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用压力法测量阀门的泄漏率
赵中胜
中国核电运行管理有限公司运行四处, 浙江 海盐 314300     
摘要: 为解决阀门泄漏率在线测量不方便的问题,提出用压力法来测量阀门的泄漏率。压力法通过将需要测量的阀门隔离出来,然后对这个封闭系统施加一定的压力,接着用一段时间内封闭系统的压降来计算阀门的泄漏率。理论分析和实际运用表明,压力法可以在工艺系统不用增加额外的设备,阀门也不需要从系统中拆下来的情况下,精确地测量出阀门的泄漏率。
关键词: 阀门泄漏率     在线测量     压力法     经济性     隔离    
Measuring the valve leakage rate by applying pressure approach
ZHAO Zhongsheng
CNNC Nuclear Power Operations Management Co., Ltd. OPOD, Haiyan 314300, China
Abstract: In order to solve the inconvenience of the prevailing online valve leakage measurements, this paper came up with the method for measuring the leakage rate based on the pressure. The method first isolated the valve to be measured, and then added certain pressure to the isolated system. Therefore, the valve's leakage rate was calculated by measuring the pressure drop of the system. Theoretical and practically, this method can measure a valve's leakage rate precisely in the process system without any additional device, and it also does not need to take it out from the system for the measure.
Key words: valve leakage rate     online measurement     pressure approach     economical efficiency     isolate    

阀门在出厂前都已经做过了泄漏率试验,泄漏率必须小于国标对应的要求才能算是合格产品[1]。阀门安装到系统上以后,运行的介质、温度、压力等各不相同,温度、压力经常变化的系统中阀门的密封面容易发生形变[2],而运行介质如果杂质含量较多常常会附着在阀门的密封面上,这两种情况都可能导致阀门的密封面失效,阀门的泄漏率增加,另外如果阀门机械卡涩,也有可能导致阀门操作不到位,同样会导致阀门的泄漏率增加。阀门泄漏率的增加,不仅会导致工厂经济性的下降,如果运行介质是易爆或腐蚀物品,还有导致生产事故的可能性[3]。所以定期在线检查阀门的泄漏率,不仅是经济性的需要,更是安全生产的需要。

阀门出厂前进行泄漏率测试相对比较方便,一旦阀门装在系统上以后,再进行泄漏率的测量就非常不方便,目前在线检查阀门泄漏率的方法主要有声音识别法[4],利用阀门泄漏前后音频不一致的方法,可以发现阀门的泄漏,但是具体的泄漏率不能计算;还有用超声波流量计测量下游管道的流量,这种方法对于小的泄漏率效果不好[5];还有用红外成像测量热管道隔离阀下游温度梯度的方法[6],只能看出该隔离阀泄漏的大小,具体数值也无法计算[7]

考虑到生产线上都装有很多压力表,我们可以使用压力表来监测阀门的泄漏情况,通过多年的经验积累和方法的不断改进,测量的可靠性和精度不断提高,完全达到了核级阀门泄漏率测量的需要。

1 压力法测量的理论基础 1.1 阀门泄漏和阀门压差的关系

在流体力学中关于形阻压降的定义:当流体流径截面突然变化 (突然扩大或缩小) 的局部地区,或者流经弯管、接头、阀门、定位架、孔板等时,会发生由于涡流、碰撞、转向等而造成的集中的不可逆压力损失,称这种不可逆压力损失为形阻压降[8]。阀门泄漏主要是由于密封面故障导致的,比如密封面有缺陷或者密封面上有杂物而导致密封不严等。上述两种情况导致的液体流通通道都比较小且短,所以属于流体流径截面突然变小的工况[9],而这种情况下流体的流量就是我们要测的阀门泄漏率,而加在阀门前后的压差就是该流通截面的形阻压降[10]

式中:ζ称为形阻系数;ρ是液体密度;U是液体流速。

由于液体的密度基本不变,液体的流量和液体的流速成正比,液体的流量Q(也就是要计算的泄漏率) 可以用公式Q=ρAU[12]来计算,式中的A是流通截面的截面积,带入式 (1) 可得:

由式 (2) 可以看出压降和流量的平方成正比,而对于密封面有缺陷或者密封面上有杂物导致密封不严这两种情况,系统压力变化导致的流通截面积的变化不大,可以忽略,所以可以认为ζ、ρ、A是常数,用1/K2表示,则

即阀门的泄漏率和阀门压差的开放成正比。

对于同一个阀门,K参数大小基本不变,所以可以根据阀门设计的压差△Pf和国标要求的泄漏率验收准则Qf,以及试验工况下的阀门压差△Pt,利用式 (4) 计算出试验工况下的泄漏率验收准则Qt[13]

