分析了承壓閥門內漏過程中流體流動狀態,以及聲源產生機理,建立了閥門泄漏產生的聲源信號幅度與內漏率的一般關系. 利用研制的實驗臺對閥門內漏進行檢測實驗,并探討了泄漏時閥門開度、兩側壓差等狀態變化時的聲學特性. 研究結果表明,閥門湍流流場產生的聲源主要為四極子聲源,其聲能隨著壓差和流速的增大而增強. 因此,可以利用聲學方法檢測承壓閥門是否存在泄漏和估計泄漏率。

0、引言

　　閥門作為一種通用的機械產品,其安全性一直是人們關注的焦點. 石油、石化是閥門使用率非常高的行業,據統計,購買閥門的費用相當于一個新建工廠投資的8 %. 在用承壓閥門中有相當數量的閥門因磨損、腐蝕或其他多種原因往往會出現內外滲漏或泄漏,一般情況內漏很難發現,內漏若不及時發現和處理會導致嚴重的事故(如輸送流體大量流失、串線、起火甚至爆炸,污染環境等) ,因此迫切需要一種實用高效的閥門內漏檢測技術. 聲學檢測具有在線、動態及快速、經濟的特點,既可保證閥門的安全使用,又可為維修決策提供依據,降低更換費用 . 因此,聲學方法是檢測承壓閥門內漏的有效方法.

　　國外從20 世紀60 年代起就開展了閥門泄漏檢測技術的研究,目前部分研究成果已經得到了廣泛應用. 筆者通過對閥門內漏過程的理論分析和實驗研究,確定了閥門內漏率與聲學參量的一般關系式,進而可判斷閥門是否有內漏,并確定內漏量.

1、閥門內漏產生聲源的數學模型

　　假設內漏模型為充分的泄漏噴射,并分成3 個區域:混合區、過渡區和充分發展區,見圖1. 據真空技術網另文介紹:混合區的延伸距離大約是閥門直徑D 的4.0～4.5 倍,過渡區距離大致擴展到D 的10 倍. 沿泄漏表面,漏口附近聲壓較低,在3 至4 倍直徑的距離內迅速增加到極大值,以后又慢慢降低,泄漏聲音大部分來自混合區和過渡區的湍流運動, 高頻噪聲主要產生在噴口附近,低頻噪聲產生在下游,頻譜峰在混合區的尖端附近.

圖1 　閥門內漏分析模型

　　在噴口稍遠的地方為過渡區. 在過渡區中處處充滿湍流,平均速度隨噴射距離的增加而漸減,射流寬度逐漸擴展. 在噴口更遠的地方, 流體成為完全湍流運動, 這就是充分擴展區. 在這個區域里流速逐漸降低以至完全消失,湍流強度變小,產生的聲信號為低頻性.

　　閥門內漏時聲源產生的基礎是流體內湍流產生的波動壓力場,流體內漏所激發的應力波為連續信號且具有較寬的頻率范圍. 湍流是流體流動不穩定的一種情況,在其內部慣性的影響遠大于黏性阻力的影響而處于支配地位. 臨界流速vc 是該流動條件下層流與紊流的轉變流速,它與流體的黏度μ成正比,與流體的密度ρ和管徑d 成反比,即雷諾數Rec 由下式表示:

　　已經發現當雷諾數在10³ 到10⁴ 之間時湍流開始發生,臨界雷諾數穩定在2.0 ×10³ 左右,其中公認希勒(Schil Ier) 的實驗值Rec = 2.3 ×10³ ,這種情況可用于估計是否一個給定的泄漏能發生有效的聲源.設質量密度為ρ( x , t) ,速度場為v ( x , t) . 假設場中無質量生成(因此, Q = 0) ,質量守恒方程為

　　微分形式的守恒方程為

　　利用式(2) , (3) 消去含ρvi 項,可推導出如下的非齊次波動方程

　　解方程(4) 得

　　忽略黏滯應力和熱應力的影響,則聲功率p 為

　　在沒有固體的自由噴流中,馬赫數小,聲源也小時,聲發射的總功率與特征速度的8 次方成正比(所謂四極子聲源的特性) . 可是在固體邊界效應大的情況下,聲源的尺寸比波長小時,發射聲的總功率與特征速度的6 次方成正比. 考慮到一般情況,發射聲的總功率可表示成與速度的n 次方( n > 1) 成比例. 即在一定的范圍內,發射聲的總功率隨特征速度的增大而增大. 只有四極子聲源的情況下湍流噪聲功率符合8次方定律: