承壓閥門(mén)內漏聲學(xué)檢測方法
分析了承壓閥門(mén)內漏過(guò)程中流體流動(dòng)狀態(tài),以及聲源產(chǎn)生機理,建立了閥門(mén)泄漏產(chǎn)生的聲源信號幅度與內漏率的一般關(guān)系. 利用研制的實(shí)驗臺對閥門(mén)內漏進(jìn)行檢測實(shí)驗,并探討了泄漏時(shí)閥門(mén)開(kāi)度、兩側壓差等狀態(tài)變化時(shí)的聲學(xué)特性. 研究結果表明,閥門(mén)湍流流場(chǎng)產(chǎn)生的聲源主要為四極子聲源,其聲能隨著(zhù)壓差和流速的增大而增強. 因此,可以利用聲學(xué)方法檢測承壓閥門(mén)是否存在泄漏和估計泄漏率。
0、引言
閥門(mén)作為一種通用的機械產(chǎn)品,其安全性一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn). 石油、石化是閥門(mén)使用率非常高的行業(yè),據統計,購買(mǎi)閥門(mén)的費用相當于一個(gè)新建工廠(chǎng)投資的8 %. 在用承壓閥門(mén)中有相當數量的閥門(mén)因磨損、腐蝕或其他多種原因往往會(huì )出現內外滲漏或泄漏,一般情況內漏很難發(fā)現,內漏若不及時(shí)發(fā)現和處理會(huì )導致嚴重的事故(如輸送流體大量流失、串線(xiàn)、起火甚至爆炸,污染環(huán)境等) ,因此迫切需要一種實(shí)用高效的閥門(mén)內漏檢測技術(shù). 聲學(xué)檢測具有在線(xiàn)、動(dòng)態(tài)及快速、經(jīng)濟的特點(diǎn),既可保證閥門(mén)的安全使用,又可為維修決策提供依據,降低更換費用 . 因此,聲學(xué)方法是檢測承壓閥門(mén)內漏的有效方法.
國外從20 世紀60 年代起就開(kāi)展了閥門(mén)泄漏檢測技術(shù)的研究,目前部分研究成果已經(jīng)得到了廣泛應用. 筆者通過(guò)對閥門(mén)內漏過(guò)程的理論分析和實(shí)驗研究,確定了閥門(mén)內漏率與聲學(xué)參量的一般關(guān)系式,進(jìn)而可判斷閥門(mén)是否有內漏,并確定內漏量.
1、閥門(mén)內漏產(chǎn)生聲源的數學(xué)模型
假設內漏模型為充分的泄漏噴射,并分成3 個(gè)區域:混合區、過(guò)渡區和充分發(fā)展區,見(jiàn)圖1. 據真空技術(shù)網(wǎng)另文介紹:混合區的延伸距離大約是閥門(mén)直徑D 的4.0～4.5 倍,過(guò)渡區距離大致擴展到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(lái)自混合區和過(guò)渡區的湍流運動(dòng), 高頻噪聲主要產(chǎn)生在噴口附近,低頻噪聲產(chǎn)生在下游,頻譜峰在混合區的尖端附近.
圖1 閥門(mén)內漏分析模型
在噴口稍遠的地方為過(guò)渡區. 在過(guò)渡區中處處充滿(mǎn)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, 流體成為完全湍流運動(dòng), 這就是充分擴展區. 在這個(gè)區域里流速逐漸降低以至完全消失,湍流強度變小,產(chǎn)生的聲信號為低頻性.
閥門(mén)內漏時(shí)聲源產(chǎn)生的基礎是流體內湍流產(chǎn)生的波動(dòng)壓力場(chǎng),流體內漏所激發(fā)的應力波為連續信號且具有較寬的頻率范圍. 湍流是流體流動(dòng)不穩定的一種情況,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(dòng)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Rec 由下式表示:
已經(jīng)發(fā)現當雷諾數在103 到104 之間時(shí)湍流開(kāi)始發(fā)生,臨界雷諾數穩定在2.0 ×103 左右,其中公認希勒(Schil Ier) 的實(shí)驗值Rec = 2.3 ×103 ,這種情況可用于估計是否一個(gè)給定的泄漏能發(fā)生有效的聲源.設質(zhì)量密度為ρ( x , t) ,速度場(chǎng)為v ( x , t) . 假設場(chǎng)中無(wú)質(zhì)量生成(因此, Q = 0) ,質(zhì)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(dòng)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(méi)有固體的自由噴流中,馬赫數小,聲源也小時(shí),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(cháng)小時(shí),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:
