測試應采用干飽和或過熱蒸汽。濕飽和蒸汽將會降低安全閥機械性能的測試精度。
[0011]實用新型專利CN202057301介紹了一種安全閥開高的激光測量裝置，包括激光位移測量單元、數據采集卡、計算機和多自由度可調支架。雖然激光測量屬非接觸測量，響應快。但試驗過程中，安全閥上部釋放出的蒸汽將會對激光有較大干擾，用激光精確測量安全閥的開高存在困難。
[0012]實用新型專利CN201259471Y介紹了安全閥試驗可調位移排氣管裝置，解決了現有安全閥試驗排氣管裝置存在的無法直接與不同規格及型號的安全閥配合使用，且排氣管位移不可調的問題。
[0013]綜上所述，目前高溫、高壓、大口徑安全閥的熱態試驗技術存在嚴重缺陷。隨著核電、熱電和石化工業的發展，對安全閥熱態試驗技術提出了更高的要求。所以，針對高溫、高壓、大排量安全閥的試驗測試，需要著力解決現有測試技術中安全閥頻跳這一問題，建立高參數、高精度的安全閥的試驗裝置和方法，這將對確保安全閥的質量并進而保證重大、高危承壓裝備的安全和長周期穩定運行具有重要意義。

【發明內容】

[0014]針對現有技術存在的問題，本發明提供一種符合ASME PTC 25標準要求的安全閥熱態試驗臺架和相應的測試工藝方法。通過手操器控制快速啟閉的大口徑調節閥，實現安全閥實驗容器蒸汽的快速補充與切斷；同時操控快速放空裝置，避免安全閥測試過程中出現頻跳；通過帶有安全聯鎖的緊急放空裝置實現被測安全閥的超壓保護；通過安全閥閥桿位置的激光測量實現測量精度為IOms的安全閥開啟狀態測試，更為準確地測量安全閥達到額定開高的時間；通過PLC(可編程邏輯控制器的控制系統)系統在安全閥測試階段和準備階段設置不同的掃描周期，提高安全閥各參數的測量精度并兼顧整個試驗臺架的穩定性和安全性。此安全閥熱態試驗臺架和工藝方法具有防止安全閥頻跳、測量精度高、安全性性強、系統運行穩定、自動化程度高的優點。
[0015]本發明主要是通過以下技術方案實現的:[0016]一種測試安全閥熱態機械性能的試驗裝置，其特征在于，所述的裝置包括試驗臺架和PLC控制系統，試驗臺架包括:一個為整個實驗裝置提供蒸汽的直流鍋爐1，一個穩定直流鍋爐壓力并分離鍋爐啟動過程中產生的液態水的汽水分離器2，一個儲存高壓蒸汽并補充蒸汽到安全閥實驗容器的儲能器3，一個安全閥實驗容器4，依次通過管道連接；直流鍋爐1、汽水分離器2、儲能容器3、安全閥實驗容器4的底部分別安裝有氣動調節閥20、19、18、17，用于臺架蒸汽預熱過程中冷凝水的排放；汽水分離器2和儲能器3之間安裝有電動開關閥5，用于緊急事故工況下切斷汽水分離器2和儲能器3的蒸汽輸送；儲能器3和實驗容器4之前安裝有電動開關閥6，用于緊急事故工況下切斷儲能器3和實驗容器4之間的蒸汽輸送；一個快速啟閉的大口徑調節閥7，安裝于實驗容器4的蒸汽入口管道上，在安全閥測試過程中可快速開啟和切斷進入實驗容器的蒸汽，一個小口徑調節閥8，并聯安裝于實驗容器4蒸汽入口管道，用于實驗容器4慢速升壓過程中壓力的精確調節；實驗容器4帶有一個測量蒸汽壓力的測量系統9和一個隔離閥10，被測安全閥12安裝于隔離閥10上，隔離閥10進出口管路并聯一小口徑氣動球閥11，便于隔離閥10在該閥門進出口高壓差下開啟或關閉；激光測試裝置13和電磁測量裝置14安裝于被測安全閥12上，共同測量被測安全閥12的開高；1個消音器15與被測安全閥12出口相連，將蒸汽泄放過程的噪音降到環保法規規定的分貝數；一個快速放空閥門16，通過管道與實驗容器4相連，通過控制系統安全聯鎖設置保護被測安全閥12不會超壓破壞；一套PLC控制系統49通過數據線與所述的試驗臺架相連，實現安全閥泄放過程中數據的快速采集并保證整個臺架的安全、穩定運行；
