（机械电子工程专业论文）声发射技术在阀门泄漏在线监测方面的应用.pdf

摘要 声发射技术在阀门泄漏在线监测方面的应用 摘要 在流体管道系统中，阀门是一种常见的机械产品，其主要作用是 隔离设备和管道、防止回流、调节压力和流量等，因此阀门安全性的 重要程度不言而喻。在石油化工系统中，阀门是装置中不可或缺的部 分，使用的种类非常繁多，数量也非常巨大，并且石油化工生产过程 中的介质大多具有腐蚀性强、易燃、易爆等特点。在实际使用中，阀 门泄漏事故常有发生，并且绝大部分泄漏是看不见的，因此不仅会造 成原材料和产品的巨大浪费，而且还会对周围环境造成严重破坏，甚 至造成灾难性的安全事故。据统计数据表明，约2 2 的工业阀门存在 泄漏问题，在近3 0 年世界石油化工业爆发了一百多起特大火灾爆炸 事故，其中，阀门、管道的泄漏所引发的事故几率占3 5 1 ；而在石 油化工装置( 如阀门、泵、压缩机和法兰等) 中，由阀门泄漏造成的 有机化合物( v o c ) 的无控释放量占到6 0 。因此，在石油化工生产 过程中，及时准确的发现阀门的泄漏具有重要意义【3 1 。 声发射是指材料中局域源快速释放能量产生瞬态应力波的现象， 简称a e 。当阀门由于内部密封性能不好而造成内漏时，阀体内介质 会从密封面的缝隙喷射而出，形成湍流，此湍流在阀门内部会产生冲 击而激发弹性波，即泄漏时的声发射信号。将声发射传感器贴在阀门 外壁，接收阀门泄漏时产生的弹性波，然后再将其转化为电信号，由 仪器来分析阀门是否泄漏，从而达到阀门泄漏检测的作用 1 1 。 i 北京化工大学硕士学位论文 本课题采用美国物理声学公司提供的阀门泄漏专用传感器 i s 一9 2 0 3 b 和阀门在线监测系统v p a c - 1 2 7 8 、p c i 一8 数据采集卡以及 l a b v i e w 分析软件，对阀门泄漏进行在线监测，并能估算出阀门的泄 漏率。 声发射技术用于阀门泄漏的在线监测目前还处于起步状态，在石 油化工系统中，还没有达到全面应用的地步。本课题通过研究进一步 证实了声发射技术用于阀门泄漏检测的可行性，继续推进了阀门泄漏 检测的发展。 关键字：声发射，阀门，泄漏检测，在线监测，远程监控 摘要 r e s e a r c ho na c c o u s t i ce m i s s i o nf o r0 n l i n e v a l v el e a km o n i t o r i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t i nt h es y s t e mo ff l u i dt r a n s p o r t a t i o np i p i n g ，v a l v ei sac o m m o n m e c h a n i c a lp r o d u c t ，i t sm a j o ra c t i o ni st oi s o l a t et h ed e v i c ea n dt h e p i p i n gs y s t e m ，p r e v e n tb a c k f l o w , c o n t r o lt h ep r e s s u r ea n df l o w , s ot h e s a f e t yi sv e r yi m p o r t a n t i nt h ep e t r o c h e m i c a ls y s t e m ，v a l v ei sac o m m o n c o m p o n e n t ，o fw i d ev a r i e t i e sa n dh u g eq u a n t i t y , b e s i d e si nt h ep r o c e s s p e r i o d o fp e t r o c h e m i c a l s y s t e m ，t h ep r o d u c t i s a l w a y sc o r r o s i v e ， f l a m m a b i l i t ya n de x p l o s i v e i n s e r v i c eu s e ，v a l v el e a k sc a l lb ef o u n da l l t h et i m e ，m o s to ft h e ma r ei n v i s i b l e ，s on o to n l yla wm a t e r i a la n dp r o d u c t a rew a s t e d ，b u ta l s ot h ee n v i r o n m e n ti sp o l l u t e d ，e v e nd i s a s t r o u sm a y h a p p e n a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c s ，a b o u t2 2 o f t h ei n d u s t r i a lv a l v e s