解析控制阀内部和周围振动产生的原因以及查明问题的方法

来源：上海自动化仪表有限公司作者：发表时间：2018-10-08 09:45:25【小中大】

控制阀装置附近的振动可以源自许多来源。以下是查明问题的方法。

上海自动化仪表股份有限公司技术人员在带有噪声微调和通风扩散器的截止阀上安装加速度计，将振动转换为噪声。

过度振动会导致控制阀，测量设备和管道系统损坏。工厂经常试图通过测量振动，移动设备，加强阀门结构，重新焊接破裂的管道，更换管道系统和其他补救措施来解决问题 - 只是发现问题仍然存在。

这是因为通常很难找到振动源，这种振动源不仅可以来自控制阀，还可以来自上游和下游管道和设备。

本文将讨论现代技术，以帮助监控，预测和解决控制阀附近振动引起的问题。

图：控制阀振动导致阀杆断裂。

振动源

在控制阀安装中经历的振动可能是由泵空化，流动脉动，流动引起的激励，涡旋脱落，快速阀门关闭，蒸汽袋坍塌，泵启动和关闭，团状流，水锤和许多其他难以诊断条件。

例如，阀塞可能会振动并导致保持架损坏，或者它可能导致疲劳失效，例如阀杆在连接到阀塞的地方断裂。保持架损坏的结果可能是更高的摩擦，因此阀组件性能差。如果阀杆断裂，则阀门停止工作。

在某些情况下，阀门和管道可能会如此严重地震动，以至于工人们害怕靠近系统，因为管道会爆裂。在其他情况下，产生的阀门噪音过大。

两种常见类型的振动与控制阀安装相关联。声学诱导振动（AIV）会产生过高水平的高频声能，这会导致焊接下游连接器的疲劳失效。这在液体天然气紧急排污系统中经常出现，但在其他工艺管道系统中也可以找到。阀门和其他管道元件产生的噪音水平足够高，可能对管道系统造成破坏性振动。

流体诱导振动（FIV）产生高水平的动能，可能导致管道振动，松动管道支撑并导致管道支管疲劳失效。

过度振动会损坏控制阀的附件，例如安装支架，执行器管，变送器和执行器。致动器管可能在螺母/套圈位置处或附近遭受疲劳失效，导致管中的压力损失。在管道中没有压力的情况下，不能控制致动器或控制部件之间的压力信号丢失。在任何一种情况下，阀门都不再按设计运行。

振动还可能导致附近测量组件的疲劳失效，例如安装在下游或上游管道中的压力或温度仪表。这种振动会损坏仪器或降低仪器与管道的连接。仪器损坏可能导致测量信号丢失，并且连接到管道的故障可能导致泄漏。

振动会导致管道疲劳失效，特别是在焊缝和分支处。至少，由于产生的噪音，振动很烦人。在最坏的情况下，振动会破坏管道，导致泄漏并阻止阀门控制过程。在任何一种情况下，最困难的问题之一是确定导致振动的原因。

图：流体引起的振动和声振引起的振动会破坏焊接，松开管道支撑，引起疲劳问题并关闭工艺。

测量振动：

利用放置在阀和致动器组件上以及阀的上游和下游的不同点处的加速计来测量振动。虽然可以使用手持设备测量振动，但首选解决方案是使用无线电池供电的加速度计。

较旧的振动传感器通常用于发现可能不适合诊断阀门振动的电机，泵和其他旋转设备中的问题。这些振动传感器通常在1,000赫兹（Hz）或更低的低频范围内工作，而控制阀AIV可以达到3至5千赫兹甚至更高的水平。

安装振动传感器有两个基本原因：首先，测量阀门内部和周围的振动并评估其在不同位置的严重程度；第二，在采取纠正措施后评估振动的变化和减少。

在大多数情况下，传感器安装在阀盖，阀杆连接器，执行器或入口和出口管道上。如果在一个区域中发生特定损坏或高振动，则传感器通常安装在感兴趣的区域附近。在热系统（例如蒸汽管线）的情况下，传感器具有安装件以将传感元件与高温隔离。

传感器放置也可以由识别高噪声源的声学测量决定。为了确定噪声源是否在阀门的上游 - 然后噪声传播通过系统 - 传感器可以安装在阀门的上游和下游，以及阀杆上。

如果在阀门旁边发现最高振动水平，则噪声的来源或原因很可能是阀内件组件。

如果最高振动是下游，则问题可能是紧密耦合的系统，其中阀门太靠近弯头和其他设备，导致流动引起的湍流。管道系统有时在阀门入口附近设计有弯头或三通。不幸的是，这提供了进入阀门的湍流，这可能导致比阀门中的典型振动更多的振动以及阀门下游的管道中的额外湍流，从而引起过度振动。

类似地，管道可以设计成直接在阀门下游放置弯头或三通的位置。来自阀出口的流动可与管道元件相互作用，从而引起高湍流和振动。这两种情况都可以通过在阀门的上游或下游移动管道元件来解决。一般情况下，最好保持肘部前至少20个直径和6个直径。