[0017]所述的直流鍋爐I包括鍋爐主體、反滲透水處理系統、除氧熱水箱及其自控件、一套鍋爐給水泵及水泵潤滑系統；燃料可為天然氣或柴油。鍋爐的排量不低于5ton/h，蒸汽過熱度精度為±3°C，蒸汽過熱度在50°C內可調，干度>98% ；
[0018]所述的汽水分離器2為高溫、高壓容器，容積為3?10m3，優選5m3 ；
[0019]所述的儲能器3為高溫、高壓容器，容積為20?40m3，優選30m3 ；
[0020]所述的安全閥實驗容器4為高溫、高壓容器，容積為5?15m3，優選IOm3 ；
[0021]所述隔離閥10為氣動閘閥，公稱通徑為250?400mm，優選300mm ；
[0022]所述小口徑氣動球閥11公稱通徑為10?30mm,優選15mm。
[0023]所述快速啟閉的大口徑調節閥7為等百分比氣動調節閥，包括遠程控制的手操器29，智能定位器28，現場設置的儲氣罐22，儲氣罐22的進口和出口管道上分別設置有加壓閥21和放大器23，加壓閥21連接智能定位器28，智能定位器28經放大器23與氣動執行器25相連，電磁閥放空閥24安裝在氣動執行器25上，限位開關26和閥門組件27與智能定位器28相連；
[0024]閥門全閉到全開時間為0.5s?2s，優選ls，閥門由全開到全閉時間為I?3s，優選1.5s，調節閥口徑為178mm ;調節閥氣動執行機構的氣源為0.6?1.0MPa的壓縮空氣，優選 0.8MPa ；
[0025]連接放大器23和儲氣罐22的管道的直徑為15?30mm，優選20mm ;管道的長度I?3m,優選1.5m ;儲氣罐22的體積為2?5m3,優選3m3 ；
[0026]壓縮空氣經空氣過濾減壓閥21與定位器28和儲氣罐22相連接。當從手操器29來的電流模擬信號輸入到智能定位器28后，定位器輸出相應的氣壓，經放大器23放大后送入氣動執行器25，使閥門組件27移動。為保證調節閥對定位器信號的快速響應，調節閥操作現場設置儲氣罐22并和放大器23以管道連接。在氣動執行器25的上端氣室安裝有電磁閥放空閥24，手操器29發來的開關信號觸發電磁放空閥24開啟放空，實現氣室壓力的快速下降，滿足氣動調節閥快速關閉的功能。設置限位開關26確定調節閥的調節范圍并將調節閥開關的狀態上傳控制系統。
[0027]所述的手操器29的供電電源為24V直流電，輸出為4?20mA直流電流；
[0028]手操器面板有一手輪30和開關按鈕31，開關按鈕31發出開關信號給快速啟閉的大口徑調節閥7的電磁閥放空閥24，實現調節閥7的快速關閉；手輪的直徑為20mm，轉動I?2圈達到手操器滿量程，優選1.5圈；手操器的精度為-1?3%，優選±1.5%。手操器上有電流指示表32，量程為O?24mA，便于在調節閥調節時通過讀取電流指示表的電流值推算調節閥7的開度。
[0029]所述小口徑調節閥8為氣動調節閥，閥口徑為12.7mm。閥門由全開到全閉的時間為3s ；
[0030]快速放空閥門16為氣動球閥，公稱通徑為50mm，全行程時間為0.5?ls，優選
0.8s ；
[0031]所述電動開關閥5為氣動閘閥，公稱通徑為50mm，全行程時間為5?10s，優選8s ；
[0032]所述電動開關閥6為氣動閘閥，公稱通徑為300mm，全行程時間為5?15s，優選IOs ；
[0033]氣動調節閥17、18、19、20的閥口徑為6.25mm,閥門啟閉時間I?3s，優選2s ；