例如某个阀门设计的压力△Pf是16 MPa,设计的泄漏率Qf是16 ml/h,如果现在阀门的压差△Pt是8 MPa,则现在允许的泄漏率Qt是4 ml/h。

1.2 水的压缩特性

压缩系数指物体受到外界压力时体积的变化量,通常认为水不可压缩主要是由于水的压缩系数太小,即受到很大的压力水的体积变化也不大。常温下水的压缩系数是0.000 5/MPa,就是说压力变化1个大气压而水的体积只变化原来的0.000 5,例如一个100 m×100 m,水深2 m的游泳池,如果在游泳池上面增加1个大气压的压力 (当然这个游泳池是密闭刚性的),水的总体积只会减少1 m3,反过来说如果你往这个封闭的刚性池子里注入1 m3的水,则水的压力会增加1个大气压,这就是压力法试验原理。

式中:△P为系统压降;△V为封闭系统体积变化率;V为系统总的体积;e为液体的压缩系数。

2 用压力法测量单个阀门泄漏率 2.1 测量阀门V1的泄漏率

图 1是测量阀门V1的示意图,边界阀门V1V2T2构成一个封闭系统,压力表可以精确地表征这段封闭系统的压力变化。

图 1 单个阀门泄漏率测量方法

试验步骤:

1) 在T2接头处连接压力罐,关闭阀门V1V2,要以系统设计的方式关闭;

2) 利用T2的管线将V1V2之间的管线施加到试验的压力;

3) 关闭T2,监测一段时间后V1V2之间压力下降情况,记录数据;

4) 如果压力下降小于允许值,则阀门的泄漏率合格,反之则不合格;

5) 阀门泄漏率和管道允许压降的关系见2.2节。

2.2 利用阀门允许的泄漏率计算允许的压降

按照我们的试验方法,因为V1V2间的管线压力在变,所以阀门V1两侧的压差是变化的,那么V1阀门的泄漏量也是变化的,根据前面得到的形阻公式 (3) 和水的压缩公式 (5),可以列出下面的方程:

式中:L(t) 是阀门的泄漏率,是时间的函数,与当时阀门两侧的压差的开放成正比;K是一个常数,与形阻系数、液体的密度以及泄漏截面有关;P(t) 是阀门的压差,也是时间的函数,随着泄漏出去的水越来越多而不断降低;P0是阀门的初始压差,是个已知量;是阀门漏出去的液体总的体积,是阀门泄漏率的积分;V是阀门V1V2之间的试验管线内的液体容积,用管线内径和长度可以计算出来的;e是常温下水的压缩系数,大小是0.000 05,注意这个系数和试验温度有关。

对式 (6)、(7) 求解可得:

可以看出压力下降曲线是时间的二次函数,泄漏率曲线是时间的一次函数。

例如某个阀门试验压差1.9 MPa,试验压力下阀门允许的泄漏率是97 ml/h,系统总的体积是719 791 ml。根据初始压差和泄漏率公式 (3) 可以算出K等于0.372,再带入其他已知量得:

可以算出30 min后阀门的压降△P从1.9 MPa降到了1.767 MPa,如果V1V2间管线压力降低了0.133 MPa,这个时候阀门泄漏率刚好合格,就是说如果实际30 min后压力降得比0.133 MPa少,说明阀门的泄漏率是小于97 ml/h,泄漏率肯定是合格的。

需要说明的是如果知道阀门的压降,反过来求阀门的泄漏率也是可以的,可以利用式 (8)、(9) 将K参数求出来,再利用式 (3) 求出某个压差下的阀门泄漏率。

3 两个串联阀门同时泄漏的情况

图 2是两个串联阀门同时泄漏的示意图。

图 2 两个阀门同时泄漏测量方法

试验时高压侧处于15.4 MPa,低压侧2.4 MPa,阀门212和阀门001之间压力稳定在4.3 MPa,这个时候212阀门的压降是11.1 MPa,001阀门的压降是1.9 MPa,根据泄漏率公式 (3) 可以计算出L212=K212×10.536,L001=K001×4.359, 如果L212L001则说明212漏过来的要比001漏出去的多,则212和001之间的压力还会上升,反之则会下降。如果212和001之间的压力会稳定在2.4 ~15.4 MPa之间,在这个压力下两个阀门的泄漏率是相等的,即L212 =L001

假设测量阀门212和001泄漏率时它们之间的压力稳定在4.3 MPa,根据L212 =L001可得K001=2.4K212。试验过程中还测到212和001之间的压力从2.4 MPa涨到2.9 MPa需要10 min。根据上述条件可以列出下列方程:

式中:L212(t) 是阀212的泄漏率,K212为阀门泄漏常数;L001(t) 是阀001的泄漏率,K001为阀门泄漏常数;P(t) 是阀212和阀001之间的压力随时间的变量。

方程 (14) 积分里面带有根号,非常难以求解,将式 (12)、(13) 代入式 (14),然后两边求导,可以得出以下方程:

