阀门泄漏率的声发射测定技术研究
高倩霞,李录平,饶洪德,杨晶,朱益军
(长沙理工大学能源与动力工程学院, 长沙410114)

摘要: 针对目前火力发电厂无法实现阀门的泄漏故障定量诊断的问题, 通过理论和试验相结合.的研究方法探讨了阀门泄漏率与泄漏声发射信号特征参数均方根值之间的定量关系, 获得了一种.新的基于声发射信号特征的阀门泄漏率计算方法, 并在阀门泄漏故障模拟试验台上, 使用以Lab-.VIEW 软件为开发平台所开发出的阀门泄漏故障声发射检测系统验证了该计算方法的准确性.

关键词: 阀门;泄漏;定量诊断;声发射信号;均方根值

阀门是电站中使用最广泛的辅助设备之一, 在电站事故和经济损失中, 有相当部分是由阀门工作故障引发的, 其中以阀门内漏故障居首.电站高温高压阀门泄漏不但会在短时间内损毁阀门, 威胁工作人员和设备运行安全, 而且阀门泄漏所造成的能量损失也是相当可观的, 大大降低了火力发电机组的效率.如果能对电站重要阀门进行在线状态监测和泄漏量定量测定, 获得阀门工作实时数据以诊断泄漏的程度和预测其发展趋势, 则一方面可在泄漏初期及时发现故障以维修或更换损坏阀门, 减少维修费用和改善操作性能;另一方面, 可有效地防止电厂事故扩大和避免人员伤亡, 以保证火电厂的安全经济运行[ 1].因此, 开展电站阀门在线状态监测和泄漏率定量测定研究具有重要意义和广泛的应用前景.

1 基于声发射信号的阀门泄漏率测定基本理论

1.1 阀门泄漏声发射机理

当阀门由于磨损、腐蚀、变形等原因导致密封面产生缝隙、发生泄漏时, 因泄漏孔前后存在极大压力差, 阀体内介质会从泄漏孔处高速喷射而出, 在泄漏孔处产生波动压力场, 形成多相湍射流.该多相湍射流产生三种声发射源信号:

(1) 阀体内流体压力无规律波动和流体对阀门可动或弹性部件冲击使这些部件以其自然频率振动, 产生机械振动发声;

(2) 阀门泄漏孔处, 流体流动断面突然缩小, 在阀门下游又发生扩张并产生汽蚀而发声;

(3) 紧邻收缩断面下游区域内流场的强烈湍流和混合, 产生空气动力发声, 它是阀门发声的主要声源, 其大小与流体的速度、流量、阀门进口压力、阀门大小、阀门类型、管路布置以及流体的物理性质有关.

1.2  阀门泄漏率与声发射信号特征间的定量关系
  文献指出, 阀门内部泄漏产生声发射一定是四极子和高阶声源释放弹性波的结果, 将莱特希尔方程应用于阀门内部泄漏故障, 得到基于流体参数的阀门泄漏声功率P_s 的计算公式] 为:

式中:C₀ 为比例常数;p1为阀门进口压力;d 为泄漏孔直径;α为声音在流体中传播的速度;ρ为阀门泄漏口处流体密度;D 为阀门公称直径.

由帕塞瓦尔定理可知:在任何一个域中计算所得信号能量值是相等的.因此, 泄漏声发射信号均方值E2RMS与阀门流体参数的关系为:

式中:β 为小于1 的比例系数(声发射传感器检测到的信号能量只是泄漏声发射信号能量的一部分, 而不是信号能量的全部).

同时, 在里昂氏阀门百科全书中定义了阀门内部液体泄漏时, 阀门理论体积泄漏率的计算公式 :

式中:Q 为阀门理论体积泄漏率;cf 为阀门阻尼孔系数;Δp 为流体通过阀门的压降;ρ为介质密度.整理式(3)得:

将式(4)代入式(2)得泄漏声发射信号均方值E²RMS 和阀门理论体积泄漏率Q 的关系:

式中:C1 为简化的流体变量函数(其忽略了声发射传感器、设备增益、参考电压、信号衰减和阀体材料等因素的影响).整理式(5)可得阀门泄漏率计算公式为:

在阀门结构与流体参数不变的情况下, 可通过试验测定阀门若干个泄漏工况的声发射信号RMS值[ERMS]1 、[ERMS]2 、[ERMS]3 ……以及这些试验泄漏工况对应的泄漏率Q1 、Q2 、Q3 … 利用上述工况的试验数据, 通过广义最小二乘法获得的阀门泄漏率与泄漏声发射信号RMS 值的回归方程为:

一般来说, 取方程的前三阶项即可满足检测精度要求.

对某一实际工况, 只要计算出声发射信号的均方根值ERMS , 即可由式(7)获得该工况的阀门体积泄漏率Q.