蒸汽閥門在線檢漏方法研究

雷亞軍 孫浩

（1.中石油云南石化有限公司，云南 安寧 650399；2.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050）

【摘 要】針對傳統(tǒng)閥門內(nèi)漏檢測方法比較復(fù)雜，檢測不精確等問題，基于傳熱學(xué)原理，文章提出了一種蒸汽閥門泄漏速度的定量計算方法。該方法能夠準(zhǔn)確方便地計算閥門泄漏速度，具有在線、實時測量及儀器簡易等優(yōu)勢，可為蒸汽閥門在線檢漏工作提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】閥門；蒸汽介質(zhì)；傳熱原理；泄漏速度計算

【中圖分類號】TK01+2 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）07-0110-03

近年來，我國的工業(yè)迅猛發(fā)展，閥門在工業(yè)領(lǐng)域所起到的作用越來越不可小覷。閥門作為一種重要的管道元件，在管路中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在工業(yè)現(xiàn)場使用中，泄漏是閥門的主要破壞形式之一，也是影響閥門安全運行的首要問題。當(dāng)閥門投入使用后，由于壓力的變化和被管道內(nèi)部介質(zhì)的腐蝕而產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致泄漏。閥門的泄露方式主要分為內(nèi)泄漏和外泄漏，其中較為嚴(yán)重的泄漏是內(nèi)泄漏，由于發(fā)生在閥門的內(nèi)部，不易被察覺，所以檢測和維修方法較為復(fù)雜。在高溫、高壓蒸汽管線中，蒸汽介質(zhì)具有壓力大、溫度高、密度小等特點，閥門的內(nèi)泄漏更易發(fā)生。這就造成了管路系統(tǒng)的壓力損失和能量耗散等問題[1]。由于閥門的泄漏不僅會降低工廠效益，而且傳統(tǒng)的檢測蒸汽閥門的方法會產(chǎn)生工廠停工而造成不必要的經(jīng)濟損失。因此，許多相關(guān)人員對于蒸汽閥門的在線內(nèi)漏檢測方法進行了研究。

目前，大多數(shù)傳統(tǒng)的蒸汽閥門在線內(nèi)漏檢測方法的主要原理是在管道的周圍布置各類傳感器和測量元件，通過測量相關(guān)參數(shù)數(shù)值來檢測閥門的內(nèi)漏問題。然而，這些方法大都只限于原理的介紹和定性的驗證分析，對于閥門的泄漏程度和泄漏速度等問題卻研究較少。因此，對于蒸汽閥門在線檢漏問題展開深入的研究具有十分重要的意義[2]。本文針對蒸汽閥門的在線檢漏問題，基于傳熱學(xué)的方法，建立相關(guān)模型，定量地對蒸汽閥門的內(nèi)漏速度進行分析和計算。

1 基于傳熱學(xué)的蒸汽閥門內(nèi)漏檢測方法分析

根據(jù)傳熱學(xué)原理，熱的傳遞是由于物體內(nèi)部或物體之間的溫差引起的，熱量總是自動地從溫度較高的物體傳遞給溫度較低的物體。而實現(xiàn)這種傳遞有3種方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。

（1）熱傳導(dǎo)是指物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱能量傳遞。

（2）熱對流是指由于流體的宏觀運動而引起的流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷、熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過程。熱對流僅發(fā)生在流體中，而且由于流體中的分子同時在進行著不規(guī)則的熱運動，因此熱對流必然伴隨有熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。

（3）熱輻射是指物體通過電磁波來傳遞能量的方式。物體會因為各種原因發(fā)出輻射能，其中因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。

本文就是基于以上方法和原理進行研究的。當(dāng)閥門出現(xiàn)內(nèi)漏時，管道內(nèi)部就會出現(xiàn)高于環(huán)境溫度的蒸汽介質(zhì)。根據(jù)能量守恒定律得知：無論是流體與管道內(nèi)壁的熱對流、內(nèi)壁與外壁之間的熱傳導(dǎo)，還是外壁與周圍環(huán)境介質(zhì)的熱對流和熱輻射，其中所傳遞的總熱量Q是守恒的[3-4]。

