智能化工業閥門質量檢驗裝置的研究與應用

裴潤有，梁桂海，白金亮，郝 堅

中國石油長慶油田分公司技術監測中心 （陜西 西安 710021）

閥門是流體輸送管路系統中的重要控制部件，對其進行入庫質量檢驗是采購過程中產品質量控制的關鍵環節。目前國內大部分閥門檢驗機構都采用傳統的檢驗設備，其自動化程度較低，依靠指針壓力表顯示、電接點壓力表半自動控制，手動調節油缸壓力，手工記錄檢驗數據，高壓試驗無防護措施，導致檢驗勞動強度大、效率低、合格判定主觀性強、安全風險大，無法滿足大規模批量檢驗要求[1]。隨著油氣田大發展，現場所需閥門數量急速增加，給入庫質檢工作帶來了極大的挑戰。

1 研究背景

油氣田地面工藝流程設施由工藝管網和工藝設備構成，主要用于完成石油、天然氣等流體介質的輸送、處理等任務。工藝管網主要由管段、管件、閥門、法蘭、補償器、安全保護裝置等受壓元件組成，閥門是管路流體輸送系統中的控制部件，是用來改變通路斷面和介質流動方向，具有導流、截止、調節、節流、止回、分流或溢流卸壓等功能，是受壓元件結構最為復雜的機械結構，如果生產過程中閥門出現卡阻、關閉不嚴、外漏等質量問題，將會嚴重影響油氣田的安全生產，甚至釀成環境污染、火災、爆炸等惡性事故[2,3]。

閥門入庫質量檢驗是指閥門制造廠商將出廠檢驗合格的閥門在運往各儲存庫或施工現場之前，由專業檢驗機構對閥門實施重點項目的檢驗，入庫檢驗是對制造合格閥門的質量驗證，是閥門采購質量控制體系的關鍵環節。在2007～2012年閥門入庫質量檢驗的70余萬只中，不合格的閥門有1.7萬只。如果這些不合格閥門在油氣田中使用，將對油氣田的安全造成極大的威脅，因此把好閥門入庫質量檢驗關對維護油氣田本質安全起著重要作用。

2 智能化閥門試驗機關鍵技術研究

針對傳統工業閥門試驗機勞動強度高、檢驗效率低、結果判定主觀性強、安全風險大等弊端，首次將數字化、智能化技術應用到閥門試驗機中，實現與計算機系統連接，電子版檢驗報告，增設安全防護系統。閥門質檢流程如圖1所示，藍色標記部分為優化環節。

計算機和試驗機（圖2）的數據信息實現雙向傳輸：一方面，試驗機的軟件系統可以調用服務器內產品資料；另一方面，試驗機的試驗數據可以傳遞給服務器存儲，形成檢驗報告。

圖1 閥門質檢流程

圖2 計算機系統整體機構圖

以下對實際的技術措施、技術參數和優越性做相關闡述。

2.1 壓力數值自動傳遞

傳統試驗機的儀表顯示系統僅采用壓力表，檢驗中只能依靠肉眼觀察壓力表盤數值和有無下降，為保證壓力讀取精度，在此環節要耗費一定的時間和精力。長時間大批量檢驗容易造成人員疲勞，造成讀數誤差較大，所以僅能滿足少量檢驗工作。如果檢驗人員責任心不強,質量判定存在較大主觀性，檢驗數據溯源也無法準確定位。

首次將油氣田現場廣泛使用的壓力變送器安裝在智能閥門質檢裝置中，作為載體自動采集壓力數據，有較高的精度和穩定性。其原理為通過變送器把采集到的壓力信號轉化成4～20mA工業標準電流信號，輸送至工業PTU模塊或PLC系統轉換為數字信號，一部分信號傳遞給PC機進行后續處理，一部分信號通過數顯壓力表在設備上顯示，檢驗裝置檢驗系統組成如圖3所示。

圖3 檢驗裝置檢驗系統組成

檢驗參數傳遞給計算機系統為開發廣闊的后續功能做好了基礎。將之前數據讀取依靠人員主觀性，轉換為依靠數字化技術的客觀性，提高了質檢工作需求的讀取精度，降低了人員讀數的勞動強度。自動測量傳輸后，檢驗數據無法造假，保證了質檢工作的數據可靠性。另外通過數顯壓力表和壓力表盤實現冗余顯示，防止之前單一壓力表顯示故障導致的超壓風險，提高了安全性和直觀性。

2.2 機載檢驗系統

傳統試驗機需要靠人員主觀判斷，根據閥門的不同種類、公稱壓力、公稱通徑，選擇需要什么試驗方法，達到什么試驗壓力、保壓時間等參數值，對操作人員技能、經驗要求較高，影響檢驗速度。

