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解析控制閥內(nèi)部和周圍振動(dòng)產(chǎn)生的原因以及查明問題的方法

來源：上海自動(dòng)化儀表有限公司作者：發(fā)表時(shí)間：2018-10-08 09:45:25【小中大】

     控制閥裝置附近的振動(dòng)可以源自許多來源。以下是查明問題的方法。

 
    上海自動(dòng)化儀表股份有限公司技術(shù)人員在帶有噪聲微調(diào)和通風(fēng)擴(kuò)散器的截止閥上安裝加速度計(jì)，將振動(dòng)轉(zhuǎn)換為噪聲。
 
解析控制閥內(nèi)部和周圍振動(dòng)產(chǎn)生的原因以及查明問題的方法
 
    過度振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致控制閥，測(cè)量設(shè)備和管道系統(tǒng)損壞。工廠經(jīng)常試圖通過測(cè)量振動(dòng)，移動(dòng)設(shè)備，加強(qiáng)閥門結(jié)構(gòu)，重新焊接破裂的管道，更換管道系統(tǒng)和其他補(bǔ)救措施來解決問題 - 只是發(fā)現(xiàn)問題仍然存在。
 
    這是因?yàn)橥ǔ：茈y找到振動(dòng)源，這種振動(dòng)源不僅可以來自控制閥，還可以來自上游和下游管道和設(shè)備。
 
   本文將討論現(xiàn)代技術(shù)，以幫助監(jiān)控，預(yù)測(cè)和解決控制閥附近振動(dòng)引起的問題。
 
圖：控制閥振動(dòng)導(dǎo)致閥桿斷裂。
圖：控制閥振動(dòng)導(dǎo)致閥桿斷裂。
 
    振動(dòng)源
    在控制閥安裝中經(jīng)歷的振動(dòng)可能是由泵空化，流動(dòng)脈動(dòng)，流動(dòng)引起的激勵(lì)，渦旋脫落，快速閥門關(guān)閉，蒸汽袋坍塌，泵啟動(dòng)和關(guān)閉，團(tuán)狀流，水錘和許多其他難以診斷條件。
 
    例如，閥塞可能會(huì)振動(dòng)并導(dǎo)致保持架損壞，或者它可能導(dǎo)致疲勞失效，例如閥桿在連接到閥塞的地方斷裂。保持架損壞的結(jié)果可能是更高的摩擦，因此閥組件性能差。如果閥桿斷裂，則閥門停止工作。
 
    在某些情況下，閥門和管道可能會(huì)如此嚴(yán)重地震動(dòng)，以至于工人們害怕靠近系統(tǒng)，因?yàn)楣艿罆?huì)爆裂。在其他情況下，產(chǎn)生的閥門噪音過大。
 
    兩種常見類型的振動(dòng)與控制閥安裝相關(guān)聯(lián)。聲學(xué)誘導(dǎo)振動(dòng)（AIV）會(huì)產(chǎn)生過高水平的高頻聲能，這會(huì)導(dǎo)致焊接下游連接器的疲勞失效。這在液體天然氣緊急排污系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)，但在其他工藝管道系統(tǒng)中也可以找到。閥門和其他管道元件產(chǎn)生的噪音水平足夠高，可能對(duì)管道系統(tǒng)造成破壞性振動(dòng)。
 
    流體誘導(dǎo)振動(dòng)（FIV）產(chǎn)生高水平的動(dòng)能，可能導(dǎo)致管道振動(dòng)，松動(dòng)管道支撐并導(dǎo)致管道支管疲勞失效。
 
    過度振動(dòng)會(huì)損壞控制閥的附件，例如安裝支架，執(zhí)行器管，變送器和執(zhí)行器。致動(dòng)器管可能在螺母/套圈位置處或附近遭受疲勞失效，導(dǎo)致管中的壓力損失。在管道中沒有壓力的情況下，不能控制致動(dòng)器或控制部件之間的壓力信號(hào)丟失。在任何一種情況下，閥門都不再按設(shè)計(jì)運(yùn)行。
 