[0034]所述蒸汽壓力測量系統9包括:一條將高壓蒸汽引入到立式儲水罐35中的U型引壓管33，引壓管33的最低處安裝有排污閥45，便于試驗結束后排出冷凝水；儲水罐的頂部有放空閥34，底部有排污閥44，便于試驗結束后排出冷凝水，以減緩設備和儀表的腐蝕；弓丨壓管33的公稱直徑為25mm，儲水罐35的引壓管進口位置比U型引壓管33最低處高150?300mm,優選200mm ;儲水罐35的頂端比U型引壓管33的最高處低150?300mm,優選200mm ；在蒸汽引入儲水罐35之前預先在儲水罐中灌滿水，通過測量儲水罐中的水壓達到測量試驗容器中蒸汽壓力的目的；儲水罐上安裝有壓力變送器37、39和壓力表36、38，測量精度分別為-0.04%和±0.1%，測量所得模擬信號送至控制系統；在壓力變送器和壓力表和儲水罐35之間安裝有儀表角閥，分別為40、41、42、43，便于在測試過程中壓力變送器和壓力表的拆卸；
[0035]所述的激光測試裝置13為兩個反射型的激光探頭，一個激光探頭46安裝于被測安全閥起跳前閥桿48上端面下方0.5?1.5mm處,優選Imm ;另一個激光探頭47安裝于被測安全閥起跳前閥桿48上端面上方額定開高-0.5mm處，兩個激光探頭距離閥桿的水平距離為100?300mm，優選200mm，探頭的響應時間為50?100 μ S，優選80 μ s ;
[0036]所述的電磁測量裝置14為環形電感式位移傳感器，傳感器測量開高范圍為10?50mm，測量精度為±5%，響應時間為30ms，輸出信號為O?20mA電流，傳感器探頭垂直安裝于安全閥閥桿48上方水平的支架上，探頭距離被測安全閥閥桿的垂直距離為額定開高值+5?IOmm,優選7mm ；
[0037]所述的消音器為立式消音器，采用阻抗復合式消音原理，消音器中流體最大壓降小于0.2bar,消音器出口水平距離25米處噪音值小于65分貝；
[0038]所述的控制系統49為PLC。PLC系統內CPU單元支持中斷控制、間接尋址、內置PID、字長為32bit。數字量的輸入輸出卡件的掃描周期小于10 μ S，模擬量的輸入輸出卡件的掃描周期小于10ms。所述的PLC控制系統49為西門子CPU315-2DP為中央處理單元的控制器系統。
[0039]PLC控制系統采集實驗臺架的各儀表和傳感器的數值，由于安全閥起跳、穩定排放、回座時間控制在IOs以內，在這IOs中實驗容器4的壓力變化和閥桿48位移的變化是非常迅速的，包含所需獲得的重要測試數據，所以PLC控制系統在安全閥測試的IOs中需要對安全閥的開高和實驗容器的壓力測量系統9進行快速掃描以保證測量的精度和正確性。此時段掃描的周期為10ms。安全閥IOs測試之外，包含試驗臺架的升壓以及安全閥的拆卸、安裝等過程(所需時間約為4?6小時)，PLC控制系統進行常規掃描，掃描周期為5?10s，優選8s，降低控制系統上傳的測試數據量，避免處理不必要的海量測試數據。此間常規掃描期間PLC控制系統對整個臺架的運行實時監控，并通過設定安全閥聯鎖保證臺架的安全、穩定運行。當實驗容器4的壓力達到被測安全閥整定壓力的90%數值時，控制系統的掃描周期由常規掃描轉換為快速掃描，此時只掃描測量安全閥開高的激光探頭46、47，電磁測量裝置14，蒸汽壓力測量系統9中的壓力變送器為37、39，其掃描周期為10ms。快速掃描IOs結束，再轉換為常規掃描。以上的轉換由PLC控制系統編制程序實現。
[0040]本發明還提供一種基于上述試驗裝置的安全閥熱態機械性能試驗方法，包括如下步驟:
[0041](I)啟動鍋爐，將蒸汽排放到儲能器及測試系統中進行臺架預熱，并開啟PLC控制系統，對系統運行進行監控，掃描周期固定為5?IOs的一個數值的常規掃描；
[0042](2)進行過程升溫控制容器內外壁溫不超過50°C，每隔半小時開氣動調節閥排放冷減水；
[0043](3)當儲能器以及試驗容器的壓力達到80%被測安全閥整定壓力時，關閉實驗容器入口管道上的小口徑和大口徑調節閥門，停止對實驗容器升壓；
[0044](4)標定實驗容器上安裝的激光測試裝置和電磁測量裝置的初始值；