為了滿足大批量檢驗工作需要，新研究采用“人機操作界面+數字化平臺”，系統智能化判斷選擇。具體實施思路是事先由資料員批量將待檢的閥門參數信息表格上傳至數字化平臺中，每臺試驗機均能共享到該資源。檢驗中只需在試驗機的操作界面中輸入閥門出廠編號，即可提取該閥門的參數信息，系統依據標準進行智能化分析，在界面上自動生成檢驗項目、壓力試驗參數、保壓時間。即便對檢驗工作完全不懂，也能根據系統提示一步步完成整個檢驗流程[4]。

中國石油長慶油田分公司技術監測中心數字化平臺從軟件架構上劃分為4大層次，分別是：數據服務層、接口服務層、邏輯處理層、Web服務層，數字化綜合分析軟件功能構成如圖4所示。

圖4 數字化綜合分析軟件功能構成

中心數字化平臺可以實現基本信息錄入、產品檢驗數據交換、原始記錄管理、報告審核/審批、綜合統計、圖形分析等功能，通過設置查詢條件，隨時可以查詢閥門不同供貨廠家的質量狀況，自動形成不合格原因統計圖表，其檢驗界面如圖5和圖6所示。

以上措施將人工勞動量大大減少，實現了閥門檢驗的流水化作業。

2.3 伺服自控技術

傳統的試驗機必須手動試驗。輔助上還要頻繁調節夾具的油壓參數，旋轉手輪啟閉截斷閥。

智能閥門試驗機將“伺服控制”模塊利用到試驗機中。

圖5 檢驗人員登陸界面

圖6 形成壓力曲線界面

1）試壓過程自控：從觸摸屏上將啟動信號傳遞給PLC，自動實現低壓水泵注水，閥腔內注滿后立即切換到高壓水泵，壓力上升到標準值自動停止。實現一鍵式操作。

2）夾緊力自控：輔助裝夾上根據不同閥門參數值，智能化分析計算試驗介質對閥門壓力來調節夾具的油壓參數，使得作用在閥門上的“凈擠壓力”控制在一個很小的范圍內，避免夾緊壓力過大損壞閥門、影響試驗結果和夾緊壓力過小工裝無法與閥門密封，且更貼近于檢驗標準要求。另外還實現了動態的試驗介質與夾具油缸的同步加壓、同步卸壓。

2.4 低壓注水高壓增壓技術

傳統的試驗設備只采用一個高壓水泵向閥腔注水升壓，耗時較長，特別針對DN300以上大口徑閥門試驗時，該注水過程往往超過20min，設備損耗也大。

新研究將注水和加壓環節分開，針對高壓水泵只適合升壓，而注水較慢的特點，采用流量大的低壓水泵注水，高壓水泵增壓，并重新設計管路系統，大大提高了試驗中注水加壓速度[5]。

2.5 安全防護系統

將自動補壓技術和安全防護系統運用在試驗機中，增強安全性。

2.5.1 自動補壓技術

“自動補壓系統”能實時地監測壓緊機構的液壓值,保持壓緊機構夾緊力的穩定。由變送器將壓力信號反饋給PLC，并與標準值進行比較，根據比較結果邏輯判斷，輸出不同執行信號至斷路器，由電路通斷控制高壓油泵的啟動或停止，自動補充液壓使夾緊力穩定在要求值上。液壓裝置自動補壓的程序邏輯圖如圖7所示。

圖7 試驗介質補壓邏輯圖

該技術還可運用于抱夾式試驗機的夾爪系統中，實現夾爪的自動補夾緊法蘭。

2.5.2 安全連鎖系統

1）安全防護門連鎖保護技術。閥門的試壓過程中，壓力可達幾十兆帕，易造成高壓水刺出，甚至閥門零部件高速飛出，具有一定的風險性。傳統的試驗機未采取安全保護。將安全防護門運用在智能閥門試驗機上，通過結構設計和強度計算，安全防護門采用Q235鋼板沖壓而成，壁厚2.5mm，鋼板上安裝透明觀察窗，采用5mm的有機玻璃，強度足以抵擋高速飛濺物，保護檢驗過程安全，其外觀結構如圖8所示。

采用電路聯鎖方式的門聯鎖保護系統，實現了人與高壓區的隔離。原理是：在防護門未關好或門聯鎖桿沒有鎖到位時，電路斷開狀態，泵無法開啟打壓；通過壓力傳感器對閥腔壓力進行監控，將信號反饋給PLC，，使門聯鎖保持鎖閉，防護門無法打開。實現2個保護功能：安全門打開時，無法對閥門進行充壓；閥體存在壓力時，安全門無法打開。

