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，甘肅 蘭州 730050）

【摘 要】針對傳統閥門內漏檢測方法比較復雜，檢測不精確等問題，基于傳熱學原理，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勢，可為蒸汽閥門在線檢漏工作提供一定的參考。

【關鍵詞】閥門；蒸汽介質；傳熱原理；泄漏速度計算

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

近年來，我國的工業迅猛發展，閥門在工業領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，在管路中發揮著至關重要的作用。在工業現場使用中，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。當閥門投入使用后，由于壓力的變化和被管道內部介質的腐蝕而產生缺陷，導致泄漏。閥門的泄露方式主要分為內泄漏和外泄漏，其中較為嚴重的泄漏是內泄漏，由于發生在閥門的內部，不易被察覺，所以檢測和維修方法較為復雜。在高溫、高壓蒸汽管線中，蒸汽介質具有壓力大、溫度高、密度小等特點，閥門的內泄漏更易發生。這就造成了管路系統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，而且傳統的檢測蒸汽閥門的方法會產生工廠停工而造成不必要的經濟損失。因此，許多相關人員對于蒸汽閥門的在線內漏檢測方法進行了研究。

目前，大多數傳統的蒸汽閥門在線內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，通過測量相關參數數值來檢測閥門的內漏問題。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，基于傳熱學的方法，建立相關模型，定量地對蒸汽閥門的內漏速度進行分析和計算。

1 基于傳熱學的蒸汽閥門內漏檢測方法分析

根據傳熱學原理，熱的傳遞是由于物體內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。而實現這種傳遞有3種方式：熱傳導、熱對流和熱輻射。

（1）熱傳導是指物體各部分之間不發生相對位移時，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生相對位移，冷、熱流體相互摻混所導致的熱量傳遞過程。熱對流僅發生在流體中，而且由于流體中的分子同時在進行著不規則的熱運動，因此熱對流必然伴隨有熱傳導現象。

（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出輻射能，其中因熱的原因而發出輻射能的現象稱為熱輻射。

本文就是基于以上方法和原理進行研究的。當閥門出現內漏時，管道內部就會出現高于環境溫度的蒸汽介質。根據能量守恒定律得知：無論是流體與管道內壁的熱對流、內壁與外壁之間的熱傳導，還是外壁與周圍環境介質的熱對流和熱輻射，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部自然對流。所謂大空間自然對流是指，熱邊界層的發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，或者邊界層的發展受到干擾，或者流體的流動受到限制，使其換熱規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；t2為保溫層外壁的溫度；t3為環境中空氣的溫度。

α1=λ1Nu1/l（2）

公式（2）中：Nu1為努賽爾數；l為設備定型尺寸。

外部環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（一般取0.1～0.13）；n為系數（一般取1/3）；Gr為格拉曉夫數；Pr為普朗特數。

Gr= （4）

Pr= （5）

式中：ρ為空氣的密度；Β為膨脹系數；G為當地重力加速度。△t為t2-t3；Cp1為流體定壓比熱容；μ1為流體動力黏度；λ1為空氣導熱系數。

1.2 管壁與保溫層間的熱傳導

管道（保溫層）內部的熱量通過管壁（保溫層）傳遞到其外部溫度較低的部分屬于導熱現象，通過大量實際導熱問題的經驗提煉，導熱現象的規律已經總結為傅里葉（Fourier）定律。

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

Q= （6）

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

1.3 管道內蒸汽介質強制對流換熱[5]

內部流動與外部流動的區別主要在于流動邊界層與流道壁面之間的相對關系不同：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域，在那里無論速度梯度還是溫度梯度都可以忽略。而在內部流動中，換熱壁面上邊界層的發展受到流道壁面的限制，因此其換熱規律就與外部流動有明顯的區別。

由于管道內部之間為蒸汽介質，其傳熱方式應為內部強制對流換熱，則：

Q=α2（t0-t1）（7）

α2=λ4 Nu/l（8）

式中：α2為蒸汽與管道內壁的給熱系數；λ4為蒸汽的導熱系數。

蒸汽介質與管道內壁之間屬于強制對流換熱，且蒸汽介質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；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。

聯立以上各式，便能求得蒸汽在管道內的流動速度，即閥門的內漏速度u。

2 檢測元件的選取與布置安裝

2.1 檢測元件的選取

要準確地掌握閥門的內漏點和泄漏速率，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間需要進行充分的熱交換，所以存在測溫延遲的現象。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中實現測量。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直接接觸且測溫范圍廣，不受測溫上限的限制，反應速度較快。但物體的發射率、測量距離和水汽等因素會影響其測量結果[6]。考慮到蒸汽介質的性質，決定采用接觸式測溫元件[7]。

2.2 檢測元件的安裝

測溫元件應起到數據采集的作用。根據蒸汽的工作壓力、溫度和其他特性，合理地選擇測溫元件是保證測量結果準確的前提。

（1）測溫元件的安裝應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。當壓力過高時，應加裝保溫套。

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

（5）若蒸汽介質中含有雜質，為使測溫元件免受磨損，應加裝保護套，以保證測量結果的準確性。

（6）測溫元件安裝在負壓管道或設備時，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漏速度的計算是基于熱輻射被忽略的基礎上的，因此應在測溫元件與器壁之間加裝防輻射罩[8]。

3 結論

本文對蒸汽閥門的內漏速度進行了分析和計算，得到結論如下。

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

（2）通過合理地選取和布置測量元件，能夠較為精準地確定發生內漏的閥門，節約了時間，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濟效益。

（3）本文所述的計算方法是基于傳熱學與熱力學的理論基礎，在介質與環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

[1]吳丁飛，薛明華，全文濤，等.電廠閥門內漏在線監測研究[J].能源研究與信息，2014（1）.

[2]張穎，戴光，趙俊茹，等.阻塞流下閥門內漏率的聲學檢測與計算[J].化工機械，2006，33（5）：296-299.

[3]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]王文龍，王宇飛，范利武，等.雙絕熱圓柱對水平三角腔內自然對流影響的數值研究[J].能源工程，2013（6）.

[5]王玉剛，匡環，黃其.強制對流換熱實驗測試系統的研制[J].中國計量學院學報，2012（2）.

[6]尹文杰，徐曉艷.熱釋電紅外測溫儀研究發展[J]. 甘肅科技，2016（4）.

[7]張卓玉.工業自動化儀表測溫元件安裝技術解析[J].科技創新導報，2014（32）.

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

[責任編輯：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，從事設備管理工作。