h a v el e a k s ，i nr e c e n t3 0y e a r s ，t h e r ea r em o r et h a n10 0b i gf i r e sa n d e x p l o s i o n s ，3 5 1 o ft h e mb r i n ga b o u tl e a ko fv a l v e sa n dp i p e s ；t h e d e v i c eo fp e t r o c h e m i c a ls y s t e m ，v a l v el e a k sb r i n go n6 0 o ft h ee x h a u s t o fv o cw i t h o u tc o n t r 0 1 s oi nt h ep r o c e s so fp e t r o c h e m i c a l ，i t sv e r y i m p o r t a n tt od e t e c tt h el e a k si nt i m e a c o u s t i ce m i s s i o ni ss t r e s sw a v ep r o d u c e db yb u r s tm o v e m e n ti n 北京化工大学硕r 上学位论文 s t r e s s e dm a t e r i a l w h e nt h ev a l v el e a k s ，t h ef l u i dw i l le j e c tf r o mt h eg a p ， s ot h et u r b u l e n c et u r nu p ，t h ea c o u s t i ce m i s s i o nb r i n g sf o r t hd u et ot h e t u r b u l e n tf l o wi m p a c t st h ei n t e r i o ro ft h ev a l v e a es i g n a lt u r nu p ， w h i c hs p r e a d st ot h ev a l v ea n de x c i t e sas e n s o r , t h e nt h ea e s y s t e mw i l l m e a s u r ei ft h ev a l v ei sl e a k i n go rn o t i s d 9 2 0 3 ba es e n s o ra n dv a p c12 7 8o fp a c ，b e s i d e st h e1 a b v i e w s o f t w a r ea r eu s e do nt h i sr e s e a r c h t h e1 e a k sc a nb em o n i t o r e da tr e a l t i m e ，t h el e a kr a t ec a nb ee v a l u a t e da tt h es a m et i m e t h eu s eo fa eo nv a l v el e a ki sa tt h ei n i t i a lp h a s e ，i t sf a rf r o mf u l l a p p l i c a t i o ni nt h ep e t r o c h e m i c a ls y s t e m t h i sr e s e a r c hm a k e sf u r t h e r e f f o r t si nt h eu s eo fa eo nv a l v el e a k ，p u s hf o r w a r dt h ed e v e l o p m e n to f a ei nv a l v el e a kd e t e c t i o n k e yw o r d s ：a c o u s t i c e m i s s i o n ，v a l v e ，l e a kd e t e c t i o n ，o n l i n e d e t e c t i o n ，r e m o t em o n i t o r i n g v 符号说明 声发射信号 有效值电压，v 平均信号电平，d b 符号说明 换能器的中心响应频率，h z 波形的衰减系数 声发射信号峰值电压，v 阀值电压，v 密度，k g m 。3 粘度， 雷诺系数 大气压强，b a r x i i l 肛|耋舭黼矗夕场k p 如 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：盈u 主笔逍日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：也主亟逢日期：丝包sk 蛰旦 导师签名： 日期：丝翌：挈 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 阀门是一种用途极广的通用机械产品，它本身品种复杂、结构多变；使用条 件从高压到低压、高温到低温；所用的材料有铁、钢、铜、合金以及非金属等。 据有关部门统计，“十一五 期间国内各行业阀门需求总量超过3 4 5 亿元，需求 产品涉及石油化工、机械、电力、核电、医药、交通、军工等多个领域【l 列。 在石化工业生产过程中，由阀门泄漏导致的特大事故时有发生，是非常严重 的安全问题，它对生产的安全性、经济性以及对环境都会带来重大的影响。目前 石化企业阀门管理还限于简单的检查手段，主要是依靠定期检修，对阀门进行拆 卸、检修和更换。遗憾的是，实际上只有不到5 0 的阀门需要拆卸修理，这会造 成许多人力、物力和时间的浪费，而阀门维修更换大约占了石油化工设备维修更 换费用的1 0 l z 2 j 。 1 2 阀门泄漏检测技术的研究现状与发展趋势 1 2 1 阀门泄漏的主要检测方法 目前对阀门泄漏检测还没有统一的系统分类方法，从检测方位的角度可以将 各种检测方法分为外部检测法和内部检测法。从检测参数的角度将各种检测方法 分为直接检漏和间接检漏。直接检漏法是指利用布置在阀门本体上的探测器，直 接检测泄漏到阀门外的液体或挥发到阀f - j 多 l - 的气体，从而达到检测泄漏的目的。 间接检漏法是指检测因泄漏对阀门运行参数造成的影响，如流体压力、流量的变 化来判断是否发生泄漏。也有将泄漏检测技术分为基于硬件和基于软件的方法。 基于硬件的方法是指对泄漏物进行直接检测。基于软件的方法是指检测因泄漏造 成的影响，如流体压力、流量的变化来判断是否发生泄漏以及泄漏的位置【2 1 1 。 1 2 2 石油化工生产中阀门检测技术的应用 在石油化工的生产运行中，要及时发现阀门的泄漏，当然希望选择能够迅速、 准确发现泄漏并能不间断对阀门进行监测的方法。在石油化工工厂里，一般采用 的检测方法有3 】： l 北京化_ t 大学硕十学位论文 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 流量平衡法：依靠质量守恒定律，流进阀门的流体等于流出阀门的流体。 直接观察法：通过有经验的管道工人沿管线巡查。 负压波法：当以泄漏前的压力作为参考表准时，泄漏时产生的减压波就称 之为负压波。通过利用上下游测量点的时间差以及负压波在管线中的传播 速度，就可以确定泄漏源的位置。 运行压力法：若阀门泄漏，则会导致阀门上游流量增加，同时上游和下游 的压力减小。这种方法一般只用于稳态流体，且仅能探测到较大的泄漏。 1 2 3 阀门泄漏检测的发展趋势 目前石化企业阀门的泄漏问题主要还是依靠定期检修，这种维修会对资源造 成很大的浪费。阀门在线监测技术现在已经逐渐成为热点，它可以有效地判别阀 门的漏与不漏，甚至能估算出阀门的泄漏率，为阀门提供了维修的优先性判据， 采用声发射来对阀门的状态进行实时监测必将得到深入研究和广泛应用。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题从阀门泄漏监测的实际需求与应用要求出发，主要进行了声发射技术 用于阀门泄漏监测的实用化研究，对阀门泄漏过程中，声发射信号采集、放大、 传输、分析和处理技术进行了研究。本文在广泛查阅国内外科技文献的基础上， 收集整理相关资料，主要研究工作集中于以下几点： ( 1 ) 熟悉阀门的原理、分类和应用，并结合流体力学原理对阀门泄漏声发射信 号的产生机理进行分析。 ( 2 ) 在声发射信号的特征分析中，了解各特征参数的意义和作用，根据需要选 择分析方法，以便于研究阀门泄漏所产生声发射信号的活动状况和发展趋 势。 ( 3 ) 根据需求，组建能够监测阀门泄漏的声发射系统，实现阀门泄漏监测的功 能。 ( 4 ) 在实验室模拟石油化工系统内的管道阀门系统，得到不同公称管径、不同 压力差下阀门泄漏时的声发射信号，利用所组建的声发射系统对其进行分 析，确定阀门是否存在泄漏，并评估其泄漏率。 1 4 前人研究成果 2 第一章绪论 当阀门密封性较差时，总有少量气体或液体经过阀门内部的缝隙喷射而出， 产生紊流流体，此紊流流体对管壁产生冲击而产生声发射信号。这种信号属于连 续型声发射信号，类似于白噪声。前人在通过对多种阀门在多种工况下所进行的 阀门泄漏实验得出，泄漏所产生的声发射信号时连续型声发射信号，所激发的应 力波频率范围非常广，既有超声波，也有声波，并且泄漏信号的频带随介质、压 力、阀门类型以及泄漏孔大小的变化而变化，其中超声频段内的信号最为强烈， 频谱具有很陡峭的尖峰。阀门泄漏时所产生的声发射信号主要是由三种声源而来 的：泄漏处形成的紊流和泄漏孔壁相互作用，在孔壁上产生的声发射信号由阀门 本体传到阀门下游；液体或气体从阀门上游到阀门下游是层流到湍流的过程，由 此在阀门内部产生了一系列波长的声信号，即所谓的白噪声；液体或气体高速从 泄漏孔流出，冲击到阀门下游的管道内壁而产生的声发射信号。 能否准确的检测到阀门内漏的最大声场强度点，对于准确判断阀门是否泄漏 以及精确计算阀门内漏率都是十分重要的。在同一阀门上，由于声发射信号传播、 衰减特性和流道边界等因素的影响，阀门内漏时所产生的声场分布很不均匀，但 其最高点主要出现在截留点处和截留点下游的流道内。