圖8 安全防護門外觀結構

2）水、油壓安全互鎖技術。傳統的試驗機，未泄壓就可以卸下閥門，安全風險極大。由變送器將壓力信號反饋給PLC，若壓力值＞0，則由PLC輸出執行信號至斷路器，電路斷開，高壓油泵無法啟動。實現了當高壓試驗介質未卸荷時，液壓夾緊（頂緊）油缸的松開動作被鎖定；僅當高壓試驗介質卸荷后，液壓夾緊（頂緊）油缸才可松開。安全聯鎖保護技術，有效的控制了加壓過程中的安全性，當未形成保護之前系統無法實現增壓過程，為檢驗人員提供一個強制的安全保護措施。

2.6 數據處理

傳統試驗機依靠人工記錄檢驗原始記錄，人工編寫檢驗報告，勞動強度大，且必須加強質檢工作的監管。

工業控制系統信息安全近幾年才被廣泛重視，處于起步階段，許多工控企業管理制度不健全，應急響應機制欠缺，人員配置缺乏，人員培訓不足等，均對工業控制系統信息安全構成了威脅。

智能化檢驗裝置自動生成電子版原始記錄，智能化合成檢驗報告，節省了巨大的時間和精力，也方便查閱。另外機器出報告，杜絕了質檢工作中人為的弄虛作假，質量追溯性加強。

3 應用效果

智能閥門試驗機的研制成功，極大降低了人員勞動強度，改變了傳統試驗機只能單個檢驗的格局，實現了閥門檢驗的流水化、批量化。

使用數字化強制監管了質檢數據真實、可靠性，安全聯鎖系統降低高壓試驗風險。

3.1 檢驗勞動量降低

3.1.1 省去了以下人工作業環節：

1）用秒表監控保壓時間。

2）肉眼監控泄露情況。

3）手工讀取壓力值，記錄檢驗原始記錄。

4）手工記錄檢驗報告。

5）頻繁調節油壓壓力。

6）手工啟閉截斷閥。

7）將閥門手動沉入水箱觀察氣泡。

3.1.2 減輕了以下作業環節強度

1）手工統計檢驗量，轉換為軟件自動統計。

2）大口徑閥門需3～5人協助裝載，轉換為1人用懸臂吊裝載。

3）采用人工進行上機、調整、對中等工作。

4）查閱檢驗原始記錄和報告。

3.2 檢驗效率極大增強

智能試驗機省去了資料記錄和整理的環節，表1為經過實際實驗比對后，平均檢驗1只閥門所需時間。

表1 檢驗速度對比

以每天8h的工作時間，某質檢單位以之前100～130只/d的檢驗速度，提升到400～450只/d。

3.3 閥門檢驗質量得到有效提升

根據某質檢單位的近幾年檢驗數據對比，使用智能閥門試驗機的檢出的不合格率比傳統試驗機的不合格率高3%以上。該質檢單位新研制設備投運2年中，未出現1份虛假資料和質量爭議事故。

3.4 安全性能增強

在面對1年17萬余只的閥門檢驗量，使用智能閥門試驗機后，該質檢單位未出現一起高壓試驗傷人事故。

3.5 數字化溯源性增強

某質檢單位傳統試驗機1年的檢驗報告和數據可占據一間40m2的資料室。智能試驗機后，僅需一個服務器和幾臺計算機即可實現10年以上的數據報告存儲。通過軟件實現了對不合格產品的快速查詢，對檢驗參數快速追溯，該質檢單位每年實現對檢驗信息查詢3 000次以上，進行質量追溯300次以上，有效提升內部質量管控水平。

3.6 批量化檢驗，滿足了油田大發展的需要

油氣田的快速發展，每年的采購量往往在萬只以上。實際運用表明，僅十余臺新型閥門試驗機就可滿足1年150 000只的閥門檢驗量，保障油田大發展需要。智能化工業閥門檢驗裝置投入使用后，其人工成本、生產運行成本顯著降低，閥門檢驗質量和效率的提高將會對油氣田產生直接和間接的經濟效益。

4 結論

質檢裝置在傳統設備基礎上引進了5項技術，實現了原始信息集中導入、自動計算試驗參數、檢驗數據自動讀取和記錄、智能化一鍵操作、結果智能分析統計、安全防護等功能，減去了傳統試驗中7個人工操作環節，減輕4個作業環節，真正實現了智能化和數字化檢驗。

新裝置投入使用以來，已完成了近350 000只的閥門檢驗量，檢驗總體效率提高70%以上，檢驗質量0事故，高壓試驗安全0事故，檢驗過程更加規范、科學，質量追溯效率更高。經過1年多的試驗，該裝置工藝基本成熟。

[1]孫曉霞.實用閥門技術問答[M.].北京：中國標準出版社，2008.

[2]GB 13927-2008工業閥門壓力試驗[S].

[3]SH 3518-2000閥門檢驗與管理規程[S].

[4]孫廣聚，王明義.閥門密封試驗裝卡方式的分析與探討[J].閥門，1996(2):7-12.

[5]陸培文.閥門的試驗與檢驗[M].北京：中國標準出版社，2010.