    振動(dòng)還可能導(dǎo)致附近測(cè)量組件的疲勞失效，例如安裝在下游或上游管道中的壓力或溫度儀表。這種振動(dòng)會(huì)損壞儀器或降低儀器與管道的連接。儀器損壞可能導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)丟失，并且連接到管道的故障可能導(dǎo)致泄漏。
 
    振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致管道疲勞失效，特別是在焊縫和分支處。至少，由于產(chǎn)生的噪音，振動(dòng)很煩人。在最壞的情況下，振動(dòng)會(huì)破壞管道，導(dǎo)致泄漏并阻止閥門控制過程。在任何一種情況下，最困難的問題之一是確定導(dǎo)致振動(dòng)的原因。
 
圖：流體引起的振動(dòng)和聲振引起的振動(dòng)會(huì)破壞焊接，松開管道支撐，引起疲勞問題并關(guān)閉工藝。
圖：流體引起的振動(dòng)和聲振引起的振動(dòng)會(huì)破壞焊接，松開管道支撐，引起疲勞問題并關(guān)閉工藝。
 
    測(cè)量振動(dòng)：
    利用放置在閥和致動(dòng)器組件上以及閥的上游和下游的不同點(diǎn)處的加速計(jì)來測(cè)量振動(dòng)。雖然可以使用手持設(shè)備測(cè)量振動(dòng)，但首選解決方案是使用無線電池供電的加速度計(jì)。
 
    較舊的振動(dòng)傳感器通常用于發(fā)現(xiàn)可能不適合診斷閥門振動(dòng)的電機(jī)，泵和其他旋轉(zhuǎn)設(shè)備中的問題。這些振動(dòng)傳感器通常在1,000赫茲（Hz）或更低的低頻范圍內(nèi)工作，而控制閥AIV可以達(dá)到3至5千赫茲甚至更高的水平。
 
    安裝振動(dòng)傳感器有兩個(gè)基本原因：首先，測(cè)量閥門內(nèi)部和周圍的振動(dòng)并評(píng)估其在不同位置的嚴(yán)重程度；第二，在采取糾正措施后評(píng)估振動(dòng)的變化和減少。
 
    在大多數(shù)情況下，傳感器安裝在閥蓋，閥桿連接器，執(zhí)行器或入口和出口管道上。如果在一個(gè)區(qū)域中發(fā)生特定損壞或高振動(dòng)，則傳感器通常安裝在感興趣的區(qū)域附近。在熱系統(tǒng)（例如蒸汽管線）的情況下，傳感器具有安裝件以將傳感元件與高溫隔離。
 
    傳感器放置也可以由識(shí)別高噪聲源的聲學(xué)測(cè)量決定。為了確定噪聲源是否在閥門的上游 - 然后噪聲傳播通過系統(tǒng) - 傳感器可以安裝在閥門的上游和下游，以及閥桿上。
 
    如果在閥門旁邊發(fā)現(xiàn)最高振動(dòng)水平，則噪聲的來源或原因很可能是閥內(nèi)件組件。
 
    如果最高振動(dòng)是下游，則問題可能是緊密耦合的系統(tǒng)，其中閥門太靠近彎頭和其他設(shè)備，導(dǎo)致流動(dòng)引起的湍流。管道系統(tǒng)有時(shí)在閥門入口附近設(shè)計(jì)有彎頭或三通。不幸的是，這提供了進(jìn)入閥門的湍流，這可能導(dǎo)致比閥門中的典型振動(dòng)更多的振動(dòng)以及閥門下游的管道中的額外湍流，從而引起過度振動(dòng)。
 
    類似地，管道可以設(shè)計(jì)成直接在閥門下游放置彎頭或三通的位置。來自閥出口的流動(dòng)可與管道元件相互作用，從而引起高湍流和振動(dòng)。這兩種情況都可以通過在閥門的上游或下游移動(dòng)管道元件來解決。一般情況下，最好保持肘部前至少20個(gè)直徑和6個(gè)直徑。
 
    現(xiàn)代無線振動(dòng)傳感器提供完整的振動(dòng)數(shù)據(jù)，包括總體水平，能帶，高分辨率光譜和波形。有些傳感器可以測(cè)量高達(dá)20,000 Hz的振動(dòng)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將測(cè)得的振動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦S的控制和監(jiān)控系統(tǒng)或基于PC的軟件進(jìn)行分析。如果需要，PC可以將數(shù)據(jù)上傳到云，可以從任何可以訪問互聯(lián)網(wǎng)的位置訪問云。
 