现代无线振动传感器提供完整的振动数据，包括总体水平，能带，高分辨率光谱和波形。有些传感器可以测量高达20,000 Hz的振动，并通过无线网络将测得的振动数据传输到工厂的控制和监控系统或基于PC的软件进行分析。如果需要，PC可以将数据上传到云，可以从任何可以访问互联网的位置访问云。

这种系统的一个优点是它将以设定的间隔（例如每分钟或每几个小时）获取数据。这允许经常在几天，几周或几个月的时间内测量振动。然后可以趋向于这些振动测量以揭示导致失败的模式，从而允许事先采取纠正措施。

手动系统是手持式的并且需要操作员在场进行测量，因此这些测量通常不那么频繁地进行，通常仅在振动很大时才进行。

用于分析振动问题的其他有用数据包括：

声音的声学读数；

测量传感器；

流量，压力和温度的过程变量测量；

与相邻设备及其运行有关的一般数据；

吹气阀或安全阀已打开或关闭的指示；

控制系统动作，例如打开和关闭阀门，启动和停止泵，或控制过程的其他操作。

通过分析振动数据并寻找振动与变化过程条件之间的相关性，工程师可以确定振动的根本原因。

图：振动和声级随时间变化的曲线图，与工艺变化相比 - 例如打开和关闭阀门 - 可以识别过度振动的来源。

分析数据

来自振动传感器的数据可以发送到过程工厂的控制和监控系统，但分析可能很困难，因为它通常需要高水平的专业知识，以及专门的培训和工具，以从数据中提取可用信息。

计算流体动力学（CFD）是一种用于预测流体行为的软件工具。CFD无法预测AIV频率下管道系统中的声场。虽然这些软件程序可提供执行预测性维护的选项，但结果通常与传感器测量的实际声场相比较差。

比CFD更好的解决方案或操作员查看控制和监控系统屏幕的分析是专业分析软件，它可以减少振动分析的复杂性，通过单一趋势提供简单，可靠的设备健康指示。一个这样的软件过滤掉传统的振动信号，专注于影响，这是一个更好的整体资产健康指标。使用该软件，分析振动数据的频率，位移幅度，速度和加速度，振动特性和振动随时间的变化。

例如，软件在频谱中寻找峰值。峰值是激发的系统的响应中的共振的指示，或者是在音调处产生的激励。

在音调处产生激励的示例，压缩器可能在一组频率处产生信号，因此在那些频率处的响应指示对输入的响应。如果激励是湍流，并且存在测量振动的峰值，则这将是共振的指示。如果振动很宽，则表明流动中存在强烈湍流的区域。根据激励和响应的类型，缓解措施会有所不同，因此精确识别问题非常重要。

如果振动水平随时间增加，则表示系统发生变化。工厂人员可以使用此信息来探索过程设置的变化，从而将振动降低到可接受的水平。他们还可以识别一组工艺条件的高振动水平，并通过设置导致这些条件限制工艺运行的时间。

振动的增加也可以表明即将发生或存在结构性故障。该软件结合系统知识可以揭示这些类型的故障，并将其与其他故障模式区分开来。

传感器的振动强度和声级随时间的曲线显示了与过程变化相关的突然幅度增加。

在另一种情况下，在研究致动器管道损坏的原因时，分析显示计算指标与过程压力之间存在直接关联。当指示器达到最大值时，管道失效。

图：在蒸汽泄放系统上安装了无线振动传感器，以分析导致裂缝失效的振动原因。

解决蒸汽泄漏系统振动问题

明尼苏达州的一家乙醇工厂多年来一直受到蒸汽泄放系统的振动问题的困扰，该系统影响了阀门，管道，扩散器和蒸汽集管。在流入蒸汽扩散器之前，减压系统将蒸汽压力从125 psig降低到12至14 psig。

具体问题包括蒸汽扩散器上或周围的重复焊接和部件故障，这些故障困扰工厂并导致意外停机。对扩散器的维修费用为70,000美元，阀门维修费用为28,000美元，安装蒸汽分离器的费用为60,000美元。每次系统不得不关闭进行维修时，公司将损失10万美元的生产成本。

工厂改变了扩散器，尝试了不同的材料，将阀门移离扩散器，并在顾问处召集。没有任何效果。独立振动分析表明振动水平高但没有确定原因。

虽然阀门不是费希尔阀门，但上海自动化仪表有限公司派出工程师来测量振动并分析问题。他们在阀门的上游和下游以及阀门和执行器上安装了无线振动传感器。关联振动数据，操作信息和历史数据表明，问题不是由阀门引起的，而是与过程变化直接相关。

具体而言，扩散器尺寸过大，导致压力过大。通过检查来自振动传感器的数据和来自扩散器的操作数据，发现了这种相关性。

概要

过度振动会损坏阀门，执行器和管道。虽然传感器可以测量振动，但找出问题的根本原因可能很困难。在许多情况下需要的是用于分析振动，过程数据和广泛领域专业知识的专业软件，以将振动数据与过程条件相关联。如果内部没有这种专业知识，上海自动化仪表股份有限公司专家通常可以提供所需的帮助。

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