炼化装置阀门内漏声学传感布置方法试验研究*

王 琼

(中石化安全工程研究院有限公司，山东青岛 266104)

0 前言

随着炼化装置生产工艺及物料种类的不断多元化，阀门的运行工况日益复杂、恶劣，泄漏现象时有发生。在役阀门内漏一般较难发现，但却对生产装置的平稳、安全运行产生重大影响[1-3]。声发射检测技术可以对在役阀门内漏进行快速检测，不影响正常生产。不同的采集点对声学信号影响较大，对于阀门内漏声学检测，由于阀门尺寸、结构等不同导致声强最高点存在位置移动，不同工况的阀门内漏最佳采集位置也不相同，因而在阀门不同的采集点，传感器接收到的声发射信号的强弱也不同[4，5]。因此，传感器的合理布置对阀门内漏声发射信号的采集有十分重要的意义。针对以上问题，本文进行声场结构分析及试验研究以得到阀门内漏最佳指导检测点。

1 阀门内漏声场分析

对炼化装置常见阀门进行了内漏声场分析。截止阀存在一个截流点，在阀门内漏截流口处，存在内漏喷流声场声压最大值点；闸阀、球阀分别有两个截流点，存在2个声压强点。对于闸阀、截止阀，两个截流点处分别出现声压变化，第二次截流点处声压大于第一次截流点处。

阀门内漏时阀体内声场发生变化，在内漏过程中产生的喷流信号会使阀门内部声压强度产生变化。截止阀内漏时，阀内存在唯一截流点，喷流噪声的主要区域在截流点附近下游区域；而对于闸阀、球阀内漏的喷流噪声区域，存在2个截流点，在2个截流点的扩压腔内会产生流体与阀壁振动，使声压强度增强，所以除了2个截流点，在闸阀、球阀2个截流点间的扩压腔内也会存在声压增强高点，且随着阀门尺寸及结构最强声压点位置在扩压腔内发生位移。由以上分析可得，截止阀仅存在唯一截流点，截流点附近声压增强区域；存在2个截流点的阀门(闸阀、球阀)，最高声压点在2个截流点或者扩压腔内[6]。

2 阀门内漏声学传感布置方法试验方案与结果

2.1 试验方案

截止阀存在一个截流点，选择截流点处布置第一个传感器，考虑到现场应用传感器布设的一致性和可操作性，下游法兰处布置3个传感器作为信号比较。考虑闸阀、球阀形态及传感器平面特点，第二个截流点处不具备现场安装使用条件，考虑使用两截流点中间区域进行测试。由于阀门尺寸结构不同扩压腔声强最高点位置不同，为保证实验的一致性，选择扩压腔中间点作为测试点，根据炼化装置阀门结构及工业适用性，选择下游法兰处3个点作为传感器布置点(法兰位置主要采集第二个截流点处声场信号)，见图1。

图1 传感器布置位置

基于炼油化工装置阀门工况，建立实验室模拟实验，采用DN80、DN100、DN150截止阀、闸阀、球阀，阀门前后压差0.1，0.5，1.0 MPa条件下，采用改变阀门开度使泄漏量发生变化来模拟不同阀门内漏率工况进行声发射检测实验研究。

在预定的进口压力及阀门开度下，采集位置不同的4个传感器声发射信号的幅值、ASL(平均信号电平值)、RMS(有效值电压)、能量、峰值频率。根据分析结果，选择对于阀门内漏响应程度最好的ASL参量进行4个传感器布置位置的声发射信号响应效果对比分析。

2.2 内漏率拟合法评价传感效果

采集不同工况下的内漏声学样本，分别绘制4个传感器位置在压力、内漏率变化时的ASL与泄漏流量Q的关系曲线，对曲线数据进行拟合(如图2所示为DN80球阀 传感器1#ASL-内漏流量Q拟合曲线)，比较4个传感器位置拟合结果，以选取更适合表达内漏特征特性的位置。拟合结果的比较主要基于和方差进行，数值越接近0，说明拟合结果越好，预测结果越好。在拟合过程中，拟合参数和方差不可超过8.0则可以用于函数模拟。

图2 DN80球阀 传感器1# ASL-内漏流量Q拟合曲线

如图2可见，球阀、闸阀在把传感器布于腔体同一位置时(1#传感器位置)，声信号表征性能飘忽较大，与声场分析结论吻合(受腔体内流量变化的影响，最强声强点会发变化，所以当传感器布置在同一位置信号强度变化较大)。由表1数据可见，位于传感器1#的闸阀、球阀拟合曲线和方差值远大于2#、3#、4#传感器位置；相对于1#传感器位置，法兰位置的3个传感器信号比较平稳，而对于球阀、闸阀，由于3#、4#位置距离第二个截流点位置较远，衰减较大，2#位置的信号能量高于3#、4#位置，选择2#位置信号表征优于3#、4#位置。截止阀在4个传感器的位置，和方差值均接近于0，4个传感位置均有很好地表征效果，而2#、3#、4#位置距离截流点位置较远，衰减较大，1#位置的信号能量高于2#、3#、4#位置，所以选择1#位置(截流点处)为最优选择。

表1 4个传感位置ASL-Q拟合曲线和方差

2.3 闸阀内漏声学传感布置方法试验结果

图3所示为3种尺寸闸阀，在3种不同压力下的经噪声滤波处理后的声发射ASL参量随泄漏率(即阀门开度)变化而变化的柱状经历图。

图3 实验室模拟中各尺寸闸阀ASL与泄漏率关系

从图3可看出如下变化趋势：

a) 阀门底部的1#传感器声发射ASL值均大于出口法兰位置2#传感器所采集的声发射ASL值，且差值随着工况改变波动，说明扩压腔内的声压最强点会随阀门工况变化发生位移。

b) 阀门公称直径小于100 mm时，两个传感器布置位置的ASL数值差别在2 dB左右，误差小于5%，当公称直径大于100 mm后，两者差值有增大趋势，由图3可见，在噪声滤波处理后，两个位置采集到的数据在5 L/min均能识别到ASL参数，可识别出泄漏信号。

2.4 球阀内漏声学传感布置方法试验结果

如图4所示，两个尺寸球阀在3种不同压力下的声发射ASL参量随泄漏率变化而变化的柱状经历图，从图中可以看出如下变化趋势：

a) 阀门底部的1#传感器声发射ASL值均大于出口法兰位置2#传感器所采集的声发射ASL值，且差值随着工况改变存在波动。

图4 不同尺寸不同压力球阀ASL与泄漏率关系

b) 两个传感器布置位置所采集的声发射ASL值差别较小，这种趋势不随压力变化而变化，但是随管径的变化而变化，与声场分析吻合，在噪声滤波处理后，两个位置采集到的数据在5 L/min均能识别到ASL参数，可识别出泄漏信号。

3 结论

阀门内漏声场分析得出扩压腔最大声强信号位置随着不同尺寸结构阀门变化而变化，考虑到实际现场检测时对于不同阀门选择两截流点位置会出现差异，导致因操作检测结果差异性较大，选择信号平稳且易操作的第二个截流点后的下游法兰处作为闸阀、球阀传感器安装位置可以减小因操作产生的检测结果不一致性。由图3、图4所示，法兰处传感器可以较好获得声发射信号响应，可作为闸阀、球阀的传感器最佳布置点。截止阀仅有一个截流点，为声强信号最强位置，截流点附近为传感器最佳布置点。