介紹了常見的進(jìn)口安全閥故障診斷技術(shù)，介紹了聲發(fā)射泄漏檢測(cè)、閥位動(dòng)作檢測(cè)、超聲泄漏檢測(cè)、溫度泄漏檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析故障檢測(cè)等多種檢測(cè)方法。通過介紹安全閥故障檢測(cè)技術(shù)對(duì)未來該領(lǐng)域的發(fā)展方向進(jìn)行了預(yù)判。

1. 概要

進(jìn)口安全閥作為壓力容器、管道防護(hù)的最后一道防線在實(shí)際生產(chǎn)過程中具有非常重要的意義。安全閥是否能夠穩(wěn)定、可靠運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要。隨著故障診斷計(jì)算的快速發(fā)展，在流程工業(yè)中動(dòng)設(shè)備的故障診斷技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其中以轉(zhuǎn)動(dòng)類設(shè)備“泵”的故障診斷最為常見。轉(zhuǎn)動(dòng)類設(shè)備通常通過檢測(cè)設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)再進(jìn)行頻域分析后完成對(duì)設(shè)備特征故障的識(shí)別，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)在化工、核電等系統(tǒng)中的回轉(zhuǎn)設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。在靜設(shè)備方面，故障診斷技術(shù)同樣有較為廣泛的應(yīng)用，其中檢測(cè)內(nèi)容主要包括：變形、應(yīng)力、裂紋等。回轉(zhuǎn)類動(dòng)設(shè)備以及大型容器類靜設(shè)備故障監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展主要因?yàn)閯?dòng)設(shè)備一般對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響最為直接出現(xiàn)故障的概率也最高，而大型容器、管道等靜設(shè)備的凈值相比其他設(shè)備更高對(duì)安全的影響也更大。相比之下作為安全附件的安全閥在壽期內(nèi)的動(dòng)作相對(duì)較少，可供監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)也相對(duì)較少，所以故障檢測(cè)技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后。但安全閥作為特種設(shè)備，其特殊性又與其它閥類設(shè)備存在較大不同，其故障失效所導(dǎo)致的事故風(fēng)險(xiǎn)也更大。所以近年來行業(yè)內(nèi)也逐漸發(fā)展出了專門針對(duì)安全閥的故障診斷方法。

2. 進(jìn)口安全閥故障檢測(cè)技術(shù)

進(jìn)口安全閥的失效故障主要包括：泄漏、無法正常開啟、無法正常回座、無法達(dá)到設(shè)定開高等。而想要實(shí)現(xiàn)上述故障的檢測(cè)也陸續(xù)發(fā)展出了多種檢測(cè)方法。

2.1 基于聲發(fā)射原理檢測(cè)泄漏

基于聲發(fā)射的泄漏檢測(cè)方法在泄漏檢測(cè)特別是閥門的泄漏檢測(cè)過程中已經(jīng)有較為廣泛的應(yīng)用[1]。其基本原理是通過檢測(cè)泄漏過程泄漏介質(zhì)快速漏過泄漏通道所產(chǎn)生的應(yīng)力波從而實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏的檢測(cè)[2]。最早使用該技術(shù)進(jìn)行泄漏檢測(cè)是美國(guó)聲學(xué)公司，其在30年前即已經(jīng)開始相關(guān)設(shè)備的商業(yè)化應(yīng)用。國(guó)內(nèi)也很多檢測(cè)單位購買了相關(guān)的檢測(cè)設(shè)備。但該檢測(cè)方法的早期實(shí)際應(yīng)用主要用于完成定性分析檢測(cè)，對(duì)于定量檢測(cè)的難度較大，其主要原因在于不同類型的閥門、介質(zhì)壓力、介質(zhì)類型在相同泄漏量的情況下可能激發(fā)出完全不同的應(yīng)力波信號(hào)，所以想通過此信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏的定量檢測(cè)較為困難[3]。安全閥廠家也專門推出了采用聲發(fā)射檢測(cè)的安全閥檢測(cè)裝置，如圖1所示。