[0045](5)鍋爐連續向儲能器充壓，當壓力達到預設值后，開啟實驗容器入口管道上的小口徑調節閥門，使儲能器的蒸汽流入實驗容器。控制升壓速度為2psi/s，將實驗容器壓力升高到90%的被測安全閥整定壓力。當實驗容器壓力達到該數值后，開啟實驗容器入口管道上的大口徑調節閥門，控制實驗容器壓力為103%被測安全閥整定壓力；同時PLC控制系統的掃描周期由常規掃描轉換為快速掃描，掃描周期為10ms，快速掃描時只掃描測量安全閥開高的激光探頭、電磁測量裝置、蒸汽壓力測量系統中的壓力變送器，快速掃描IOs結束后，PLC再轉換為常規掃描；
[0046]當實驗容器壓力到達110%整定壓力，PLC系統將自動安全連鎖關閉實驗容器進氣管道上的電動開關閥并開啟快速放空閥門，實驗容器壓力降至被測安全閥80%整定壓力時手動復位關閉快速放空閥門；
[0047](6)當安全閥起跳并達到額定開高，維持穩定排放5秒，完成安全閥起跳及穩定排放實驗，關閉實驗容器進氣管道上的小口徑調節閥門，慢慢關閉大口徑調節閥門，觀察安全閥回座性能，當判斷安全閥回座后，快速關閉大口徑調節閥門同時開啟快速放空閥，使實驗容器壓力降到被測安全閥的80%整定壓力；
[0048](7)當實驗容器升壓至安全閥開啟時，下激光探頭檢測到反射的激光信號由無變為有時的實驗容器壓力并記錄為整定壓力；安全閥回座時，下激光探頭檢測到激光信號由有變為無時的實驗容器壓力值為回座壓力；一個10秒的測試時間內，上、下激光探頭檢測到反射的激光信號由無變為有的時間差值為安全閥達到額定開高所需時間；將PLC系統記錄與控制室操作人員記錄的安全閥開啟和回座時的壓力相對照核實試驗數據，根據安全閥產品規格及實驗數據(包括起跳壓力，穩定排放壓力及開高，回座壓力)，判斷是否繼續重復實驗或對安全閥現場調試后重新試驗直至試驗合格或現場決定終止試驗；
[0049](8)按(4)?(7)步驟，完成另外2次連續試驗；
[0050]根據實驗數據進行偏差分析，若測得實驗數據在ASME規范規定的精確度的公差范圍內，成功完成實驗，否則終止實驗，分析原因及調整后另行測試。
[0051]有益效果
[0052]本發明實現熱態安全閥的機械性能高精度測試。與現在已有的安全閥熱態試驗技術相比，具有如下的突出優點:
[0053](I)試驗過程避免了由于試驗臺架本身造成的安全閥頻跳的問題。安全閥試驗過程中出現頻跳的一個重要原因是儲能器的高壓蒸汽在安全閥開啟時不能快速補充到實驗容器；而在安全閥回座時又不能快速切斷。造成安全閥回座后，由儲能器繼續給實驗容器補充蒸汽，造成安全閥二次起跳。頻跳的出現將無法精確測試安全閥的機械性能并對安全閥密封面造成不必要的沖擊和損傷。本發明通過研制的大口徑快速啟閉的調節閥配合便于操作的手操器實現蒸汽快速補充和切斷。大口徑調節閥在被測安全閥90%整定壓力下就開啟，配合PLC對關鍵儀表的短時快速掃描，準確記錄被測安全閥的機械性能。為防止被測安全閥回座后再二次起跳形成頻跳，當目測安全閥回座后，手動關閉大口徑的快速啟閉的調節閥的同時開啟快速放空閥，強制降低安全閥實驗容器的壓力。以上臺架和測試工藝方法有效地避免了被測安全閥由于非自身機械性能缺陷之外的頻跳問題。
[0054](2)安全閥機械性能的測試精度大幅提高。測試安全閥達到額定開高所需時間對于核電承壓裝備的安全運行是十分重要的。安全閥的閥桿在幾十毫秒內就有可能達到全開高，常規的位移傳感器是在如此短的時間內做出精確的響應是非常困難的。本發明在安全閥閥桿平行的支架上安裝有兩個反射型的激光探頭，探頭的響應時間為50?100 μ S。安全閥未開啟時，下探頭有激光反射，上探頭無反射。安全閥一旦起跳并達到額定開高，上下探頭都有激光反射。反射激光信號轉換為開關信號，由PLC快速描述讀取此開關信號，由此可實現在IOms精度判斷安全閥達到額定開高的時間。需要著重指出的是，與實用新型專利CN202057301不同，本發明不采用激光測量閥桿的位移數值，因為受蒸汽干擾，此數值不準確。本發明激光探頭測量的是反射激光信號的有無，是一開關量，利用了激光探測非接觸、響應快的優點。閥桿的位移數值則采用同樣是非接觸式的但蒸汽對其測量干擾非常小的電磁式測量裝置。
