基于温度测量的阀门内泄漏检测方法研究

摘要：本文针对阀门内泄漏的温度检测，建立了阀门内泄漏量的预测模型。首先，搭建了阀门内泄漏热电偶温度测量实验系统，测量得到不同压力、不同泄漏量下阀门的温度分布，定量分析入口压力、泄漏量对阀门温度场的影响，基于实验数据建立泄漏量与温差的拟合模型，对该模型进行验证。

关键词：阀门内泄漏；温度测量；泄漏量预测；温度差

Abstract：Aiming at the temperature detection of leakage in the valve， a prediction model of the leakage in the valve is established in this paper. First， an experimental system for measuring the temperature of the leakage thermocouple in the valve was built， and the temperature distribution of the valve under different pressures and leakage amounts was measured. The influence of the inlet pressure and leakage amount on the valve temperature field was quantitatively analyzed， and the leakage amount and temperature difference were established based on the experimental data. The fitted model is validated.

Keywords：Valve Internal Leakage， Temperature Measurement， Leak Forecast， Temperature Difference

0 引言

在电厂的循环管网系统中，阀门有着非常重要的作用。但流体介质对阀门长期的冲蚀，会造成阀门磨损甚至泄漏引起安全事故，因此需要研究出一种可靠易行的检测阀门泄漏的方法[1]。

常用的阀门内泄漏检测方法有声发射检测法和温度检测法，由于声发射传感器能够耐受的温度比较低，且噪声对声发射传感器的影响较大[2]，因此并不适用于本文的高温阀门。温度检测法一般包括红外成像法和热电偶检测法，其中红外成像法识别阀门内泄漏较为直接，阀门外壁面的温度分布和阀门泄漏与否以及泄漏的大小有关，红外热像仪可以识别到这些不同的状态，因此，红外热图可以反映阀门内泄漏的状态[3-5]。然而，电厂的阀门一般都包裹有保温层，因此红外热像仪检测手段不可行。

热电偶温度测量是一种简单易行且可靠的温度测量方式[6-7]，此种测量方式也很契合包裹有保温层的电厂阀门。搭建阀门内泄漏实验系统，开展阀门内泄漏的定量实验，建立泄漏量与温度差的拟合模型。研究阀门内泄漏温度检测技术，可以实时监测阀门的密封性状态，当阀门内泄漏到一定程度影响阀门管道系统的正常运行时，为阀门的维修提供依据支持，可以极大地节省人力物力资源。

1 阀门内泄漏温度测量实验

1.1 实验系统

为了研究压力、阀门开度对阀门内泄漏温度场的影响，在实验室设计和搭建了一套高温阀门内泄漏实验系统，实验系统的组成框图如图1所示，其主要由电热蒸汽发生器、阀门、质量流量计、温度测量模块组成。电热蒸汽发生器产生过热蒸汽，流经管道，通过阀门，通过质量流量计，最后通过管道留至窗外，管道为包裹有保温层的波纹管。实验系统的实物图如图2所示。

8路热电偶安装在阀门及管道的流道附近，其中4路安装在阀门前端，4路安装在阀门后端，如图3。

阀门内泄漏实验系统的热源为过热蒸汽，其由一台电热蒸汽发生器产生。电热蒸汽发生器是一台LDR型电蒸汽发生器，最高可产生0.7Mpa，170 ℃的过热蒸汽。

质量流量计为涡街流量计，其常用来对过热蒸汽的计量和控制，其可测量的过热蒸汽最高温度280℃，最大压力可达1.6MPa，精确度为±1.5%。

采用的温度采集模块是Adam-6018， 8路热电偶与adam3920模块的接线端相连，adam3920模块通过一根20针的扁平电缆与Adam-6018连接，Adam-6018通过网线与主机相连。

1.2 阀门内泄漏温度测量实验

为了研究阀门的内泄漏量与其温度分布的关系，建立阀门的一个内泄漏检测模型，在搭建阀门的内漏检测实验系统后，进行阀门的内漏温度测量实验。测量阀门在不同压力、不同泄漏量下的温度分布。

实验内容：在0.1-0.6Mpa六个压力下进行六组实验，每个压力下进行不同泄漏量的温度测量实验，用阀门的开度大小模拟阀门的泄漏量大小，在质量流量计上读出阀门的泄漏量大小，在自行设计的上位机软件中观察以及保存相应的阀体温度分布数据，每组压力下记录阀门关闭与一定开度的阀体温度分布。