雖然該技術(shù)在檢測(cè)硬件方面近年并未有飛躍式發(fā)展，但隨著大數(shù)據(jù)及算法技術(shù)的發(fā)展，通過數(shù)據(jù)算法結(jié)合檢測(cè)數(shù)據(jù)修正，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)相關(guān)泄漏檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)具備在安全閥中進(jìn)行應(yīng)用的條件。馬浩東等就利用聲發(fā)射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)安全閥泄漏的檢測(cè)[4]。龍飛飛等通過算法優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了聲發(fā)射泄漏檢測(cè)精度的大幅度提升并通過了試驗(yàn)驗(yàn)證[5]。

2.2 基于聲驅(qū)動(dòng)型超聲信號(hào)泄漏檢測(cè)裝置

聲發(fā)射技術(shù)所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)主要通過金屬構(gòu)件進(jìn)行傳播，信號(hào)的特征、大小與閥門結(jié)構(gòu)、介質(zhì)壓力關(guān)系較大，通過信號(hào)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏量的準(zhǔn)確定量檢測(cè)雖然通過算法可得到大幅度提升，但仍存在較大困難。針對(duì)該問題，Cao等設(shè)計(jì)了一種能夠主動(dòng)激發(fā)超聲信號(hào)的裝置，介質(zhì)泄漏過程中介質(zhì)通過“吹哨”原理激發(fā)能夠在空氣中傳播的超聲信號(hào)，通過對(duì)超聲信號(hào)的收集就能夠?qū)π孤┻M(jìn)行判斷[6]。與聲發(fā)射檢測(cè)方法不同，基于聲驅(qū)動(dòng)型超聲信號(hào)檢測(cè)方法中發(fā)聲裝置為外設(shè)定制結(jié)構(gòu)，所以聲學(xué)信號(hào)可以進(jìn)行人為控制，信號(hào)的強(qiáng)度與介質(zhì)泄漏大小之間直接關(guān)聯(lián)，而不受閥門大小、閥門材料的影響。該檢測(cè)方法現(xiàn)階段雖然仍處于原理階段，但未來可能成為安全閥高效定量泄漏檢測(cè)的方法之一。

2.3 基于溫度變化閥門泄漏檢測(cè)

對(duì)于大部分流程工況，特別是帶壓工況而言，介質(zhì)溫度一般與環(huán)境溫度之間會(huì)存在一定的差別。所以在安全閥正常關(guān)閉狀態(tài)時(shí)安全閥的入口和出口會(huì)存在明顯的溫度差。如果安全閥出現(xiàn)泄漏則正常工況條件下溫度差將被打破，通過對(duì)不同使用階段溫度差的對(duì)比就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)安全閥是否泄漏進(jìn)行識(shí)別[7]。該溫度差的檢測(cè)可以通過在入口、出口布置熱電偶完成，也可以通過熱紅外傳感裝置進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別。而對(duì)于允許在安全閥出口管線內(nèi)部安裝溫度傳感器或安全閥出口直接排空的情況，可以直接對(duì)介質(zhì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏的識(shí)別。此檢測(cè)方法檢測(cè)設(shè)備成本、安裝成本均較低，能夠?qū)^為明顯的泄漏進(jìn)行識(shí)別，但缺點(diǎn)在于無法對(duì)泄漏進(jìn)行定量判斷。

2.4 基于閥位變化的閥門動(dòng)作檢測(cè)