    這種系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它將以設(shè)定的間隔（例如每分鐘或每幾個(gè)小時(shí)）獲取數(shù)據(jù)。這允許經(jīng)常在幾天，幾周或幾個(gè)月的時(shí)間內(nèi)測(cè)量振動(dòng)。然后可以趨向于這些振動(dòng)測(cè)量以揭示導(dǎo)致失敗的模式，從而允許事先采取糾正措施。
 
    手動(dòng)系統(tǒng)是手持式的并且需要操作員在場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，因此這些測(cè)量通常不那么頻繁地進(jìn)行，通常僅在振動(dòng)很大時(shí)才進(jìn)行。
 
    用于分析振動(dòng)問題的其他有用數(shù)據(jù)包括：
    聲音的聲學(xué)讀數(shù)；
    測(cè)量傳感器；
    流量，壓力和溫度的過程變量測(cè)量；
    與相鄰設(shè)備及其運(yùn)行有關(guān)的一般數(shù)據(jù)；
    吹氣閥或安全閥已打開或關(guān)閉的指示；
    控制系統(tǒng)動(dòng)作，例如打開和關(guān)閉閥門，啟動(dòng)和停止泵，或控制過程的其他操作。
 
    通過分析振動(dòng)數(shù)據(jù)并尋找振動(dòng)與變化過程條件之間的相關(guān)性，工程師可以確定振動(dòng)的根本原因。
 
圖：振動(dòng)和聲級(jí)隨時(shí)間變化的曲線圖，與工藝變化相比 - 例如打開和關(guān)閉閥門 - 可以識(shí)別過度振動(dòng)的來源。
圖：振動(dòng)和聲級(jí)隨時(shí)間變化的曲線圖，與工藝變化相比 - 例如打開和關(guān)閉閥門 - 可以識(shí)別過度振動(dòng)的來源。
 
    分析數(shù)據(jù)
    來自振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)可以發(fā)送到過程工廠的控制和監(jiān)控系統(tǒng)，但分析可能很困難，因?yàn)樗ǔＰ枰咚降膶I(yè)知識(shí)，以及專門的培訓(xùn)和工具，以從數(shù)據(jù)中提取可用信息。
 
    計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）是一種用于預(yù)測(cè)流體行為的軟件工具。CFD無法預(yù)測(cè)AIV頻率下管道系統(tǒng)中的聲場(chǎng)。雖然這些軟件程序可提供執(zhí)行預(yù)測(cè)性維護(hù)的選項(xiàng)，但結(jié)果通常與傳感器測(cè)量的實(shí)際聲場(chǎng)相比較差。
 
    比CFD更好的解決方案或操作員查看控制和監(jiān)控系統(tǒng)屏幕的分析是專業(yè)分析軟件，它可以減少振動(dòng)分析的復(fù)雜性，通過單一趨勢(shì)提供簡單，可靠的設(shè)備健康指示。一個(gè)這樣的軟件過濾掉傳統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)，專注于影響，這是一個(gè)更好的整體資產(chǎn)健康指標(biāo)。使用該軟件，分析振動(dòng)數(shù)據(jù)的頻率，位移幅度，速度和加速度，振動(dòng)特性和振動(dòng)隨時(shí)間的變化。
 
    例如，軟件在頻譜中尋找峰值。峰值是激發(fā)的系統(tǒng)的響應(yīng)中的共振的指示，或者是在音調(diào)處產(chǎn)生的激勵(lì)。
 
    在音調(diào)處產(chǎn)生激勵(lì)的示例，壓縮器可能在一組頻率處產(chǎn)生信號(hào)，因此在那些頻率處的響應(yīng)指示對(duì)輸入的響應(yīng)。如果激勵(lì)是湍流，并且存在測(cè)量振動(dòng)的峰值，則這將是共振的指示。如果振動(dòng)很寬，則表明流動(dòng)中存在強(qiáng)烈湍流的區(qū)域。根據(jù)激勵(lì)和響應(yīng)的類型，緩解措施會(huì)有所不同，因此精確識(shí)別問題非常重要。
 
