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安全阀检测新技术的理论与实验研究

郭崇志  
【摘要】:安全阀在线检测技术是为了解决大型生产装置运行周期不断延长,其中安全泄放装置的检验周期却有严格限制(一年一检)的矛盾,为保障生产装置长周期运行的安全、可靠性而提出的技术措施。英国FURMANITE公司20世纪80年代率先提出了第一种在线检测技术装备, TREVITEST。至今几乎所有商用安全阀检测技术的核心都来自这一技术,即借助外力促使安全阀的阀芯开启,判断开启状态的同时利用计算机数据采集系统进行检测,实现不拆卸的现场校验(整定压力)。该技术存在的问题是检测实施的开敞性、开启状态判断的随意性、开启后可能降低密封性、无法对剧毒、有害、易燃、易爆、贵重介质实施检测等。 本文提出一种不强行开启就可以实现安全阀检测的新技术,即利用安全阀内部结构构件本身的工作特性,在不改变原有内部结构功能的前提下,实现检测的新技术,已获中国国家发明专利授权(ZL200510033124.0)。 有关安全阀检测技术的文献资料调研表明,现有国内外公开的有关安全阀技术研究文献主要集中于理论和应用两方面。其中理论研究主要集中于前苏联时期,重点是研究安全阀的超压泄放原理和结构稳定性等基础理论。应用方面以使用检验、经验交流为主,文献数量巨大。国内对安全泄放理论的基础研究落后国外多年,目前最先进的研究也还只停留在流场模拟方面。国外目前已开始利用混沌理论研究安全阀的超压泄放机理,只是研究还局限于不可压缩流体,对于实用中最重要的可压缩流体安全阀泄放机理的混沌理论研究,目前尚未发现文献。在检测技术应用研究方面,国内文献数量很多,但理论方面的研究几乎没有。在实用技术方面,国外在理论和应用方面公开的文献都较少。 本论文从前述发明专利提出的技术构想出发,在调研的基础上,对专利技术实施的理论和实践(实验室和现场试验)两方面进行了较为深入的研究,最终将发明专利的技术构想变成了现实,并且提出了若干新的分析方法与实施技术。 理论研究方面,利用现代设计学的基本理论,进行了创新技术研究,通过创建形态学矩阵,建立若干功能原理解,得到了专利技术可行方案集,评估后,选择了可行研究方案。以此为基础,研究了安全阀中最重要的弹簧构件的数值模拟技术,提出了详细的分析和实验结果,对检测技术实施合理性进行了评价。在对阀芯功能扩展的理论研究中,重点利用板壳理论研究阀芯薄膜传感器,在提出新的边界条件和求解方程的基础上,解决了承受线分布集中力的薄壁板壳传感器的理论分析问题,从结构强度、刚度、检测灵敏度等方面提出了计算公式;理论方面的进展还包括对现场试验展示的新现象给出了合理的物理解释,并以此提出了试验数据整理新方法。 在应用方面,主要完成了实验室测试和现场运行试验技术研究。在实验方面,本论文提出了一种新的标定校验模型来解决阀芯传感器所遇到的参数标定问题,解决了阀芯传感器运行前的性能评估问题。在运行试验方面,利用两套检测系统进行了若干组阀芯传感器的现场试验,获得了若干原始数据,并发现了前人未提及的新现象。在寻求合理的物理解释过程中,提出了试验数据修正的新方法和新性能曲线,使原来仅有弹簧力和升力的传统安全阀两特性曲线描述产生了各种丰富变化,更全面地刻画了安全阀的特性,对安全阀泄放机理获得了新认识。具体而言,就是: 1、全启式安全阀反冲盘可实现辅助开高的机理,源于阀芯与反冲盘接触部位开启过程中接触力下降,下降的轴向力在气体泄放过程中被转移到了反冲盘,形成反冲(气体)轴向力,这是安全阀反冲盘实现辅助开高,操作压力不用增加太多就可以获得充分大的开启高度和能量的根本原因。据此可定量计算反冲力,也可定量评估安全阀性能; 2、全启式安全阀开启过程中惯性力产生的机理,源于开启阶段阀芯下膜持续增长的压力轴向力与反冲盘接触区域的轴向力下降导致的力不平衡。由此发现了开启过程中阀芯上下受力不平衡现象,同时得到了定量计算方法。不平衡力的方向沿着下膜指向上膜,导致阀芯等运动部件的运动加速度和惯性力。 回座过程也可进行类似理解。据此可定量评估和计算惯性力及其影响。


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