1.1 保溫層外壁與空氣的自然對流

自然對流傳熱區(qū)分為大空間自然對流與有限空間自然對流，又稱為外部自然對流與內(nèi)部自然對流。所謂大空間自然對流是指，熱邊界層的發(fā)展不受到干擾或阻礙的自然對流，而不拘泥于幾何上的很大或無限大。而在有限空間自然對流中，或者邊界層的發(fā)展受到干擾，或者流體的流動受到限制，使其換熱規(guī)律有別于大空間的情形。保溫層外壁與空氣之間的換熱屬于外部自然對流。

管道保溫層外壁與環(huán)境中空氣的自然對流換熱量Q如下：

Q=α1（t2-t3）（1）

公式（1）中：α1為空氣與保溫層外壁的給熱系數(shù)；t2為保溫層外壁的溫度；t3為環(huán)境中空氣的溫度。

α1=λ1Nu1/l（2）

公式（2）中：Nu1為努賽爾數(shù)；l為設(shè)備定型尺寸。

外部環(huán)境中的空氣與管道保溫層外壁之間屬于自然對流換熱，故：

Nu1=C（GrPr）n（3）

對于蒸汽管路，式（3）中的C為系數(shù)（一般取0.1～0.13）；n為系數(shù)（一般取1/3）；Gr為格拉曉夫數(shù)；Pr為普朗特數(shù)。

Gr= （4）

Pr= （5）

式中：ρ為空氣的密度；Β為膨脹系數(shù)；G為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?。△t為t2-t3；Cp1為流體定壓比熱容；μ1為流體動力黏度；λ1為空氣導(dǎo)熱系數(shù)。

1.2 管壁與保溫層間的熱傳導(dǎo)

管道（保溫層）內(nèi)部的熱量通過管壁（保溫層）傳遞到其外部溫度較低的部分屬于導(dǎo)熱現(xiàn)象，通過大量實際導(dǎo)熱問題的經(jīng)驗提煉，導(dǎo)熱現(xiàn)象的規(guī)律已經(jīng)總結(jié)為傅里葉（Fourier）定律。

保溫層與管壁之間熱量的傳遞均為熱傳導(dǎo)，根據(jù)傅里葉定律，圓筒壁所傳遞的熱量如下：

Q= （6）

公式（6）中：t1為管道內(nèi)壁的溫度；t2為保溫層外壁溫度；d0為管道內(nèi)徑；d1為管道外徑（保溫層內(nèi)徑）；d2為保溫層外徑；l為管道長度；λ2為管壁的導(dǎo)熱系數(shù)；λ3為保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)；Rs1、Rs2為管道內(nèi)壁與外壁的污垢熱阻。

1.3 管道內(nèi)蒸汽介質(zhì)強制對流換熱[5]

內(nèi)部流動與外部流動的區(qū)別主要在于流動邊界層與流道壁面之間的相對關(guān)系不同：在外部流動中，換熱壁面上的流體邊界層可以自由地發(fā)展，不會受到流道壁面的阻礙或限制。因此，在外部流動中往往存在著一個邊界層外的區(qū)域，在那里無論速度梯度還是溫度梯度都可以忽略。而在內(nèi)部流動中，換熱壁面上邊界層的發(fā)展受到流道壁面的限制，因此其換熱規(guī)律就與外部流動有明顯的區(qū)別。

由于管道內(nèi)部之間為蒸汽介質(zhì)，其傳熱方式應(yīng)為內(nèi)部強制對流換熱，則：

Q=α2（t0-t1）（7）

α2=λ4 Nu/l（8）

式中：α2為蒸汽與管道內(nèi)壁的給熱系數(shù)；λ4為蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)。