考虑到不同的阀门类型， 以及内漏声波在阀体上的传播影响，需确定最佳的检测检测位置1 2 0 。 上述结论都是前人在实验室条件下所得到的结果，综合分析，我们可以得出 声发射技术在检测阀门泄漏是可行的，并且具有快速、不需要停产等特点，具有 很强的经济性。但是以前所做的实验和得到的结果都还是定性评价阀门是否具有 泄漏，无法定量评估其泄漏率。 1 5 目前存在的问题 石油化工系统中，现场噪音往往比较强烈，且分布于整个幅值带和整个频域 范围，因此，如何最大程度的区分噪音与阀门泄漏所产生的声发射信号仍然是一 个主要问题，这是影响到检测的有效性的关键。不同的现场就有不同的噪声源， 所以现场经验具有一定的指导作用。本课题所作的研究主要是在实验室内，所得 到的实验数据受n 多 i - 界干扰较小，可作为以后现场检测的参考，而现实中阀门泄 漏的检测有待进一步研究。 1 6 研究中遇到的难点 ( 1 ) 选择和组建合适的声发射系统来检测阀门泄漏时的声发射信号 3 北京化工大学硕_ 上学位论文 ( 2 ) 有效的区分阀门泄漏时的声发射信号和周围的环境噪音。 ( 3 ) 选择合适的参数来分析阀门泄漏时的声发射信号。 ( 4 ) 确定不同类型的阀门，在公称管径和压力差发生变化时，其产生的声发射 信号和具体泄漏率之间的关系。 4 第一二章声发射简介 2 1 声发射技术 2 1 1 什么是声发射技术 第二章声发射简介 声发射( a e ) 是指材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象。材料 在应力作用下的变形与断裂，是结构失效的重要机制之一 在大多数情况下，声发射信号十分微弱，人耳不能直接听到，需要借助灵敏 的电子仪器才能检测到。这种通过使用仪器探测、记录和分析声发射信号，并利 用声发射信号来推断声发射源的技术就称之为声发射技术5 1 。 2 1 2 常见的声发射源 声发射源是指产生声发射信号的机制，常见的声发射源概括起来，主要有以 下几个方面【7 l ： ( 1 ) 金属材料的塑性变形和位错运动 ( 2 ) 裂纹的形成和扩展 ( 3 ) 断裂 ( 4 ) 马氏体相变 ( 5 ) 流体泄漏 ( 6 ) 局部放电 ( 7 ) 磁效应 2 1 3 声发射信号的特点 ( 1 ) 声发射信号的持续时间短 ( 2 ) 声发射信号的频带很宽 ( 3 ) 声发射信号都很微弱 ( 4 ) 声发射信号具有随机性 ( 5 ) 声发射信号是不可逆的 2 1 4 声发射技术的特点 s 北京化t 大学i 哔位诒女 声发射技术是一种重要的无损检测方法，声发射检测必须通过外部条件，如 力、电、碰、温度等因素的作用，使材料或构件释放出弹性波。因此声发射是一 种动态的检测方法，即在构件或材料的内部缺陷处丁运动过程中时，声发射才能 够检测得到。 声发射技术虽然有着许多优点，但在应用中也_ 自 定的局限主要表现为“： ( 1 ) 只有在动态受力的情况下习能产屯声发射信号，不能山静态缺陷产生。 ( 2 ) 声发射检测只能对缺陷做定性评价，关十缺陷的大小尺寸等，仍依赖于其 他无损检测方法来复检。 ( 3 ) 卢发射检测对材料较为敏感，容易受到噪声的干扰，因而需要有丰富的数 据库和现场经验才能对信号做出正确解释。 ( 4 ) 声发射波的传播过程非常复杂，接收到的信号由于波的衰减、反射、模式 转换等影响，和原始信号有一定的差异，从而影响对真实信号的辨别。 2 1 s 声发射信号的类璎 目前，根据波形特征，人们认为的卢发射信号分为突发型卢发射信号和连续 型声发射信号。 ( 1 ) 突发型声发射信号 立【】果声发射信号是断续的，并且在时自j 上可以分开，那么这种信号就称之为 突发型声发射信号，如图2 - 1 所示。它的特征是不连续、持续时间短。 l “。 p ”r ” 图2 1 典型的突茬型声发射信号 f i 9 2 1t y p i c a lb u m c a es i g n a l ( 2 ) 连续型声发射信号 如果大量的卢发射信号同时发生，并且在时间上不可分辨，那么这些信号就 称之为连续型声发射信号，如图22 所示 6 第二章声发射简介 l i jli i 【i l i _f i h 1 f r 、畜蕊 八翰 鬟 飘l弱搦彪罐 、。 v 川v v 注：灰色部分发生 9 振铃记数 f 北京化工大学硕士学位论文 声发射信号处理的目的是获得有关声发射源的信息，进而获取材料或结构损 伤相关的信息。在声发射技术发展初期，用的更多的方法是参数分析方法，并经 历了从简单参数分析到复杂参数分析的漫长过程。近十几年来，随着模态声发射 理论和技术的逐渐成熟，人们又开始对波形分析产生浓厚兴趣位6 1 。 2 2 1 声发射信号的参数分析方法 声发射参数分析方法是一种经典的声发射信号分析方法，在当前的声发射检 测中仍广泛应用，具有简单，易于处理的优势。 2 2 1 1 声发射单参数分析法 早期声发射仪器只有计数、能量或幅度等很少参数可以测量，因此，单参数 分析方法是早期对声发射信号分析和评价的主要方法，其中计数分析法、能量分 析法和幅度分析法是最常用的【3 引。 ( 1 ) 计数法 计数法是处理声发射信号的一种常用方法，其缺点是受被检测物体几何形 状、门槛值电压、传感器特性、放大器和滤波器等因素的影响较大。 ( 2 ) 能量分析法 声发射信号的能量正比于声发射波形的面积，如图2 3 所示。 ( 3 ) 幅度分析法 信号峰值幅度和幅度分布是一种经典的声发射信号的处理方法，信号幅度与 材料中产生声发射源的强度有直接关系，幅度分析与材料的形变机制有关。 2 2 1 2 声发射经历图分析法 声发射信号经历图分析法通过声发射信号参数随时间或外变量变化的情况， 从而得出声发射源的活动情况和发展趋势。如图2 4 所示，为幅值随时间的经历 图。 8 第一章十发射简舟 图2 4 声发射信号幅度时间的经历罔 f i 9 2 - 4 e c ec h a n o f a es i g n a la m p l i t u d e - t i m e 2 2 1 3 声发射信号的分布图分析法 声发射信号分栉图分析法是将声发射信号撞击计数或事件计数按信号参数 值进行统计分布分析。一般纵轴表不撞击计数或事件计数，横轴是声发射信号的 任意参数，横轴表示的参数，例如幅值、能量、振铃技术、持续时间、上升时间 等，即为该参数的分靖j 图，其中幅度分布图的应用最为广泛，如图2 - 5 所示 图2 - 5 幅值的分布图 f i g a es i g n a la m p l i t u d e d i s t r i b u t i o n 2 2 1 4 声发射信号的关鞋分析方法 对于声发射信号中的任意两个波形参数都可以作为关联图进行分析，图中二 北京化i 丈学硕士学位论文 维坐标的两个轴各表示一个参数，每个点对应于一个声发射撞击或事件。通过不 同参量之间的关联图，可以分析不同a 源的特征，从而起到鉴别a e 源的作用， 如图2 - 6 所示； 图2 - 6 声发射信号幅值能量的相关图 f i g2 - 6 c o r r e l a t i o ng r a p h o f a ea m p l i t u d e d e n q 2 2 1 5 声发射参数的列表显示发 列表显示法是将声发射信号参数进行时序排列并直接显示，列表内容包括到 达时间、各声发射信号参数，外变量以及声发射源坐标，如图2 - 7 所示。通过信 号参数列表，我们可以对声发射源的强度等特殊问题进行分析。 图2 - 7 声发射参数列表 f i g2 - 7 a e f t u r e l i n e d i s p l a y 第二章声发射简介 2 2 2 声发射信号的波形分析方法 基于波形分析的声发射信号处理技术是指根据所记录信号的时域波形以及 与此相关联的频谱特征和相关函数来获取有关声发射源的信息。 2 2 2 1 谱分析方法 谱分析方法是对声发射信号的频谱特征进行分析的一种方法。谱分析方法可 以分为经典谱分析和现代谱分析两大类【i 3 1 。 ( 1 ) 经典谱分析方法 经典谱分析以傅里叶变换为基础，主要包括相关图法和周期图法以及在此基 础上的改进方法，其中最基本和最重要的方法就是快速傅里叶变换。 ( 2 ) 现代谱分析法 近二十多年来，以傅里叶分析为基础的现代谱分析方法迅速发展，成为一门 新兴学科，这种方法可以分为两大类，即参数模型法和非参数模型法。现代谱分 析方法为了克服经典法的缺点，根据声发射信号本身的特点，用合适的参数模型 来拟合信号以及用特征分离方法来分析信号，使频谱的分辨率和统计稳定率得到 了提升，从而使现代谱分析与真实频谱更加接近。 2 2 2 2 模态声发射 近年来模态声发射理论逐渐成熟。模态声发射理论认为被检测材料结构中的 声发射事件在负载作用下，产生的弹性波是频率和模式多样的导波信号，可以利 用导波理论和弹性力学理论来解决一直困扰声发射应用的难题，例如定位和噪音 识别埘。 2 2 2 3 小波分析 小波分析是八十年代后期发展起来的一种应用数学方法，作为新兴的信号处 理分析方法，在许多领域得到了广泛应用。所谓小波，小的波形。“小”指其具 有衰减性，“波 是指其具有波动性，具有振幅正负相间的振荡形式。小波变换 在信号分析和处理领域作为一种强有力的数学分析工具得到了广泛的应用。近年 来，小波分析开始应用于声发射领域的研究，并取得定的进展【4 引。利用传感器 接收声发射信号并对进行处理与分析的根本目的就是探测声发射信号的有无，并 2 2 北京化工大学硕十学位论文 迸一步判断声发射源的性质和位置，已完成对材料或构件的检测任务川。 第三章阀门及其泄漏分析 3 1 阀门简介 3 1 1 阀门 第三章阑门及其泄漏分析 按定义，阀门是一种专用的机械器件，用于调节流体的流量、压力或温度， 按阀门的设计，功能、应用、类型、尺寸和压力等特征可以分为很多类。最小的 工业阀门重量可小到04 5 k g ，可以放入人的手中最大的可重到10 t 以上。现有 阀门的应用领域已由简单的水龙头发展到各有信息处理系统的控制阀，而在石油 化工系统中最常见的类型有闸阀、旋塞阀、球阎、蝶阀、止回阀、泄压阀和截止 阀等。阀门的材料多种多样，例如铁、钢、塑料、黄铜、青铜咀及各种合金等4 ”。 