[0055](3)安全閥試驗臺架的安全性大幅提高。采用補量法進行安全閥熱態機械性能測試存在一個安全問題。即在儲能器的蒸汽補充到實驗容器過程中，若操作不當將造成實驗容器的壓力超過被測安全閥的整定壓力的1.1倍。此時，若實驗容器的壓力繼續升高，被測安全閥有可能會因閥的壓力過高而出現失效，出現安全事故。為防止此事故放生，當實驗容器的壓力超過被測安全閥的整定壓力的1.1倍時，PLC系統將自動安全連鎖切斷實驗容器進口的電動開關閥并打開快速放空閥，實驗容器壓力降至被測安全閥80%整定壓力時手動復位關閉快速放空閥。此措施避免了被測安全閥超壓事故的發生，提高了安全閥試驗臺架的安全性。
[0056]綜上，相對現有的安全閥熱態測試技術，此安全閥熱態試驗臺架和工藝方法具有防止安全閥測試過程的頻跳、測量精度高、安全性強的優點、系統運行穩定、自動化程度高的優點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0057]圖1安全閥熱態機械性能試驗臺架流程圖
[0058]其中:1:直流鍋爐，2:汽水分離器，3:儲能器，4:安全閥實驗容器4，5、6:電動開關閥，7:大口徑調節閥，8:小口徑調節閥，9:蒸汽壓力測量系統，10:隔離閥，11:小口徑氣動球閥，12:被測安全閥，13:激光測試裝置，14:電磁測量裝置，15:消音器，16:快速放空閥門，17、18、19、20:氣動調節閥，49 =PLC控制系統。
[0059]圖2快速啟閉的大口徑調節閥氣路布置圖
[0060]其中:21:空氣過濾減壓閥，22:儲氣罐，23:放大器，24:電磁放空閥，25:氣動執行器，26:限位開關，27:閥門組件，28:智能定位器，29:手操器。
[0061]圖3快速啟閉的大口徑調節閥手操器示意圖
[0062]其中:30:手輪，31:開關按鈕，32:電流指示表
[0063]圖4蒸汽壓力測量系統
[0064]其中:33:引壓管，34:放空閥，35:儲水罐，36、38:壓力表，37、39:壓力變送器，40、41、42、43:儀表角閥，44、45:排污閥。
[0065]圖5安全閥開高測量示意圖
[0066]其中:46、47:激光探頭，48:安全閥閥桿
[0067]圖6主蒸汽安全閥機械性能試驗歷史趨勢圖
[0068]其中，(a)安全閥開高隨試驗時間變化的曲線，(b)實驗容器壓力隨試驗時間變化的曲線
[0069]圖7主蒸汽安全閥機械性能試驗安全閥開啟階段歷史趨勢圖
[0070]?實驗容器壓力，▲安全閥開高，〇下激光反射信號，實心上激光反射信號
[0071]圖8主蒸汽安全閥機械性能試驗安全閥回座階段歷史趨勢圖
[0072]?實驗容器壓力，▲安全閥開高，〇下激光反射信號，實心上激光反射信號
【具體實施方式】
[0073]為讓本發明的目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉優選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。
[0074]本發明提供基于補量法的安全閥熱態試驗臺架和相應的測試工藝方法，符合ASMEPTC25標準要求。通過研制的大口徑快速啟閉的調節閥配合便于操作的手操器實現蒸汽快速補充和切斷，可避免安全閥測試過程的頻跳；通過激光測量裝置在IOms內判斷安全閥開啟狀態，更為準確地測量安全閥的整定壓力；通過PLC系統在安全閥測試階段和準備階段設置不同的掃描周期，提高安全閥各參數的測量精度并兼顧整個測量系統的穩定性和安全性；通過帶有安全聯鎖的緊急放空裝置實現被測安全閥的超壓保護。此安全閥熱態試驗臺架和工藝方法具有防止安全閥測試過程頻跳、測量精度高、安全性性強、系統運行穩定、自動化程度高的優點。下面通過實施例對本發明作進一步闡述。