對(duì)于安全閥而言可測(cè)開高的動(dòng)作才視為動(dòng)作過程，所以通過測(cè)量安全閥閥桿的動(dòng)作過程（先導(dǎo)式安全閥主閥活塞的動(dòng)作）就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)安全閥動(dòng)作過程的檢測(cè)，同樣也能夠?qū)Π踩y可能出現(xiàn)的誤動(dòng)作事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)[8]。能夠測(cè)量位置的檢測(cè)方法很多，包括接觸式、非接觸等。非接觸式又包括光感應(yīng)、磁感應(yīng)等多種原理。而對(duì)于安全閥而言，除蒸汽安全閥外大部分安全閥為封閉式結(jié)構(gòu)，所以采用接觸式或光感型位移傳感器無法在大部分情況下得到應(yīng)用。市面中現(xiàn)在較為常見的安全閥位移傳感裝置為磁感式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中感應(yīng)磁鐵可以固定在閥桿頂端，而傳感器可以固定在閥帽的外側(cè)，這樣的結(jié)構(gòu)不但不會(huì)影響安全閥整體的封閉性，也不會(huì)對(duì)安全閥的動(dòng)作過程產(chǎn)生影響，安全閥廠家推出了采用類似原理的安全閥動(dòng)作監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，如圖2所示。但位移檢測(cè)型的故障識(shí)別裝置只能夠?qū)Π踩y的動(dòng)作過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏、回座壓力等參數(shù)的監(jiān)控。

2.5 系統(tǒng)壓力、流量間接檢測(cè)

除上述的外加檢測(cè)方法外，在部分的工業(yè)系統(tǒng)中對(duì)管線中的介質(zhì)溫度和介質(zhì)壓力均有詳細(xì)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，通過對(duì)安全閥出口管線壓力或流量的檢測(cè)能夠基本實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門是否開啟進(jìn)行判斷，此為現(xiàn)階段最為常見的安全閥狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。但通過上述數(shù)據(jù)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏的檢測(cè)，理論上通過系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析也能夠?qū)π孤┑葐栴}進(jìn)行判斷，但間接判斷的成本及準(zhǔn)備性仍較難保證。

2.6 基于檢維修數(shù)據(jù)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，安全閥除在線診斷、檢測(cè)技術(shù)外，很多故障也可以通過對(duì)歷史運(yùn)維、校驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行判斷。在以往的認(rèn)識(shí)中對(duì)安全閥校驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集主要用于安全閥延期校驗(yàn)RBI，但實(shí)際上全面的安全閥校驗(yàn)數(shù)據(jù)收集還能夠?qū)芏喟踩y可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行識(shí)別。而很多潛在的故障是通過在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的。其中，針對(duì)校驗(yàn)、使用數(shù)據(jù)收集比較重要的故障預(yù)測(cè)就是對(duì)安全閥彈簧剛度變化數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)。通常情況下認(rèn)為：安全閥隨著使用時(shí)間的增加，其開啟、關(guān)閉失效的概率也會(huì)逐漸增加，其中安全閥的各部件中受使用時(shí)間影響最大的就是彈簧和密封面。安全閥的密封面在每個(gè)校驗(yàn)周期都會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的檢維修工作，相關(guān)故障也能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，但彈簧所產(chǎn)生的變化和出現(xiàn)的故障則較難發(fā)現(xiàn)。通過收集在校驗(yàn)周期前后安全閥整定壓力數(shù)值的變化就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)彈簧剛度變化數(shù)據(jù)的收集，而安全閥剛度數(shù)據(jù)需要保持在一個(gè)合理的區(qū)間范圍內(nèi)（具體數(shù)值由廠家給定）當(dāng)彈簧剛度小于預(yù)設(shè)數(shù)值的下限則可以判讀安全閥大概率會(huì)出現(xiàn)開啟后無法正常回座的問題，而該故障也應(yīng)及時(shí)給予處理。

3. 小結(jié)

本文對(duì)現(xiàn)有的安全閥故障診斷方法進(jìn)行了綜述介紹，通過聲發(fā)射、溫度變化、位移變化、流量變化、壓力變化的檢驗(yàn)參數(shù)的診斷識(shí)別，現(xiàn)階段已經(jīng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)安全閥泄漏狀態(tài)、動(dòng)作過程、預(yù)期故障等進(jìn)行診斷，但想要通過一種或兩種檢測(cè)方法實(shí)對(duì)所有故障進(jìn)行診斷和識(shí)別仍較為困難。另外，安全閥的故障診斷系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)安全閥，特別是國(guó)產(chǎn)安全閥中的應(yīng)用仍較為少見，國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)逐步開始布局相關(guān)產(chǎn)品，為未來市場(chǎng)發(fā)展做好準(zhǔn)備。