3 1 2 阔门的分类 3 1 2 1 按内部设计和功能分类 按内部设计和功能阀门可分为四类：双位式阀门，它具有控制流体管道系统 打开和关闭的功能；止回阀，它只允许流体向个方向流动；节流阀节流阀是 用于调整运行中流体的流量、温度和压力的；控制阀，控制流体介质达到预期的 动力和运行条件“q 。 ( 1 ) 双位式阀门：双位式阀门通常包括闸阀、旋塞阀、球阀、泄压阀和缸底阀 等，大多数双位式阀门是手工操作的，若增加一个执行机构它可自动操作。 泄压阀是自身执行的双位式阀门，如图3 - l 所示，仅当压力超过预先设定 值时，阀门才会打开，安全阔通常用于气体管道的控制，当压力过大时， 系统会存在安全隐患，所以必须放空。 图3 - 1 泄压阀 f i 9 3 - 1 b l o w o f f v a l v e ( 2 ) 止回阀：止回阎仅允许流体在设定的方向流动，设计原理是在相反方向的 北自化i 大学硬学位论文 任何流动或压力均会受到限制，所有的单向阀都是止回阀。流体的回流有 时会损坏设备或扰乱工艺过程，止回阀的作用就是防止流体的回流，有时 也用于具有不同压力且必须保持分开的工艺系统 ( 3 )节流阀：节流阀是用于调整运行中的流量、温度和压力的。此类阀门可在 阀门行程之内任意活动、固定，因此它也能起到双位阀的作用。此外许多 节流阀的设计中各有手动操作的手轮或拉杆，以提供较大的推理、调位能 力以及自动控制。 ( 4 ) 控制阀：作为控制元件，控制阀是控制环路的一部分，它通常由传感元件 和控制元件来构成，如图3 - 2 所示。传感元件测量具体的工艺条件，并将 信息传递给控制系统，控制系统再把该信息与预期值进行比较，并对工艺 条件作出必要的修改。 j ! i 3 1 2 2 按应用分类 图3 - 2 控制阀 f i 9 3 - 2c o n t r o l v a l v e 按应用情况，阀门可分为三类：通用工况阀门、特殊工况阀门和严重工况阀 门f 圳 ( i ) ( 2 ) 通用工况阀门：通用工况阀门是为那些常用操作而设计的阀门，其而定压 力般较低，公称管径在d n l 6 一d n l 0 0 之间，温度在4 6 3 4 3 c 之间，非 腐蚀性介质和普通压降，不会导致气穴和闪蒸。通用工况阀门的设计有 定程度的互换性和适用性，以使它们能适用于广泛的应用。通用工况阀门 的材料散为碳钢和不锈钢。 特殊工况阀门：特殊工况阀门是定做制造的阀门它是为正常工艺运行以 外的单一应用而设的。由于其奇特的设计和制造，它只能在有关特定工况 第三章阀门及其泄漏分析 的参数和运行条件下才可以操作。该阀门通常用于处理高压或耐腐蚀的介 质。 ( 3 ) 严重工况阀门：严重工况阀门一般用于控制挥发性的物质，例如高压力降 导致的严重气穴、闪蒸、堵塞等。该类截止阀在设计上一般要求有很好的 阀芯和特殊的阀盘。 3 1 2 3 按运动分类 某些用户将阀门按照其机械运动进行分类，可将阀分为直线运动阀和旋转运 动阀【1 9 l 。 ( 1 ) 直线运动阀：也叫做直线阀，它具有一个滑动阀杆以推动一个闭合元件到 开启或闭合的位置。闸阀、截止阀、胶管阀、隔膜阀、对开阀、三通阀等 都属于此类阀。直线阀由于设计简单，维护容易的特点，所以它是目前阀 门应用中最通用的型式。 ( 2 ) 旋转运动阀：也叫旋转阀，使用旋转闭合元件打开或闭合流道。旋转阀通 常比直线阀尺寸小、重量轻，但易于产生气穴和闪蒸现象。目前旋转阀的 设计已经越来越成熟，并被加速应用。 3 124 按阀门的开口情况分类 按阀门的开口情况可以把阀门分为全开口阀门和半开e l 阀f - j t l 9 1 ( 1 ) 全开口阀门：在工艺系统中，大多数阀门是设计成通过使闭合元件的流动 通道或面积小于管线内径，而将其流量限制在某个范围内，这种阀叫做全 开口阀门，因为其内部流道等于入口的全面积。全开口阀门主要用于开关 和断路工况。 ( 2 ) 半开口阀门：半开口阀门是指闭合元件的开口尺寸小于管线内径的面积半 它的主要作用是控制流量。 3 2 阀门泄漏的原因分析 3 2 1 阀门泄漏的状况 阀门的泄漏可分为外漏和内漏两种。介质通过螺纹、法兰等结合面或阀杆 与填料之间从内由于阀瓣、闸板、阀芯等阀件与阀座之间的密封面关闭不严， 北京化工大学硕士学位论文 使得介质流动不能完全截断，造成阀门内部的泄漏，称之为外漏；由于阀瓣、 闸板、阀芯个阀件与阀座之间的密封面关闭不严，使得介质流动不能完全截断， 造成阀门内部泄漏，称之为内漏。总之，阀门的泄漏通常发生在阀门开闭的闭 合面、阀杆的密封部位、阀门连接处以及阀体等零件破损处【3 1 1 。 3 2 2 阀门泄漏的原因 3 2 2 1 阀门外漏的原因 外漏常见于阀体、阀杆、填料函与阀体的连接部位 介质在密封填料出的泄漏，原因是调料的压盖松动、填料质量不符合要求、 密封填料不严密、填料老化等。这种泄漏一般表现为渗漏，流量一般较小， 但是介质是通过阀杆直接从管道中流出的，因此会污染环境。 阀门的阀杆在某个位置被卡死，使得阀门无法关闭或关闭不严，从而造成 介质泄漏。这样的泄漏往往流量会很大，容易对周围的环境或生产装置造 成严重的危害。 阀体与阀盖之间的密封性不好，一般情况下为法兰连接密封、垫片的类型、 尺寸或材质不符合要求，连接螺栓紧固不当，法兰密封面加工质量差，或 因管道配置不合理而在连接处产生过大负载等原因，都能引起阀体连接部 位的泄漏。 