[0075]實施例
[0076]被測閥門:核電主蒸汽安全閥，整定壓力8.7MPag,公稱通徑200mm,排量486ton/h0
[0077](I)啟動鍋爐，將蒸汽排放到蓄能器及測試系統進行預熱。
[0078](2)結合鍋爐啟動過程和蓄能器/測試系統預熱過程，以節省時間。過程升溫控制容器內外壁溫不超過50°C，每隔半小時左右開容器底部的氣動調節閥排放冷凝水。
[0079](3)當儲能器以及試驗容器的壓力達到6.96Mpag時，關閉實驗容器入口管道上的小口徑和大口徑調節閥門，停止對實驗容器升壓。鍋爐穩定后控制壓力為19.3Mpag。
[0080](4)標定實驗容器上安裝的安全閥開高的激光測試裝置和電磁測量裝置的初始值。
[0081](5)鍋爐連續向儲能器充壓。當儲能器壓力達到19.3Mpag時，開啟實驗容器入口管道上的小口徑調節閥門，使儲能器的蒸汽流入實驗容器，控制升壓速度2psi/s左右，使實驗容器壓力升高到7.73Mpag。當實驗容器壓力達到該數值后，開啟實驗容器入口管道上的大口徑調節閥門，控制實驗容器壓力為8.86Mpag同時PLC控制系統的掃描周期由常規掃描轉換為快速掃描，快速掃描時只掃描安全閥的開高的激光測試裝置、開高的電磁測量裝置、實驗容器的壓力儀表。快速掃描IOs結束，PLC再轉換為慢速掃描。
[0082](6)當安全閥起跳并達到額定開高，維持穩定排放5秒，完成安全閥起跳及穩定排放實驗。此時關閉實驗容器入口管道上的小口徑調節閥門，慢慢關閉大口徑調節閥門，觀察安全閥回座性能，當判斷安全閥回座后，快速關閉大口徑調節閥門同時開啟快速放空閥，使實驗容器壓力降到7.73Mpa。
[0083]主蒸汽安全閥的機械性能測試結果如圖6所示。由開高的變化可知，在安全閥IOs測試過程中只發生了一次開啟和回座，未出現安全閥頻跳現象。安全閥試驗過程穩定、未發生被測安全閥超壓損壞等安全事故。為更直觀觀察安全閥開啟和回座過程，將圖6在1000?IllOms和5900?6100ms曲線變化趨勢局部放大，結果如圖7和圖8所示。由圖7可見，在1020ms下激光探頭測得激光反射信號，安全閥開啟；1070ms上激光探頭測得激光反射信號，安全閥達到額定開高；即安全閥可在50ms內達到全開高。電磁測量裝置的相應時間為30ms，存在滯后，其顯示在IlOOms達到額定開高。所以，采用上下加光探頭方法可精確地測量安全閥達到額定開高的時間，測試的精度為IOms。
【權利要求】
1.一種測試安全閥熱態機械性能的試驗裝置，其特征在于，所述試驗裝置包括試驗臺架和一套采集實驗臺架的各儀表和傳感器數據并控制試驗臺架的PLC控制系統49，所述的試驗臺架包括:直流鍋爐1、汽水分離器2、儲能容器3、安全閥實驗容器4通過管道依次連接；直流鍋爐1、汽水分離器2、儲能容器3、安全閥實驗容器4的底部分別安裝有氣動調節閥17、18、19、20，汽水分離器2和儲能器3之間安裝有電動開關閥5，儲能器3和試驗容器4之間安裝有電動開關閥6，一個快速啟閉的大口徑調節閥7與小口徑調節閥8并聯安裝于實驗容器4的蒸汽入口管道上，實驗容器4帶有一個測量實驗容器壓力蒸汽的壓力測量系統9和一個隔離閥10，被測安全閥12安裝于隔離閥10上，隔離閥10進出口管路上并聯一小口徑氣動球閥11，激光測試裝置13和電磁測量裝置14安裝于被測安全閥12上，I個消音器15與被測安全閥12出口相連，一個快速放空閥門16，通過管道與實驗容器4相連； 