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安全阀弹簧在线失效监测方法初探

2022-03-25李确郭善刚汪朝阳

中国设备工程 2022年6期
关键词:测力变送器安全阀

李确,郭善刚,汪朝阳

(1.北京航天动力研究所;2.北京航天石化技术装备工程有限公司,北京 100176)

1 研究背景

安全阀广泛应用于石油、化工、电站、冶金、核电、国防等国民经济各个领域,为各类装置的压力管道和压力容器等承压设备提供超压保护。整定压力准确性是安全阀重要性能指标,是实现超压保护功能的基础。国家标准GB/T12243及美国机械工程师学会锅炉及压力容器规范ASME BPVC安全阀标准规范均明确了不同工况下安全阀整定压力的极限偏差指标:如压力容器和管道用安全阀的整定压力极限偏差(GB/T12243-2021)(表1)。

表 1

弹簧直接载荷式安全阀是安全阀中应用最广泛的一类,弹簧是其关键元件之一,其性能好坏对安全阀能否“准确开启、适时全启、及时回座”有决定性的影响。弹簧失效带来的异常开启、回座压力过低等问题是安全阀的常见故障。此类故障的发生往往是突发、不可预测的,而故障的消除往往需要生产装置停车将安全阀拆除处理,直接影响生产活动的正常进行。因此,开展弹簧工作状态在线监测及诊断研究,对于提升安全阀的可预测维护性,进一步开发智能化的安全阀产品,保障生产装置的安全稳定运行具有重要的意义。

2 弹簧失效分析

实际应用工况中,安全阀的工作环境往往比较复杂,如腐蚀性介质、变化的温度、频繁的动作都会造成弹簧性能的变化,导致弹簧刚度下降甚至断裂。安全阀弹簧失效形式主要包括疲劳、腐蚀、断裂及塑性变形(图1)。

图1 弹簧主要失效形式

弹簧失效原因总体可以分为两类,一类是自身缺陷,主要包括原材料、加工等因素,具体如图2所示。

图2 弹簧失效原因(自身缺陷)

另一类是环境影响,主要包括工作负载、介质腐蚀等引述,具体如图3所示。

图3 弹簧失效原因(使用环境)

通过分析安全阀弹簧失效原因及失效形式可以发现,所有失效形式都会带来弹簧压缩力的显著变化。本文探讨了基于弹簧压缩力这一关键参数的测量实现弹簧工作状态监测和预警的技术方案。

3 技术方案

3.1 系统方案

安全阀弹簧在线失效监测系统由安全阀主体、测力传感器、压力变送器、输入电源、信号输入引线、信号输出引线、数据处理系统等零部件组成。测力传感器安装在安全阀本体上,通过输入信号引线与压力变送器相连接;输入电源与压力变送器连接,负责压力变送器及测力传感器供电;测力传感器将测量信号传输至压力变送器,经过信号放大后,通过输出信号引线输出至数据处理系统。安全阀弹簧失效在线监测系统原理示意如图4所示。

图4 安全阀弹簧失效在线监测系统原理示意图

3.2 优化设计

为提高监测数据准确性,测力传感器应最大程度接近弹簧,避免摩擦力、侧向力等因素对监测数据的影响。本方案对安全阀局部结构进行重新优化设计,如图5所示。

图5 安全阀及测力传感器连接结构示意图

依据传感器结构尺寸对弹簧座结构进行调整,将传统弹簧座结构一分为二,分别为上弹簧座、压环。测力传感器上端面与压环相连,下端面与上弹簧座相连。弹簧力通过上弹簧座直接传递给测力传感器,能够保证弹簧力测量准确性。同时,上弹簧座及压环共同实现导向对中作用,最大程度减少结构变更对安全阀影响,确保安全阀动作顺畅,实现测力传感器工作稳定。

3.3 传感器原理及选择

在力学测量中,压电力传感器和应变力传感器占据着主导地位。两种传感器原理如下。

应变力传感器原理:施加的力是作用在一个弹性体上的。负载将会使弹性体产生微小的变形。安装在弹性体上的应变片将会产生延展,应变片的电阻值将会变化。4个应变片组成一个惠斯通电桥,产生的输出电压将会正比于施加的力。

压电传感器原理:采用两个晶体盘,并在两者之间安装一个电极箔。在施加力时,将产生电荷变化,其可通过电荷放大器获得。电荷将和施加的力呈正比。分别从监控时间和测量精度方面对两类传感器特点进行比较。

(1)静态监控。应变传感器几乎没有漂移,因此,非常适合长期静态监控任务。通过选择合适的应变片,恒定的负载导致的输出信号变化非常小。压电力传感器具有一个漂移,在工作状态下大约为1牛/分钟。由于其值保持不变,当长期进行较小力测量时,其将会产生较大的测量误差。

(2)高精度测量。现代力传感器都具有很高的精度,应变传感器的误差仅有0.2%。压电传感器具有稍高的线性误差,一般为满量程的0.5%。其限制主要来自漂移,通过对整个量程的标定,可以使其获得更高的精度。

根据测力传感器以上类型特点,应选择应变式传感器进行弹簧压缩力的长期监测。

3.4 判定算法

安全阀工作过程中,测力传感器依据所受弹簧力实时输出电压信号,经过变送器放大、滤波等处理,将有效电压信号转换为弹簧力数值信号并传输至数据处理系统。数据系统实时将采集弹簧力数据与初始弹簧力设定值等指标进行比对,当弹簧力下降到达设定偏差时,系统判定弹簧可能发生在线失效,向用户发出预警信号。弹簧力监测值与初始值相比,上升超过规定数值时,认为安全阀发生起跳,数据处理系统提示用户进行阀门状态检查并进行初始值重置。结合安全阀应用工况需求,功能设置如下。

初始值:安全阀上线稳定运行后进行1小时连续监测,获得的平均值为测力传感器初始值。

预警:弹簧压缩力监测值与初始值相比,下降到达3%时,发出信号,实现预警。

重置:弹簧压缩力监测值与初始值相比,上升超过3%时,认为安全阀发生起跳,提示进行阀门状态检查并进行初始值重置。

3.5 特殊工况应用

测力传感器一般适用工作温度为-20~80℃,超出以上温度范围的工况可定制开发特殊材质、结构测力传感器,满足工况要求;本方案中测力传感器引线通过安全阀阀盖侧孔引出,对于安全阀存在出口背压的工况,可采用对安全阀增加波纹管的技术路线,避免出口介质泄漏,保证安全阀正常工作。

4 结语

本文结合弹簧载荷式安全阀工作原理,分析了弹簧失效原因及失效形式,提出了一种安全阀弹簧在线失效监测方法,选取弹簧压缩力作为在线失效可测量的关键表征,在安全阀内应用适当传感器对弹簧失效关键表征进行监测,明确了判定算法,可以实现弹簧失效的在线监测。

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