阀体质量是阀门质量的核心，阀体通常是铸造的，在铸造过程中容易产生 缺陷，承压能力薄弱以及应力集中的部位会导致介质的泄漏，一般在使用 前通过水压试验就能够发现。 3 2 2 2 阀门内漏的原因 介质的隔断是靠阀芯和阀座表面的密封来实现的，若阀芯和阀座的密封失 效，会使阀门出现内漏，其主要原因如下： ( 1 ) 镶配的阀座与阀圈结合不够紧密；阀杆变形，使阀座与阀件不对中，密封 面之间不能严密贴合；密封面材料选择不当，经受不住介质的腐蚀冲刷。 ( 2 ) 密封面未达到要求的表面粗糙度，或两密封面得材料不匹配，抗磨损及抗 擦伤性能差。 ( 3 ) 液态介质中产生局部气化，或含有固体颗粒或析出晶体，或某些高温阀门 在关闭后迅速冷却，是密封面出现细微裂纹，这都会加速阀门密封面的磨 1 6 ) ) ) ) 1 2 1 j 4kll，k 第三章阀门及其泄漏分析 损、冲蚀或汽蚀。 ( 4 ) 关闭阀门过快、过猛等操作不当，或未将沉积在阀内的固体杂质冲走就关 闭阀门，造成杂质嵌入密封面，使密封面无法关严，以至在高速介质的不 断冲刷下，密封面加速磨损。 ( 5 ) 密封面在高速介质的冲刷下，坚硬粒子在载荷作用下产生冲蚀，泡点状态 液体压力变化形成气泡产生汽蚀，都会导致密封面的实效。 1 7 第四章阀门泄漏的声发射检测 第四章阀门泄漏的声发射检测 4 1 流体及其物理性质 管道系统中的介质，无论气态的还是液态的，都属于流体，因此了解流体运 动的特点及其规律对于理解阀门泄漏的声发射检测原理是很有帮助的。 4 1 1 流体的微观特性和宏观特性 众所周知，流体是由分子组成的。若是以单个分子作为研究对象，由于分子 本身时刻在作随机运动，分子间的碰撞十分频繁，其物理量也在随机变化，这种 由分子运动所决定的物理量的非连续性和随机性，称之为流体的微观特性。若将 所研究对象扩大到流体团，只要分子数目足够大，并且其统计值在空间上连续， 在时间上确定，成为为流体团的宏观特性。流体分子的微观运动是分子自身的热 运动决定的，而由大量分子组成的流体团的宏观运动则是由外力引起的【4 5 1 。 4 1 2 流体的易变形性 流体与固体都可以用连续介质的假设来描述，但它们的宏观力学行为迥然不 同。固体其分子均处于周围分子的强力场中，不能自由的运动。液体却不同，一 是由于局部有序的液体分子群可不断的改变成员，不像固体的晶包那样牢牢守住 自己的分子；二是在液体分子中经常会出现一些空洞，分子能够通过这些空洞可 以实现位置移动。至于气体，分子间距离更大，作用力非常微弱。总的来说液体 介于气体和固体之间，从易变形的特点而言，气体和液体属于同类。 从宏观特性出发，给流体下的定义：流体不能抵抗任何剪切力的作用而产生 剪切变形趋判引。 4 1 3 层流和湍流 按照流体内部流动结构的不同，可以把粘性流体的流动分为层流和湍流两种 状态。英国科学家雷诺认为这两种不同的规律代表了流体的两种流态，称之为层 流和湍流，并经过许多管流实验，归纳出区分这两种状态的特征参数： r e = pv d 肛( 4 - 4 ) 这是一个无量纲量，d 为圆管直径，v 为平均流速，p 和“为流体的密度和粘度。 北京化工大学硕士学位论文 关于这两种流动状态，特别是层流和湍流和转变论证已经被大量的实验所论证， 为了纪念雷诺，后人把该参数称之为雷诺系数。经过雷诺多年的数据整理，发现 了一个临界雷诺系数r e 。x = 2 0 0 0 ，低于该值时，流体为层流状态，而r e c 。= 4 0 0 0 时，流体为湍流状态，中间为过渡区。 4 2 用声发射检测阀门泄漏的原理 4 2 1 湍流产生的基本原理 前面介绍湍流时已经介绍过，当雷诺系数大于4 0 0 0 时，流体的流体状态为 湍流，即r e = pv d i t 4 0 0 0 。如图4 2 所示，v 为流体从泄漏孔喷射而出的平均 速度，p 和p 为流体的密度和粘度，d 为泄漏孔的直径，p 为管内流体的压力， p a 恤是大气压力t 4 1 。 图4 - 2 湍流产生的基本原理 f i g4 - 2b a s i cp r i n c i p l eo ft u r b u l e n c e 从以上公式和图中，我们可以得到以下影响湍流产生的因素 ( 1 ) 管内压力值越高，湍流越容易产生。 ( 2 ) 粘度越小，湍流越容易产生。 ( 3 ) 泄漏孔越小，湍流越容易产生。 4 2 2 影响泄漏声发射信号强度的因素 影响泄漏声发射信号强度的因素有很多，主要有1 8 1 ： ( 1 ) 声发射信号强度和泄漏率的关系：如4 3 所示，声发射信号的幅值随着泄 漏率的增加而增加。 第四章阀门泄漏的声发射检测 图4 - 3 声发射信号幅值和泄漏率的关系 f i g 们r e l a t i o n s h i pb e t w e e na ea m p l i t u d ea n dl e a kr a t e ( 2 ) 声发射信号幅值和泄漏孔大小的关系：如图4 - 4 所示，从图中可看出，刚 开始时声发射信号的幅值随着泄漏孔的增大而快速增大。 _ 为 6 鞠 均 鞫 l 工t 一 注 x 曩盘ii il 警 - - _ ! ! l 汹一一秘 t； -1龇一 ， 二两& 燃瓣 i- ；l - lo 订 砷h 。矿 一i 旷甲泪百一 l ； l jl j 砭：洲 r 一一一一一一一 l jl l b i - i 叼列w m 。l - i 。 ll ： j ； ii lii 一 ： i ： l 一 l1ii 钓粕猫嘲椭鞠姗 l 囊赡4 雅 图4 4 声发射信号幅值和泄漏孔大小的关系 f i 9 4 - 4r e l a t i o nb e t w e e na ea m p l i t u d ea n dl e a ks i z e ( 3 ) 声发射信号幅值和泄漏方向的关系：如图4 5 所示，随着泄漏角度的逐渐 增大而减小。 芎v参露叠置 盆o#厦鑫声 北京化工大学硕士学位论文 ii 一 i；ii i li ：0 蚓蛰岛 一 1! 努磊甲1烈 h 、jl 。，移w ；l 。- n l 一 l 肿 f ：辫w | | i i i ! 巳一一l 一一一一j 一一上一上一一 !i 。一；_ l | 一i ft。 l l li 1iljl 簿的钧硒湖2 嘲强o 图4 - 5 声发射信号幅值和泄漏角度的关系 f i g4 - 5r e l a t i o n s h i pb e t w e e na ea m p l i t u d ea n dl e a ko r i e n t a t i o n ( 4 ) 声发射信号幅值与泄漏距离的关系：如图4 - 6 所示，声波具有衰减特性， 在同一种材料中，声波的频率越高，衰减越快，频率越低，衰减越慢，如图4 7 所示。 瓢o 盖& o o 1 0 0 0 f r e q u e n c y ( k h z ) ，d i s t a n c e ( c m ) 图4 6 声发射信号幅值与泄漏孔距离的关系 f i g4 - 6r e l a t i o n s h i pb e t w e e na ea m p l i t u d ea n dl e a kd i s t a n c e 耱 孵 将 嚣 穹v ill曩芬翟鼍 爱2 6 童 uaio耋q#们宕ql 第四章阀门泄漏的声发射榆测 l 驺 o5t oi i 喇娜埘旺哪 图 信号衰减和频率的关系 f i g4 - 7r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i g n a la t t e n t i o na n df r e q u e n c e 4 3 描述阀门泄漏声发射信号的参数 阀门泄漏时产生的声发射信号是连续型声发射信号，描述连续型声发射信号 的主要参数：有效值电压( r m s ) 、平均信号电频( a s l ) 和能量2 4 1 。 4 3 1 有效值电压 有效值电压是测量连续型声发射信号电压的一个参数，有效值r m s 的计算 公式为： r m s =l i v o l t ( 4 5 ) 式中t 为时间常数，它对于阀门泄漏的检测至关重要，若t 值太小，会导 致所测得的r m s 值变化浮动太大，通常对于泄漏检测，t 值选0 5 s 5 s 。 4 3 2 平均信号电平 平均信号电平( a s l ) 是描述连续型声发射信号“平均幅值变化参数，它 的作用和r m s 的作用差不多，也是一个平均读数。它和r m s 的主要区别是： r m s 的单位是v o l t s ，而a s l 描述的信号幅值随时间的变化，因此它的单位是 2 3 il一)一，【_云一冀嚣蔫拼-誓i，鼍簟，叠鼻 北京化工大学硕士学位论文 d b ，a s l 的计算公式为： a s l = 2 0 1 9 ( r m s 1 肛v ) 一p r e ( 4 - 6 ) 4 3 3 能量 能量是一个声发射参数，对于突发型和连续型声发射信号都适用，它的含 义是声发射信号波形包络线下的面积。 2 4 第五章闭门泄据卢发射检慊统的绑成 第五章阀门泄漏声发射监测系统的组成 5 1 声发射系统的基本组成 如图5 - 1 所示，由声发射源产生的声发射信号经材料内部传播到表面，引起 传感器可毗探测到的表面位移，传感器将这些表面位移转换为电信号经过传输、 放大后输送到声发射采集卡，虽后再由计算机来分析、处理和显示，这就是声发 射检测的原理。 图5 - 1 卢发射检测的原理 f i 9 5 - 1b a s i c 研n c l p l e so f a ed e t e c t l o n 图5 - 2 是阀门泄漏声发射监测系统的框架图，该系统由两部分组成，第一部 分是完成声发射信号的采集、放大、转换、传输和存储，即声发射系统的硬件部 分，包括声发射传感器、电缆、v p a c 一1 2 7 8 系统、采集卡和计算机；第二部分 完成的是声发射信号的分析和处理等功能，即软件部分。 匿5 - 2 阀门泄漏声发射监测系统框图 f i g 5 - 3 a e m o n i t o r i n gs y s t e m b l o c k d i a g r “n f o r v a l v e l e a k 5 2 声发射监测系统的硬件部分 声发射监测系统的硬