其中，所述的大口徑調節閥7為等百分比氣動調節閥，包括遠程控制的手操器29，智能定位器28，現場設置的儲氣罐22，儲氣罐22的進口和出口管道上分別設置有加壓閥21和放大器23，加壓閥21連接智能定位器28，智能定位器28經放大器23與氣動執行器25相連，電磁閥放空閥24安裝在氣動執行器25上，限位開關26和閥門組件27與智能定位器28相連； 所述的手操器面板有一手輪30和開關按鈕31，手輪30的直徑為20mm，轉動I~2圈達到手操器滿量程，手操器的精度為± I~3 %，手操器上有電流指示表32，量程為O~24mA ; 所述的蒸汽壓力測量系統9包括:一條與立式儲水罐35連接的U型引壓管33，引壓管33的最低處安裝有排污閥45，儲水罐35的頂部有放空閥34，底部有排污閥44，引壓管33的公稱直徑為25mm，儲水罐35的引壓管進口位置比U型引壓管33最低處高150~300mm，儲水罐35的頂端比U型引壓管33的最高處低150~300mm，儲水罐上安裝有壓力變送器37,39和壓力表36、38，在壓力變送器和壓力表與儲水罐35之間安裝有儀表角閥40、41、42、43 ；· 所述的激光測試裝置13為兩個反射型的激光探頭，一個激光探頭46安裝于被測安全閥起跳前閥桿48上端面下方0.5~1.5mm處；另一個激光探頭47安裝于被測安全閥起跳前閥桿48上端面上方額定開高-0.5mm處，兩個激光探頭距離閥桿的水平距離為100~300mm，探頭的響應時間為50~100 μ s ; 所述的電磁測量裝置14為環形電感式位移傳感器，傳感器測量開高范圍為10~50mm，測量精度為±5%，響應時間為30ms，輸出信號為O~20mA電流，傳感器探頭垂直安裝于安全閥閥桿48上方水平的支架上，探頭與被測安全閥閥桿的垂直距離為額定開高值再加上5 ~IOmm ； 所述的PLC控制系統49通過數據線與所述的試驗臺架相連，PLC數字量的輸入輸出卡件的掃描周期小于10 μ S，模擬量的輸入輸出卡件的掃描周期小于10ms。
2.一種測試安全閥熱態機械性能的試驗裝置，其特征在于，所述的直流鍋爐I的排量不低于5ton/h，蒸汽過熱度精度為±3°C，蒸汽過熱度在50°C內可調，干度>98% ； 所述的汽水分離器2的容積為3~IOm3 ； 所述的儲能器3的容積為20~40m3 ； 所述的安全閥實驗容器4的容積為5~15m3 ； 所述隔離閥10為氣動閘閥，公稱通徑為250~400mm ；所述小口徑氣動球閥11公稱通徑為10~30mm 所述的大口徑調節閥?的全閉到全開時間為0.5s~2s，閥門由全開到全閉時間為I~3s，調節閥口徑為178mm ;調節閥氣動執行機構的氣源為0.6~1.0MPa的壓縮空氣；所述的手操器的供電電源為24V直流電，輸出為4~20mA直流電流； 所述小口徑調節閥8為氣動調節閥，閥口徑為12.7mm,閥門由全開到全閉的時間為3s ； 所述快速放空閥門16為氣動球閥，公稱通徑為50_，全行程時間為0.5~Is ; 所述電動開關閥5為氣動閘閥，公稱通徑為50mm，全行程時間為5~IOs ; 所述電動開關閥6為氣動閘閥，公稱通徑為300_，全行程時間為5~15s ; 所述氣動調節閥17、18、19、20的閥口徑為6.25_，閥門啟閉時間I~3s。
3.—種測試安全閥熱態機械性能的試驗裝置，其特征在于，所述的汽水分離器2容積5m3 ;儲能器3容積為30m3 ;安全閥實驗容器4容積為IOm3 ;隔離閥10的公稱通徑為300mm ；小口徑氣動球閥11公稱直徑為15mm ;大口徑調節閥的閥門全閉到全開時間為ls，閥門由全開到全閉時間為1.5s。
4.一種測試安全閥熱態機械性能的試驗裝置，其特征在于，所述的連接放大器23和儲氣罐22的管道直徑20mm ;管道的長度為1.5m ;儲氣罐22的體積為3m3 ； 所述手操器的手輪30轉動1.5圈達到手操器滿量程；手操器的精度±1.5%。；所述的快速放空閥門16的全·行程時間為0.8s,電動開關閥5的全行程時間為8s，電動開關閥6的全行程時間為10s，氣動調節閥17、18、19、20的閥門啟閉時間為2s。
