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      承壓閥門內漏聲學檢測方法

      2010年03月05日 14:50:53人氣:2902來源:上海超眾液壓氣動成套設備有限公司

        分析了承壓閥門內漏過程中流體流動狀態(tài),以及聲源產生機理,建立了閥門泄漏產生的聲源信號幅度與內漏率的一般關系. 利用研制的實驗臺對閥門內漏進行檢測實驗,并探討了泄漏時閥門開度、兩側壓差等狀態(tài)變化時的聲學特性. 研究結果表明,閥門湍流流場產生的聲源主要為四極子聲源,其聲能隨著壓差和流速的增大而增強. 因此,可以利用聲學方法檢測承壓閥門是否存在泄漏和估計泄漏率。

      0、引言

        閥門作為一種通用的機械產品,其安全性一直是人們關注的焦點. 石油、石化是閥門使用率非常高的行業(yè),據(jù)統(tǒng)計,購買閥門的費用相當于一個新建工廠投資的8 %. 在用承壓閥門中有相當數(shù)量的閥門因磨損、腐蝕或其他多種原因往往會出現(xiàn)內外滲漏或泄漏,一般情況內漏很難發(fā)現(xiàn),內漏若不及時發(fā)現(xiàn)和處理會導致嚴重的事故(如輸送流體大量流失、串線、起火甚至爆炸,污染環(huán)境等) ,因此迫切需要一種實用的閥門內漏檢測技術. 聲學檢測具有在線、動態(tài)及快速、經濟的特點,既可保證閥門的安全使用,又可為維修決策提供依據(jù),降低更換費用 . 因此,聲學方法是檢測承壓閥門內漏的有效方法.

        國外從20 世紀60 年代起就開展了閥門泄漏檢測技術的研究,目前部分研究成果已經得到了廣泛應用. 筆者通過對閥門內漏過程的理論分析和實驗研究,確定了閥門內漏率與聲學參量的一般關系式,進而可判斷閥門是否有內漏,并確定內漏量.

      1、閥門內漏產生聲源的數(shù)學模型

        假設內漏模型為充分的泄漏噴射,并分成3 個區(qū)域:混合區(qū)、過渡區(qū)和充分發(fā)展區(qū),見圖1. 據(jù)真空技術網另文介紹:混合區(qū)的延伸距離大約是閥門直徑D 的4.0~4.5 倍,過渡區(qū)距離大致擴展到D 的10 倍. 沿泄漏表面,漏口附近聲壓較低,在3 至4 倍直徑的距離內迅速增加到極大值,以后又慢慢降低,泄漏聲音大部分來自混合區(qū)和過渡區(qū)的湍流運動, 高頻噪聲主要產生在噴口附近,低頻噪聲產生在下游,頻譜峰在混合區(qū)的附近.

      閥門內漏分析模型

      圖1  閥門內漏分析模型

        在噴口稍遠的地方為過渡區(qū). 在過渡區(qū)中處處充滿湍流,平均速度隨噴射距離的增加而漸減,射流寬度逐漸擴展. 在噴口更遠的地方, 流體成為*湍流運動, 這就是充分擴展區(qū). 在這個區(qū)域里流速逐漸降低以至*消失,湍流強度變小,產生的聲信號為低頻性.

        閥門內漏時聲源產生的基礎是流體內湍流產生的波動壓力場,流體內漏所激發(fā)的應力波為連續(xù)信號且具有較寬的頻率范圍. 湍流是流體流動不穩(wěn)定的一種情況,在其內部慣性的影響遠大于黏性阻力的影響而處于支配地位. 臨界流速vc 是該流動條件下層流與紊流的轉變流速,它與流體的黏度μ成正比,與流體的密度ρ和管徑d 成反比,即雷諾數(shù)Rec 由下式表示:

        已經發(fā)現(xiàn)當雷諾數(shù)在103 到104 之間時湍流開始發(fā)生,臨界雷諾數(shù)穩(wěn)定在2.0 ×103 左右,其中*希勒(Schil Ier) 的實驗值Rec = 2.3 ×103 ,這種情況可用于估計是否一個給定的泄漏能發(fā)生有效的聲源.設質量密度為ρ( x , t) ,速度場為v ( x , t) . 假設場中無質量生成(因此, Q = 0) ,質量守恒方程為

        微分形式的守恒方程為

        利用式(2) , (3) 消去含ρvi 項,可推導出如下的非齊次波動方程

        解方程(4) 得

        忽略黏滯應力和熱應力的影響,則聲功率p 為

        在沒有固體的自由噴流中,馬赫數(shù)小,聲源也小時,聲發(fā)射的總功率與特征速度的8 次方成正比(所謂四極子聲源的特性) . 可是在固體邊界效應大的情況下,聲源的尺寸比波長小時,發(fā)射聲的總功率與特征速度的6 次方成正比. 考慮到一般情況,發(fā)射聲的總功率可表示成與速度的n 次方( n > 1) 成比例. 即在一定的范圍內,發(fā)射聲的總功率隨特征速度的增大而增大. 只有四極子聲源的情況下湍流噪聲功率符合8次方定律

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