2 实验结果

温差可以作为表征泄漏量的一个特征[8]，对测量结果进行两两做差，得到不同泄漏量下的温差结果，0.4Mpa下的部分结果如表1。由表可知，泄漏量越大，两测量点的温差越小。其中热电偶0、5的温差最大，热电偶1、4其次，热电偶2、3温差最小。表中热电偶0和5的温度差值T0-T5相比另外两组要更大，因此使用这两个热电偶的温度差值来表征阀门的内泄漏量效果更好。故下文中的温差都是基于T0-T5这个值。

3 阀门内泄漏量预测模型的建立

选择热电偶0和5的温度差ΔT作为阀门内泄漏量的表征参数。本节将建立阀门内泄漏量的预测模型，即建立温度差ΔT和其影响因素的数学关系式。影响阀门前端和后端温度差的因素有很多，例如阀门的泄漏量、入口压力、入口温度、阀门的口径、阀门的长度，介质的类型等等。在本章的实验中，由于阀门的口径和阀门的长度是确定的，且流体介质使用的是饱和蒸汽，即流体介质的入口压力与入口温度存在一一对应的关系，因此阀门的泄漏量与入口压力为温度差的主要影响因素。

在各个压力下对温度差与泄漏量进行拟合分析，分别得到0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa下的泄漏量与温差的拟合关系式及曲线，并对拟合关系式进行验证。

每个压力下均取出两组数据作为拟合模型的验证数据，其它所有实验数据在Matlab中对泄漏量与温差的关系进行二次拟合，得到图4所示的一组拟合曲线，从该组曲线可以知道，泄漏量越大，阀门前后端温差越小；入口压力越大，温差越大。在0.1-0.6MPa下求得的泄漏量与温差的拟合关系式如式（1）到式（6）。其中ΔT（℃）为温差，g（kg/h）为泄漏量。

因此，当已知入口压力和阀门前后端的温差，将它们带入上述对应的数学表达式中，反解出泄漏量，得到这种情况下的泄漏量的一个预测值。用来拟合和验证的数据组数如表2所示。

用拟合前取出的共12组数据来验证此拟合模型。结果如表3。由该表可知，用于验证的数据最大误差为4.8%，小于5%，该拟合模型预测泄漏量的效果较好。此模型可以用来估计0.1-0.6Mpa这6个压力下的泄漏量。

4 结论

本文设计与搭建了阀门内泄漏的温度测量系统，进行了阀门内泄漏的温度测量实验，对实验结果进行了定量分析，用阀门前端和后端的温度差作为阀门内泄漏温度分布的特征参数，最后建立了阀门内泄漏量的预测模型。建立了泄漏量与温差的拟合模型，拟合模型的最大误差为4.8%，因此拟合模型对泄漏量的预测效果较好。可以用来估计0.1-0.6MPa这6个压力下阀门的泄漏量。

参考文献

[1]周路云，徐维普，符明海. 电站阀门新旧标准比较研究 [J] . 通用机械，2018（04）：54-55.

[2]梁乐乐. 阀门内漏仪器集成开发及实验研究[D]. 中国石油大学（北京）， 2018.

[3]张丽珍. 基于红外热成像技术的阀门内漏状态识别及量化分析[D]. 中国石油大学（华东），2016.

[4]Lee S. A Study on the Leakage Evaluation for Power Plant Valve Using Infrared Thermography Method[J]. Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing， 2010， 30（2）： 110-115.

[5]Dudić S， Ignjatović I， Šešlija D， et al. Leakage quantification of compressed air using ultrasound and infrared thermography[J]. Measurement， 2012， 45（7）： 1689-1694.

[6]董晓梅. 基于温度场分析的核管道安注管线阀门内漏监测方法研究[D].河北工业大学，2019.

[7]刘功春， 李录平， 黄章俊， 等. 阀门不同泄漏工况下蒸汽疏水管道温度场分布规律模拟计算[J]. 汽轮机技术， 2014，（01）： 43-46.

[8]刘功春. 疏水管道温度计算方法及其在阀门泄漏诊断中的应用[D]. 长沙理工大学，2014.