    如果振動(dòng)水平隨時(shí)間增加，則表示系統(tǒng)發(fā)生變化。工廠人員可以使用此信息來探索過程設(shè)置的變化，從而將振動(dòng)降低到可接受的水平。他們還可以識(shí)別一組工藝條件的高振動(dòng)水平，并通過設(shè)置導(dǎo)致這些條件限制工藝運(yùn)行的時(shí)間。
 
    振動(dòng)的增加也可以表明即將發(fā)生或存在結(jié)構(gòu)性故障。該軟件結(jié)合系統(tǒng)知識(shí)可以揭示這些類型的故障，并將其與其他故障模式區(qū)分開來。
 
    傳感器的振動(dòng)強(qiáng)度和聲級(jí)隨時(shí)間的曲線顯示了與過程變化相關(guān)的突然幅度增加。
 
    在另一種情況下，在研究致動(dòng)器管道損壞的原因時(shí)，分析顯示計(jì)算指標(biāo)與過程壓力之間存在直接關(guān)聯(lián)。當(dāng)指示器達(dá)到最大值時(shí)，管道失效。
 
圖：在蒸汽泄放系統(tǒng)上安裝了無線振動(dòng)傳感器，以分析導(dǎo)致裂縫失效的振動(dòng)原因。
圖：在蒸汽泄放系統(tǒng)上安裝了無線振動(dòng)傳感器，以分析導(dǎo)致裂縫失效的振動(dòng)原因。
 
    解決蒸汽泄漏系統(tǒng)振動(dòng)問題
 
    明尼蘇達(dá)州的一家乙醇工廠多年來一直受到蒸汽泄放系統(tǒng)的振動(dòng)問題的困擾，該系統(tǒng)影響了閥門，管道，擴(kuò)散器和蒸汽集管。在流入蒸汽擴(kuò)散器之前，減壓系統(tǒng)將蒸汽壓力從125 psig降低到12至14 psig。
 
    具體問題包括蒸汽擴(kuò)散器上或周圍的重復(fù)焊接和部件故障，這些故障困擾工廠并導(dǎo)致意外停機(jī)。對(duì)擴(kuò)散器的維修費(fèi)用為70,000美元，閥門維修費(fèi)用為28,000美元，安裝蒸汽分離器的費(fèi)用為60,000美元。每次系統(tǒng)不得不關(guān)閉進(jìn)行維修時(shí)，公司將損失10萬美元的生產(chǎn)成本。
 
    工廠改變了擴(kuò)散器，嘗試了不同的材料，將閥門移離擴(kuò)散器，并在顧問處召集。沒有任何效果。獨(dú)立振動(dòng)分析表明振動(dòng)水平高但沒有確定原因。
 
    雖然閥門不是費(fèi)希爾閥門，但上海自動(dòng)化儀表有限公司派出工程師來測(cè)量振動(dòng)并分析問題。他們?cè)陂y門的上游和下游以及閥門和執(zhí)行器上安裝了無線振動(dòng)傳感器。關(guān)聯(lián)振動(dòng)數(shù)據(jù)，操作信息和歷史數(shù)據(jù)表明，問題不是由閥門引起的，而是與過程變化直接相關(guān)。
 
    具體而言，擴(kuò)散器尺寸過大，導(dǎo)致壓力過大。通過檢查來自振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)和來自擴(kuò)散器的操作數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了這種相關(guān)性。
 
    概要
    過度振動(dòng)會(huì)損壞閥門，執(zhí)行器和管道。雖然傳感器可以測(cè)量振動(dòng)，但找出問題的根本原因可能很困難。在許多情況下需要的是用于分析振動(dòng)，過程數(shù)據(jù)和廣泛領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)的專業(yè)軟件，以將振動(dòng)數(shù)據(jù)與過程條件相關(guān)聯(lián)。如果內(nèi)部沒有這種專業(yè)知識(shí)，上海自動(dòng)化儀表股份有限公司專家通常可以提供所需的幫助。