蒸汽阀门在线检漏方法研究

雷亚军 孙浩

（1.中石油云南石化有限公司，云南 安宁 650399；2.兰州理工大学，甘肃 兰州 730050）

【摘 要】针对传统阀门内漏检测方法比较复杂，检测不精确等问题，基于传热学原理，文章提出了一种蒸汽阀门泄漏速度的定量计算方法。该方法能够准确方便地计算阀门泄漏速度，具有在线、实时测量及仪器简易等优势，可为蒸汽阀门在线检漏工作提供一定的参考。

【关键词】阀门；蒸汽介质；传热原理；泄漏速度计算

【中图分類号】TK01+2 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）07-0110-03

近年来，我国的工业迅猛发展，阀门在工业领域所起到的作用越来越不可小觑。阀门作为一种重要的管道元件，在管路中发挥着至关重要的作用。在工业现场使用中，泄漏是阀门的主要破坏形式之一，也是影响阀门安全运行的首要问题。当阀门投入使用后，由于压力的变化和被管道内部介质的腐蚀而产生缺陷，导致泄漏。阀门的泄露方式主要分为内泄漏和外泄漏，其中较为严重的泄漏是内泄漏，由于发生在阀门的内部，不易被察觉，所以检测和维修方法较为复杂。在高温、高压蒸汽管线中，蒸汽介质具有压力大、温度高、密度小等特点，阀门的内泄漏更易发生。这就造成了管路系统的压力损失和能量耗散等问题[1]。由于阀门的泄漏不仅会降低工厂效益，而且传统的检测蒸汽阀门的方法会产生工厂停工而造成不必要的经济损失。因此，许多相关人员对于蒸汽阀门的在线内漏检测方法进行了研究。

目前，大多数传统的蒸汽阀门在线内漏检测方法的主要原理是在管道的周围布置各类传感器和测量元件，通过测量相关参数数值来检测阀门的内漏问题。然而，这些方法大都只限于原理的介绍和定性的验证分析，对于阀门的泄漏程度和泄漏速度等问题却研究较少。因此，对于蒸汽阀门在线检漏问题展开深入的研究具有十分重要的意义[2]。本文针对蒸汽阀门的在线检漏问题，基于传热学的方法，建立相关模型，定量地对蒸汽阀门的内漏速度进行分析和计算。

1 基于传热学的蒸汽阀门内漏检测方法分析

根据传热学原理，热的传递是由于物体内部或物体之间的温差引起的，热量总是自动地从温度较高的物体传递给温度较低的物体。而实现这种传递有3种方式：热传导、热对流和热辐射。

（1）热传导是指物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能量传递。

（2）热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。热对流仅发生在流体中，而且由于流体中的分子同时在进行着不规则的热运动，因此热对流必然伴随有热传导现象。

（3）热辐射是指物体通过电磁波来传递能量的方式。物体会因为各种原因发出辐射能，其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。

本文就是基于以上方法和原理进行研究的。当阀门出现内漏时，管道内部就会出现高于环境温度的蒸汽介质。根据能量守恒定律得知：无论是流体与管道内壁的热对流、内壁与外壁之间的热传导，还是外壁与周围环境介质的热对流和热辐射，其中所传递的总热量Q是守恒的[3-4]。

1.1 保温层外壁与空气的自然对流

自然对流传热区分为大空间自然对流与有限空间自然对流，又称为外部自然对流与内部自然对流。所谓大空间自然对流是指，热边界层的发展不受到干扰或阻碍的自然对流，而不拘泥于几何上的很大或无限大。而在有限空间自然对流中，或者边界层的发展受到干扰，或者流体的流动受到限制，使其换热规律有别于大空间的情形。保温层外壁与空气之间的换热属于外部自然对流。

管道保温层外壁与环境中空气的自然对流换热量Q如下：

Q=α1（t2-t3）（1）

公式（1）中：α1为空气与保温层外壁的给热系数；t2为保温层外壁的温度；t3为环境中空气的温度。

α1=λ1Nu1/l（2）

公式（2）中：Nu1为努赛尔数；l为设备定型尺寸。

外部环境中的空气与管道保温层外壁之间属于自然对流换热，故：

Nu1=C（GrPr）n（3）

对于蒸汽管路，式（3）中的C为系数（一般取0.1～0.13）；n为系数（一般取1/3）；Gr为格拉晓夫数；Pr为普朗特数。

Gr= （4）

Pr= （5）

式中：ρ为空气的密度；Β为膨胀系数；G为当地重力加速度。△t为t2-t3；Cp1为流体定压比热容；μ1为流体动力黏度；λ1为空气导热系数。

1.2 管壁与保温层间的热传导

管道（保温层）内部的热量通过管壁（保温层）传递到其外部温度较低的部分属于导热现象，通过大量实际导热问题的经验提炼，导热现象的规律已经总结为傅里叶（Fourier）定律。

保温层与管壁之间热量的传递均为热传导，根据傅里叶定律，圆筒壁所传递的热量如下：

Q= （6）

公式（6）中：t1为管道内壁的温度；t2为保温层外壁温度；d0为管道内径；d1为管道外径（保温层内径）；d2为保温层外径；l为管道长度；λ2为管壁的导热系数；λ3为保温层的导热系数；Rs1、Rs2为管道内壁与外壁的污垢热阻。

1.3 管道内蒸汽介质强制对流换热[5]

内部流动与外部流动的区别主要在于流动边界层与流道壁面之间的相对关系不同：在外部流动中，换热壁面上的流体边界层可以自由地发展，不会受到流道壁面的阻碍或限制。因此，在外部流动中往往存在着一个边界层外的区域，在那里无论速度梯度还是温度梯度都可以忽略。而在内部流动中，换热壁面上边界层的发展受到流道壁面的限制，因此其换热规律就与外部流动有明显的区别。

由于管道内部之间为蒸汽介质，其传热方式应为内部强制对流换热，则：

Q=α2（t0-t1）（7）

α2=λ4 Nu/l（8）

式中：α2为蒸汽与管道内壁的给热系数；λ4为蒸汽的导热系数。

蒸汽介质与管道内壁之间属于强制对流换热，且蒸汽介质的温度实际上会有所下降，故：

Nu2=0.023Re0.8Pr0.3（9）

Re= （10）

Pr= （11）

式中：Nu2为努赛尔数；u为蒸汽的泄漏速度；ρ2为蒸汽的密度；μ2为蒸汽的动力黏度；Cp2为蒸汽的定压比热容。

联立以上各式，便能求得蒸汽在管道内的流动速度，即阀门的内漏速度u。

2 检测元件的选取与布置安装

2.1 检测元件的选取

要准确地掌握阀门的内漏点和泄漏速率，最好的方法就是使用较为精确的温度测量仪表和测温方式。温度测量仪表按测温方式划分主要有接触式和非接触式两大类。接触式仪表的测量原理比较简单且测量可靠、精度高。但因测温元件与被测介质间需要进行充分的热交换，所以存在测温延迟的现象。同时，受测量仪表材料的使用温度限制，而不能在很高温度的介质中实现测量。非接触式仪表的测温原理主要是热辐射，因此它不需要与被测介质直接接触且测温范围广，不受测温上限的限制，反应速度较快。但物体的发射率、测量距离和水汽等因素会影响其测量结果[6]。考虑到蒸汽介质的性质，决定采用接触式测温元件[7]。

2.2 检测元件的安装

测温元件应起到数据采集的作用。根据蒸汽的工作压力、温度和其他特性，合理地选择测温元件是保证测量结果准确的前提。

（1）测温元件的安装应便于仪表维修工作人员的维护、校验和拆装。

（2）在加装保护外套时，为减少测温时的滞后，可在2个套管之间加装传热良好的填充物。

（3）凡是安装承压的测温元件，必须保证密封。当压力过高时，应加装保温套。

（4）由于蒸汽属于高温介质，在安装测温元件时，應尽可能地保持垂直，以防测温元件保护管在高温下产生变形。

（5）若蒸汽介质中含有杂质，为使测温元件免受磨损，应加装保护套，以保证测量结果的准确性。

（6）测温元件安装在负压管道或设备时，必须保证安装孔与测温元件的密封，以免冷空气被吸入时，降低该测温点的指示值。

（7）在蒸汽流速较大的管道中安装测温元件时，测温元件必须倾斜安装，以免受到过大冲蚀。

（8）避免热辐射。由于本文所述的蒸汽阀门内漏速度的计算是基于热辐射被忽略的基础上的，因此应在测温元件与器壁之间加装防辐射罩[8]。

3 结论

本文对蒸汽阀门的内漏速度进行了分析和计算，得到结论如下。

（1）充分将传热学和热力学理论与实际工程相结合，通过能量守恒定律、热传导和热对流等相关知识，定量地计算了阀门的内漏速度。

（2）通过合理地选取和布置测量元件，能够较为精准地确定发生内漏的阀门，节约了时间，同时为维修人员提供了方便，而且在一定程度上保证了工厂的经济效益。

（3）本文所述的计算方法是基于传热学与热力学的理论基础，在介质与环境之间温差较大的情况下使用，可以较为精确地计算阀门的泄漏速度。

参 考 文 献

[1]吴丁飞，薛明华，全文涛，等.电厂阀门内漏在线监测研究[J].能源研究与信息，2014（1）.

[2]张颖，戴光，赵俊茹，等.阻塞流下阀门内漏率的声学检测与计算[J].化工机械，2006，33（5）：296-299.

[3]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]王文龙，王宇飞，范利武，等.双绝热圆柱对水平三角腔内自然对流影响的数值研究[J].能源工程，2013（6）.

[5]王玉刚，匡环，黄其.强制对流换热实验测试系统的研制[J].中国计量学院学报，2012（2）.

[6]尹文杰，徐晓艳.热释电红外测温仪研究发展[J]. 甘肃科技，2016（4）.

[7]张卓玉.工业自动化仪表测温元件安装技术解析[J].科技创新导报，2014（32）.

[8]王伟行.化工生产中温度测量元件的选择与安装[J].天津化工，2007（3）.

[责任编辑：陈泽琦]

【作者简介】雷亚军，男，陕西西安人，中石油云南石化有限公司工程师，从事设备管理工作。