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

1. 概要

進口安全閥作為壓力容器、管道防護的最后一道防線在實際生產(chǎn)過程中具有非常重要的意義。安全閥是否能夠穩(wěn)定、可靠運行對系統(tǒng)運行至關(guān)重要。隨著故障診斷計算的快速發(fā)展，在流程工業(yè)中動設(shè)備的故障診斷技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其中以轉(zhuǎn)動類設(shè)備“泵”的故障診斷最為常見。轉(zhuǎn)動類設(shè)備通常通過檢測設(shè)備的振動信號再進行頻域分析后完成對設(shè)備特征故障的識別，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，其中檢測內(nèi)容主要包括：變形、應(yīng)力、裂紋等。回轉(zhuǎn)類動設(shè)備以及大型容器類靜設(shè)備故障監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展主要因為動設(shè)備一般對系統(tǒng)運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)的動作相對較少，可供監(jiān)測的數(shù)據(jù)也相對較少，所以故障檢測技術(shù)發(fā)展相對滯后。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)致的事故風險也更大。所以近年來行業(yè)內(nèi)也逐漸發(fā)展出了專門針對安全閥的故障診斷方法。

2. 進口安全閥故障檢測技術(shù)

進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、無法達到設(shè)定開高等。而想要實現(xiàn)上述故障的檢測也陸續(xù)發(fā)展出了多種檢測方法。

2.1 基于聲發(fā)射原理檢測泄漏

基于聲發(fā)射的泄漏檢測方法在泄漏檢測特別是閥門的泄漏檢測過程中已經(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)力波從而實現(xiàn)對泄漏的檢測[2]。最早使用該技術(shù)進行泄漏檢測是美國聲學公司，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。國內(nèi)也很多檢測單位購買了相關(guān)的檢測設(shè)備。但該檢測方法的早期實際應(yīng)用主要用于完成定性分析檢測，對于定量檢測的難度較大，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，所以想通過此信號實現(xiàn)對泄漏的定量檢測較為困難[3]。安全閥廠家也專門推出了采用聲發(fā)射檢測的安全閥檢測裝置，如圖1所示。

雖然該技術(shù)在檢測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)合檢測數(shù)據(jù)修正，現(xiàn)階段國內(nèi)相關(guān)泄漏檢測技術(shù)已經(jīng)具備在安全閥中進行應(yīng)用的條件。馬浩東等就利用聲發(fā)射技術(shù)實現(xiàn)了對安全閥泄漏的檢測[4]。龍飛飛等通過算法優(yōu)化實現(xiàn)了聲發(fā)射泄漏檢測精度的大幅度提升并通過了試驗驗證[5]。

2.2 基于聲驅(qū)動型超聲信號泄漏檢測裝置

聲發(fā)射技術(shù)所產(chǎn)生的振動信號主要通過金屬構(gòu)件進行傳播，信號的特征、大小與閥門結(jié)構(gòu)、介質(zhì)壓力關(guān)系較大，通過信號強度實現(xiàn)對泄漏量的準確定量檢測雖然通過算法可得到大幅度提升，但仍存在較大困難。針對該問題，Cao等設(shè)計了一種能夠主動激發(fā)超聲信號的裝置，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，通過對超聲信號的收集就能夠?qū)π孤┻M行判斷[6]。與聲發(fā)射檢測方法不同，基于聲驅(qū)動型超聲信號檢測方法中發(fā)聲裝置為外設(shè)定制結(jié)構(gòu)，所以聲學信號可以進行人為控制，信號的強度與介質(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的方法之一。

2.3 基于溫度變化閥門泄漏檢測

對于大部分流程工況，特別是帶壓工況而言，介質(zhì)溫度一般與環(huán)境溫度之間會存在一定的差別。所以在安全閥正常關(guān)閉狀態(tài)時安全閥的入口和出口會存在明顯的溫度差。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，通過對不同使用階段溫度差的對比就能夠?qū)崿F(xiàn)對安全閥是否泄漏進行識別[7]。該溫度差的檢測可以通過在入口、出口布置熱電偶完成，也可以通過熱紅外傳感裝置進行檢測識別。而對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，可以直接對介質(zhì)溫度進行監(jiān)測實現(xiàn)對泄漏的識別。此檢測方法檢測設(shè)備成本、安裝成本均較低，能夠?qū)^為明顯的泄漏進行識別，但缺點在于無法對泄漏進行定量判斷。

2.4 基于閥位變化的閥門動作檢測

對于安全閥而言可測開高的動作才視為動作過程，所以通過測量安全閥閥桿的動作過程（先導(dǎo)式安全閥主閥活塞的動作）就能夠?qū)崿F(xiàn)對安全閥動作過程的檢測，同樣也能夠?qū)Π踩y可能出現(xiàn)的誤動作事件進行監(jiān)測[8]。能夠測量位置的檢測方法很多，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)不但不會影響安全閥整體的封閉性，也不會對安全閥的動作過程產(chǎn)生影響，安全閥廠家推出了采用類似原理的安全閥動作監(jiān)測產(chǎn)品，如圖2所示。但位移檢測型的故障識別裝置只能夠?qū)Π踩y的動作過程進行監(jiān)測，無法實現(xiàn)對泄漏、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

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

2.6 基于檢維修數(shù)據(jù)進行故障預(yù)測

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，安全閥除在線診斷、檢測技術(shù)外，很多故障也可以通過對歷史運維、校驗數(shù)據(jù)的分析進行判斷。在以往的認識中對安全閥校驗數(shù)據(jù)的收集主要用于安全閥延期校驗RBI，但實際上全面的安全閥校驗數(shù)據(jù)收集還能夠?qū)芏喟踩y可能出現(xiàn)的故障進行識別。而很多潛在的故障是通過在線監(jiān)測系統(tǒng)無法實現(xiàn)的。其中，針對校驗、使用數(shù)據(jù)收集比較重要的故障預(yù)測就是對安全閥彈簧剛度變化數(shù)據(jù)的預(yù)測。通常情況下認為：安全閥隨著使用時間的增加，其開啟、關(guān)閉失效的概率也會逐漸增加，其中安全閥的各部件中受使用時間影響最大的就是彈簧和密封面。安全閥的密封面在每個校驗周期都會進行相應(yīng)的檢維修工作，相關(guān)故障也能夠及時發(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)需要保持在一個合理的區(qū)間范圍內(nèi)（具體數(shù)值由廠家給定）當彈簧剛度小于預(yù)設(shè)數(shù)值的下限則可以判讀安全閥大概率會出現(xiàn)開啟后無法正?；刈膯栴}，而該故障也應(yīng)及時給予處理。

3. 小結(jié)

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