蒸汽介質(zhì)與管道內(nèi)壁之間屬于強制對流換熱，且蒸汽介質(zhì)的溫度實際上會有所下降，故：

Nu2=0.023Re0.8Pr0.3（9）

Re= （10）

Pr= （11）

式中：Nu2為努賽爾數(shù)；u為蒸汽的泄漏速度；ρ2為蒸汽的密度；μ2為蒸汽的動力黏度；Cp2為蒸汽的定壓比熱容。

聯(lián)立以上各式，便能求得蒸汽在管道內(nèi)的流動速度，即閥門的內(nèi)漏速度u。

2 檢測元件的選取與布置安裝

2.1 檢測元件的選取

要準(zhǔn)確地掌握閥門的內(nèi)漏點和泄漏速率，最好的方法就是使用較為精確的溫度測量儀表和測溫方式。溫度測量儀表按測溫方式劃分主要有接觸式和非接觸式兩大類。接觸式儀表的測量原理比較簡單且測量可靠、精度高。但因測溫元件與被測介質(zhì)間需要進行充分的熱交換，所以存在測溫延遲的現(xiàn)象。同時，受測量儀表材料的使用溫度限制，而不能在很高溫度的介質(zhì)中實現(xiàn)測量。非接觸式儀表的測溫原理主要是熱輻射，因此它不需要與被測介質(zhì)直接接觸且測溫范圍廣，不受測溫上限的限制，反應(yīng)速度較快。但物體的發(fā)射率、測量距離和水汽等因素會影響其測量結(jié)果[6]?？紤]到蒸汽介質(zhì)的性質(zhì)，決定采用接觸式測溫元件[7]。

2.2 檢測元件的安裝

測溫元件應(yīng)起到數(shù)據(jù)采集的作用。根據(jù)蒸汽的工作壓力、溫度和其他特性，合理地選擇測溫元件是保證測量結(jié)果準(zhǔn)確的前提。

（1）測溫元件的安裝應(yīng)便于儀表維修工作人員的維護、校驗和拆裝。

（2）在加裝保護外套時，為減少測溫時的滯后，可在2個套管之間加裝傳熱良好的填充物。

（3）凡是安裝承壓的測溫元件，必須保證密封。當(dāng)壓力過高時，應(yīng)加裝保溫套。

（4）由于蒸汽屬于高溫介質(zhì)，在安裝測溫元件時，應(yīng)盡可能地保持垂直，以防測溫元件保護管在高溫下產(chǎn)生變形。

（5）若蒸汽介質(zhì)中含有雜質(zhì)，為使測溫元件免受磨損，應(yīng)加裝保護套，以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（6）測溫元件安裝在負(fù)壓管道或設(shè)備時，必須保證安裝孔與測溫元件的密封，以免冷空氣被吸入時，降低該測溫點的指示值。

（7）在蒸汽流速較大的管道中安裝測溫元件時，測溫元件必須傾斜安裝，以免受到過大沖蝕。

（8）避免熱輻射。由于本文所述的蒸汽閥門內(nèi)漏速度的計算是基于熱輻射被忽略的基礎(chǔ)上的，因此應(yīng)在測溫元件與器壁之間加裝防輻射罩[8]。

3 結(jié)論

本文對蒸汽閥門的內(nèi)漏速度進行了分析和計算，得到結(jié)論如下。

（1）充分將傳熱學(xué)和熱力學(xué)理論與實際工程相結(jié)合，通過能量守恒定律、熱傳導(dǎo)和熱對流等相關(guān)知識，定量地計算了閥門的內(nèi)漏速度。

（2）通過合理地選取和布置測量元件，能夠較為精準(zhǔn)地確定發(fā)生內(nèi)漏的閥門，節(jié)約了時間，同時為維修人員提供了方便，而且在一定程度上保證了工廠的經(jīng)濟效益。

（3）本文所述的計算方法是基于傳熱學(xué)與熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)，在介質(zhì)與環(huán)境之間溫差較大的情況下使用，可以較為精確地計算閥門的泄漏速度。

參 考 文 獻

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[8]王偉行.化工生產(chǎn)中溫度測量元件的選擇與安裝[J].天津化工，2007（3）.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]

【作者簡介】雷亞軍，男，陜西西安人，中石油云南石化有限公司工程師，從事設(shè)備管理工作。