5.一種測試安全閥熱態機械性能的試驗裝置，其特征在于，在所述的蒸汽壓力測量系統9中，儲水罐35的引壓管進口位置比U型引壓管33最低處高200mm，儲水罐35的頂端比U型引壓管33的最高處低200mm。
6.一種測試安全閥熱態機械性能的試驗裝置，其特征在于，在所述的激光測試裝置13中，兩個激光探頭距離閥桿的水平距離為200mm，探頭的響應時間為80 μ s ; 所述的激光探頭46安裝于被測安全閥起跳前閥桿48上端面下方Imm處； 所述的電磁測量裝置14的傳感器探頭距離被測安全閥閥桿的垂直距離為額定開高值再加7_。
7.一種基于權利要求1所述的試驗裝置的試驗方法，其特征在于，所述的試驗方法包括如下步驟: (1)啟動鍋爐，將蒸汽排放到儲能器及測試系統中進行臺架預熱，并開啟PLC控制系統，對系統運行進行監控，掃描周期固定為5~IOs的一個數值的常規掃描； (2)進行過程升溫控制容器內外壁溫不超過50°C，每隔半小時開氣動調節閥排放冷凝水； (3)當儲能器以及試驗容器的壓力達到80%被測安全閥整定壓力時，關閉實驗容器入口管道上的小口徑和大口徑調節閥門，停止對實驗容器升壓； (4)標定實驗容器上安裝激光測試裝置和電磁測量裝置的初始值； (5)鍋爐連續向儲能器充壓，當壓力達到預設值后開啟實驗容器入口管道上的小口徑調節閥門，使儲能器的蒸汽流入實驗容器，控制升壓速度為2psi/s，將實驗容器壓力升高到90%的被測安全閥整定壓力，當實驗容器壓力達到該數值后，開啟實驗容器入口管道上的大口徑調節閥門，控制實驗容器壓力為103%被測安全閥整定壓力；同時PLC控制系統的掃描周期由常規掃描轉換為快速掃描，掃描周期為10ms，快速掃描時只掃描測量安全閥開高的激光探頭、電磁測量裝置、蒸汽壓力測量系統中的壓力變送器，快速掃描IOs結束，PLC再轉換為常規掃描； 當實驗容器壓力到達110%整定壓力，PLC系統自動安全連鎖關閉實驗容器進氣管道上的電動開關閥并開啟快速放空閥門，實驗容器壓力降至被測安全閥80 %整定壓力時手動復位關閉快速放空閥門； (6)當安全閥起跳并達到額定開高，維持穩定排放5秒，完成安全閥起跳及穩定排放實驗，關閉實驗容器進氣管道上的小口徑調節閥門，慢慢關閉大口徑調節閥門，觀察安全閥回座性能，當判斷安全閥回座后，快速關閉大口徑調節閥門同時開啟快速放空閥，使實驗容器壓力降到被測安全閥的80%整定壓力； (7)當實驗容器升壓至安全閥開啟時，將下激光探頭檢測到的反射的激光信號由無變為有時的實驗容器壓力記錄為整定壓力；安全閥回座時，下激光探頭檢測到激光信號由有變為無時的實驗容器壓力值為回座壓力；一個10秒的測試時間內，上、下激光探頭檢測到反射的激光信號由無變為有所需時間差值為安全閥達到額定開高所需時間；將PLC系統記錄與控制室操作人員記錄的安全閥開啟和回座時的壓力相對照核實試驗數據，根據安全閥產品規格及實驗數據，判斷是否繼續重復實驗或對安全閥現場調試后重新試驗直至試驗合格或現場決定終止試驗； (8)按⑷~(7)步驟，完成另外2次連續試驗； 根據實驗數據進行偏差分析，若測得實驗數據在ASME規范規定的精確度的公差范圍內，成功完成實驗，否則終止實驗，分析原因`及調整后另行測試。
【文檔編號】G01M13/00GK103852245SQ201210512317
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年12月4日 優先權日:2012年12月4日
【發明者】于新海, 涂善東, 軒福貞, 迮曉鋒, 艾麗, 張斌, 陸榮華 申請人:華東理工大學