根据压力最后稳定在4.3 MPa,可以得出K001=2.4K212,根据管道长度和内径可以得出ev=6.42。

因为压力从2.4 MPa涨到2.9 MPa用了10 min,即600 s,将时间分成100个小段,每段6 s,这段时间6 s内认为系统的压力不变,则阀门的泄漏率不变,先假设一个K212的值,然后利用公式可以算出两个阀门各自的泄漏量,然后再算出V212V001这段管线总水量的变化,最后算出这段管线△P的变化量,然后把这个△P加上这次计算的初始压力作为下次计算的初始压力,再进行下一个6 s的运算,100次计算后可以得出系统总的压力变化量,如果算出来的△P和实测值相比偏高,说明K212值选得偏大,需要减小一点重试,反之则将K212值加大一点,直到计算值和实测值完全一致为止。

表 1是计算两个阀门同时泄漏的部分计算过程,其中时间段0是初始状态,时间段1是第1个6 s的计算结果,时间段2是第2个6 s的计算结果。

表 1 用EXCEL表格计算两个阀门的泄漏率
时间段 K212 K001 P 212
泄漏量
001
泄漏量
总的
泄漏量
P
0 0.425 1.02 24
1 0.425 1.02 24.075 11.40 0 11.4 0.07
2 0.425 1.02 24.147 11.39 0.27 10.12 0.07

利用EXCEL表格数次尝试后可以求得K212=0.425,K001=1.02,系统正好稳定在4.3 MPa,且系统压力从2.5 MPa涨到2.9 MPa用了10 min,然后可以用式求出这个工况下的泄漏率都是4.48 ml/h, 但是折算成标准工况15.4 MPa则额定工况下212的泄漏率是6.24 ml/h,001的泄漏率是12.75 ml/h。

4 压力法测量阀门泄漏率的注意事项

1) 测量过程要需要系统保持稳定,特别是温度变化对测量结果影响较大,因为温度变化导致液体的密度变化,而密度的变化导致系统体积的变化,最后必然导致系统的压力跟着变化,这样就严重影响检测到的压降结果。

2) 要保证其他边界阀门的严密性,否则也会导致额外的系统压降,导致阀门的测量结果偏大。

3) 压力法测量阀门泄漏率还需要提前算好系统的总容积,越准确越好。

4) 为了保证测量结果的准确性,使用的压力表精度越高越好,测量时间越长越好。

5 结束语

利用压力法可以比较精确地测量出阀门的泄漏率,判断阀门的泄漏率是否满足要求,对于2个阀门同时泄漏的情况,经过一定的培训也可以进行检测。考虑因为工艺系统本身就有许多压力表,所以也不需要进行太多的投资,而且可以进行在线检测,不需要系统停运,是一种非常经济、简单、可靠且实用的阀门泄漏检测方法。

参考文献
[1] 同济大学数学系. 高等数学[M]. 7版. 北京: 高等教育出版社, 2014: 294-354.
[2] 合肥通用机械研究所. GB/T12220-1989, 通用阀门标志[S]. 北京: 中国标准出版社, 1990.
[3] 王晓钧, 黄明亚, 林美, 等. GB/T13927-2008, 工业阀门压力试验[S]. 北京: 中国标准出版社, 2009.
[4] 张百麟. 阀门泄漏的原因分析及其设计选型的优化[J]. 石油化工环境保护, 2003, 26(2): 58-61
[5] 苗雨才. 国内外阀门压力试验标准的比较与分析[J]. 阀门, 2002(6): 28-33
[6] 董建华, 陈立云. 阀门泄漏量计算方法的探索及检测平台额定研制[J]. 扬州职业大学学报, 2014, 18(1): 40-42
[7] 袁镇福, 吴骅鸣, 浦兴国, 等. 基于传热原理的电厂阀门泄漏量计算方法[J]. 动力工程, 2004, 24(5): 725-728
[8] 廖庆斌, 王晓东, 胡必忠. 液体阀门泄漏检测装置的研制及试验研究[J]. 中国机械工程, 2011, 22(3): 295-299
[9] 高倩霞, 李录平, 饶洪德, 等. 阀门泄漏故障状态与声发射信号特征之间定量关系实验研究[J]. 热能动力工程, 2011, 26(5): 582-587
[10] 朱绍锋, 刘贵杰, 刘波. 管道阀门泄漏信号仿真分析[J]. 计算机仿真, 2011, 28(3): 393-398
[11] 贾波. 阀门泄漏量自动检测装置[J]. 阀门, 2006(10): 95-98
[12] 王同浩. 阀门泄漏检测在石化企业中的应用[J]. 仪器仪表用户, 2013, 20(2): 80-82
[13] ISO/TC153, 工业用阀泄漏的测量[S]. 2006.
[14] 梁智权. 流体力学[M]. 重庆: 重庆大学出版社, 2002: 112-139.

文章信息

赵中胜
ZHAO Zhongsheng
用压力法测量阀门的泄漏率
Measuring the valve leakage rate by applying pressure approach
应用科技, 2017, 44(2): 95-98
Applied Science and Technology, 2017, 44(2): 95-98
DOI: 10.11991/yykj.201703016

文章历史

收稿日期: 2017-03-31
网络出版日期: 2017-04-24

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