智能化工业阀门质量检验装置的研究与应用

智能化工业阀门质量检验装置的研究与应用

Summary:作为特种设备元件，金属阀门越来越多地被应用于石油石化、电力等行业，随着广泛的应用，其安全性逐渐引起了重视。阀门制造分为铸造和锻造两种，铸造时容易出现缩孔、疏松等缺陷，锻造容易出现裂纹等缺陷，在长期使用过程中，阀门本身存在的缺陷会不断变大，最终可能引发特种设备安全事故，所以在日常工作中提早发现存在的缺陷显得至关重要。Keys：阀门；质量检验装置；研究1研究背景油气田地面工艺流程设施由工艺管网和工艺设备构成，主要用于完成石油、天然气等流体介质的输送、处理等任务。工艺管网主要由管段、管件、阀门、法兰、补偿器、安全保护装置等受压元件组成，阀门是管路流体输送系统中的控制部件，是用来改变通路断面和介质流动方向，具有导流、截止、调节、节流、止回、分流或溢流卸压等功能，是受压元件结构最为复杂的机械结构，如果生产过程中阀门出现卡阻、关闭不严、外漏等质量问题，将会严重影响油气田的安全生产，甚至酿成环境污染、火灾、爆炸等恶性事故。阀门入库质量检验是指阀门制造厂商将出厂检验合格的阀门在运往各储存库或施工现场之前，由专业检验机构对阀门实施重点项目的检验，入库检验是对制造合格阀门的质量验证，是阀门采购质量控制体系的关键环节。在2007～2012年阀门入库质量检验的70余万只中，不合格的阀门有1.7万只。如果这些不合格阀门在油气田中使用，将对油气田的安全造成极大的威胁，因此把好阀门入库质量检验关对维护油气田本质安全起着重要作用。2阀门诊断系统特点控制阀检测与健康管理系统，应满足具有基本误差、回差、不灵敏区、气密性等静态参数检测功能，能对阀杆力矩、关闭力、摩檫力和迟滞特性等动态参数进行检测和诊断分析，能实现常规的阶跃响应检测和斜坡诊断功能，能实现故障趋势与服役寿命预测，通过大数据分析模拟专家决策技术，实现阀门维修决策支持等功能，应用场景如图1所示。国外对阀门故障诊断技术开始进行广泛的研究并形成了成熟产品，控制阀检测与健康管理技术研究的目标为:(1)通过对阀门运行状态和故障作出智能判断和决策，对阀门维护大纲的优化、降低阀门维护成本、提高企业运营的经济性;(2)利用网络技术对阀门进行远程在线诊断，一方面可以让操作人员远离危险环境进行诊断，提高作业的安全性;另一方面可通过组网技术，将现场的关键阀门联系起来，提高诊断的效率，更为关键的是基于网络的实时连续监测有利于早期微弱故障的发现;(3)目前国内的核电阀门运行状态和故障诊断相关市场由国外产品垄断，且售价较高，售后不便，开发具有自主知识产权的诊断产品对企业自身和国家战略都意义重大。3阀门故障诊断研究内容(1)阀门故障机理研究阀门故障机理反映了阀门故障的本质，是阀门故障诊断方法和技术的坚实基础。机理不明，则只能对阀门故障的表象进行研究，无法对阀门故障进行全面正确地解释。在本项目中，加强对阀门故障机理的研究不能仅仅将阀门作为一个独立对象开展研究，而是将阀门放在整个工艺系统中，对阀门的实际使用工况、控制系统逻辑等全面地分析。对于故障机理的数学模型，通过仿真数据和实际故障数据对其进行反复修正。(2)阀门检测结果的精度和可靠性研究如果检测结果的精度和可靠性出现问题，即便后续的分析方法和决策系统再先进，诊断的结果也有可能是错误的。现有检测设备精度不高的原因主要是由检测原理本身所造成的，因此有必要吸收和利用当前摩擦学、材料学、电子学和测量学的相关先进成果，结合阀门本身的特点研发出高精度、高可靠性的检测设备。