承压阀门内漏声学检测方法

戴光,王新颖,张颖,丛蕊

(大庆石油学院机械科学与工程学院,黑龙江大庆 163318 )

 摘要: 分析了承压阀门内漏过程中流体流动状态,以及声源产生机理,建立了阀门泄漏产生的声源信号幅度与内漏率的一般关系.利用研制的实验台对阀门内漏进行检测实验,并探讨了泄漏时阀门开度、两侧压差等状态变化时的声

学特性.研究结果表明,阀门湍流流场产生的声源主要为四极子声源,其声能随着压差和流速的增大而增强.因此,可以利用声学方法检测承压阀门是否存在泄漏和估计泄漏率.

关键词: 声学检测;阀门;内漏;湍流;四极子声

0 引言

阀门作为一种通用的机械产品,其安全性一直是人们关注的焦点.石油、石化是阀门使用率非常高的行业,据统计,购买阀门的费用相当于一个新建工厂投资的8 %.在用承压阀门中有相当数量的阀门因磨损、腐蚀或其他多种原因往往会出现内外渗漏或泄漏,一般情况内漏很难发现,内漏若不及时发现和处理会导致严重的事故(如输送流体大量流失、串线、起火甚至爆炸,污染环境等),因此迫切需要一种实用高效的阀门内漏检测技术.声学检测具有在线、动态及快速、经济的特点,既可保证阀门的安全使用,又可为维修决策提供依据,降低更换费用[ 1 , 2] .因此,声学方法是检测承压阀门内漏的有效方法.

国外从20世纪60年代起就开展了阀门泄漏检测技术的研究,目前部分研究成果已经得到了广泛应用.笔者通过对阀门内漏过程的理论分析和实验研究,确定了阀门内漏率与声学参量的一般关系式,进而可判断阀门是否有内漏,并确定内漏量.

 1 阀门内漏产生声源的数学模型

假设内漏模型为充分的泄漏喷射,并分成3个区域:混合区、过渡区和充分发展区,见图1 .据文献[ 3]报道:混合区的延伸距离大约是阀门直径D的4 .0～4 .5倍,过渡区距离大致扩展到D的10倍.沿泄漏表面,漏口附近声压较低,在3至4倍直径的距离内迅速增加到极大值,以后又慢慢降低,泄漏声音大部分来自混合区和过渡区的湍流运动,高频噪声主要产生在喷口附近,低频噪声产生在下游,频谱峰在混合区的尖端附近.

图1 阀门内漏分析模型

 在喷口稍远的地方为过渡区.在过渡区中处处充满湍流,平均速度随喷射距离的增加而渐减,射流宽度逐渐扩展.在喷口更远的地方,流体成为完全湍流运动,这就是充分扩展区.在这个区域里流速逐渐降低以至完全消失,湍流强度变小,产生的声信号为低频性.

 阀门内漏时声源产生的基础是流体内湍流产生的波动压力场,流体内漏所激发的应力波为连续信号且具有较宽的频率范围.湍流是流体流动不稳定的一种情况,在其内部惯性的影响远大于黏性阻力的影响而处于支配地位.临界流速vc是该流动条件下层流与紊流的转变流速,它与流体的黏度μ成正比,与流体的密度ρ和管径d成反比,即雷诺数Rec由下式表示:

已经发现当雷诺数在103到104之间时湍流开始发生,临界雷诺数稳定在2 .0×103左右,其中公认希勒(SchilIer)的实验值Rec =2 .3×103,这种情况可用于估计是否一个给定的泄漏能发生有效的声源.

设质量密度为ρ(x , t),速度场为v(x , t).假设场中无质量生成(因此, Q = 0),质量守恒方程为

微分形式的守恒方程为

利用式(2),(3)消去含ρv i项,可推导出如下的非齐次波动方程

解方程(4)得

忽略黏滞应力和热应力的影响,则声功率p为

在没有固体的自由喷流中,马赫数小,声源也小时,声发射的总功率与特征速度的8次方成正比(所谓四极子声源的特性).可是在固体边界效应大的情况下,声源的尺寸比波长小时,发射声的总功率与特征速度的6次方成正比.考虑到一般情况,发射声的总功率可表示成与速度的n次方(n >1)成比例.即在一定的范围内,发射声的总功率随特征速度的增大而增大.只有四极子声源的情况下湍流噪声功率符合8次方定律[ 4] :

式中:K V为常数,大约是(0 .3 -1 .8)×10-4 ;U为液流平均流速;ρ为泄漏口处流体密度;C0为声在水中的传播速度;A为阀泄漏口的当量面积.由Q =AU代入式(7)得

根据伯努利方程:

式中:p , v分别为静压力和流速;下标1 , 2分别表示阀门入口侧和出口侧;ξ为损失系数.当v 1 v 2 ,可取v 1≈0 , v 2 =U ,于是有

将式(10)代入式(8),得

由于泄漏信号为连续信号,假定声功率p与声振幅V关系为P∝V 2 ,对式(11)两边取对数,得

即

由式(13)可知,幅度V与泄漏量Q取完对数后,呈线性关系.