(3)阀门早期故障诊断技术研究阀门使用现场往往环境较为恶劣，如存在高温、空间狭小和有毒介质泄漏等问题，操作人员在现场进行诊断时存在一定的危险性，因此，现有阀门诊断实施的频率较低。现有的诊断一般都是在阀门出现明显故障征兆后的事后诊断，这种诊断方法很难发现早期微弱的故障。(4)阀门诊断决策系统的智能性研究阀门故障诊断决策系统智能性主要问题在于基础故障数据较少，决策缺乏实际依据。因此必须建立阀门数据库，收集阀门运行的状态数据。国外的阀门制造商、阀门用户和研究院开始联合建立阀门数据库，但是国内还没有实施类似的计划。阀门的数据库不仅包含阀门在整个寿命过程中的运行状态数据，更包含阀门设计、加工、装配和试验各环节的数据记录。运用阀门数据库，可以综合分析影响阀门健康状态的关键因素，改进薄弱环节来提升阀门寿命。本项目拟通过主要阀门制造商、设计院和阀门用户相互联合，数据共享，推动阀门数据库的建立，提升阀门故障诊断技术的水平。4技术方案首先，根据GB/T4213－2008气动调节阀标准的性能评定方法，选择合适的控制策略给阀门定位器控制信号，实现阀门运动控制。然后，再利用高精度传感器高速采样气动执行机构上的膜头压力、定位器的输入/输出压力、阀门行程、阀杆应力变化等数据信息。最后，结合宏观和微观的数据曲线变化，反应出阀门的特征信息，如基本误差、滑动摩擦力、控制迟滞过程曲线、流量特性曲线、阀门落座关闭力等，用户再根据知识库，推断阀门故障信息。技术原理如图1所示。图1阀门检测技术原理系统程序的设计可基于LabVIEW+NIDAQmx开发环境，通过有线/WIFI网关实现检测设备与上位机软件PC端间数据通信，通过DAQmx集成设备驱动，实现LabVIEW设计人机交互界面及其后台的数据处理及保存，从而完成控制系统搭建。系统的硬件结构如图2所示。图2阀门检测与诊断装置硬件结构系统以工程管理模式，实现每个阀门独立信息存储，管理阀门运动控制过程中所有检测项的数据包，用户还可浏览历史的工程检测数据，并可对其中的任意检测项目进行重新复检。通过ini配置文件实现系统参数在不同功能块之间传递，通过SQL+Access和tdms文件实现数据和波形等信息保存。系统的工程文件包含了系统的配置参数和过程数据、波形及检测结果。在系统框架设计上，通过软件平台+功能程序包模式，非常方便实现程序版本升级及系统功能调试，系统的人机交互界面如图3所示。功能程序包的维护和升级，对于其他程序包都是独立的，即使故障也不影响其他功能运行，因此，功能的扩展也相当易于实现。图3阀门检测平台气动阀门校验的常规手段是用标准电流信号源、标准压力表和百分表等基本测量仪表测量阀门的行程、气缸压力和电气转换器的输出，根据测量数据进行计算。因此，传统检测方法对阀门检测和诊断分析的一致性、可靠性和精确性较差，无法实现对阀门控制品质的分析。例如阀门在动作过程的中阀杆力矩、摩擦力以及阀门开启/关闭时间等重要参数，也不能对阀门综合性能参数和动态响应特性作出诊断。因此，检修中对阀门存在的具体问题不能很好地解决。随着调节阀数字化在线诊断技术的成熟，有了阀门检测与健康管理技术，由阀门故障引起的工厂紧急停车应该会减少。有了每一台阀门的健康状态数据，就可以延长阀门停止运行的时间间隔。使用诊断软件建立可行的预见性诊断程序，是一件非常高效且高利润的事情，关键是不仅要实际应用阀门诊断技术，而且要把它有效地融入维修或可靠性程序中去，有效地利用预见性诊断技术