CN103246248A - 估计密封件的有效寿命的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本说明书公开了估计过程控制装置中的密封件的有效寿命的方法和装置。一个示例的方法包括，创建过程控制装置中的杆或轴的多个行程范围。每个行程范围对应于该进程控制装置的密封件在每个运行周期中所受压力的不同值。该示例中进一步地包含确定与上述每个行程范围相关的各运行周期的计数值，并基于上述计数值，估计该密封件已消耗的有效寿命总量。

Description

估计密封件的有效寿命的方法和装置
技术领域
本公开一般涉及密封件，更特别地，涉及估计密封件的有效寿命的方法和装置。
背景技术
过程控制系统一般采用多个过程控制装置来控制过程。该过程控制装置通常包括在控制过程中承受压力的密封件(例如，波纹管密封件)。随着时间的推进，这些压力可能导致密封件失灵。密封件的有效寿命可受诸多因素影响，例如应力幅度、密封件的形状、环境条件(例如，温度、压强、腐蚀等)，和/或其它因素。在运行时，这些因素经常变化，进而导致密封件的有效寿命可能各不相同。通过定期视觉地检查和/或替换密封件，可避免密封件的意外失灵。然而，密封件经常在其被替换前失灵，或密封件在其有效寿命被消耗完的相当长之前就被替换。
发明内容
估计过程控制装置中的密封件的有效寿命的示例方法包括，确定该过程控制装置中杆或轴的多个运行周期，并确定与每个运行周期中密封件所受的压力相对应的一个值。该示例方法更进一步地包括根据每个上述值，估计该密封件已消耗的有效寿命总量。
另一个估计过程控制装置中的密封件的有效寿命的示例方法包括，创建该过程控制装置中杆或轴的多个行程范围。每个行程范围对应于运行周期中该密封件所受的不同压力。该示例方法进一步地包括，确定与每个行程范围相关的运行周期计数，并根据这些计数，估计该密封件已消耗的有效寿命总量。
附图说明
图1举例说明一个范例的过程控制系统，本公开的教导可在其中实施。
图2A描述了一个范例的过程控制装置，其可用来实施本说明书中公开的示例方法。
图2B为图2A中的范例的过程控制装置的横截面视图。
图3为表，其举例说明了示例的预定的估计寿命周期值，该值可被用来实施本说明书中公开的示例方法。
图4为流程图，其表现了本说明书中公开的一个示例方法。
图5为流程图，其表现了本说明书中公开的另一个示例方法。
图6为流程图，其表现了本说明书中公开的另一个示例方法。
图7为流程图，其表现了本说明书中公开的另一个示例方法。
具体实施方式
尽管下文作为例子的装置和方法是与波纹管密封件相结合描述的，但是，作为例子的装置和方法亦可以用于承受压力的任何其它密封件。在工业过程中(例如，油气配给系统，化学加工工厂等)，通常由许多过程控制装置诸如线性阀来控制过程。一般而言，过程控制装置包含密封件以避免流体泄漏。例如，线性阀通常包含耦合于滑动杆的阀塞以控制流体流动，并包含波纹管密封件以避免流体泄漏。在运行时，该杆移动并通常使密封件承受负载，因而承受压力。一般而言，上述压力导致密封件的结构性破坏(例如微小裂纹)，同时在长期内可能导致密封件疲劳和突发故障。密封件的有效寿命可能受到许多因素的影响，诸如应力幅值、负载个数、密封件形状、密封件材料类型、密封件内部瑕疵、环境条件(例如压强、温度、腐蚀、侵蚀等)和/或其它因素。在运行时，过程控制中的杆移动距离、杆位置、环境条件，和/或其它条件可能不尽相同。
本说明书中公开的示例装置和方法可以用来估计过程控制装置中密封件的有效寿命。本说明书中公开的一个示例方法包括，确定过程控制装置中的杆或轴的多个运行周期，并确定与密封件在各个运行周期中所受压力相对应的一个值。该示例方法进一步地包括根据每个上述值，估计该密封件已消耗的有效寿命总量。在一些例子中，根据估计的密封件已消耗的有效寿命总量，可以估计该密封件剩余的有效寿命。
估计密封件的有效寿命总量包括确立该过程控制装置的该杆或轴的多个行程范围。每个行程范围对应到不同的值，且这些值对应于密封件所受的压力。每个值可与行程范围中的唯一一个相对应，同时可确定每个行程范围所对应的值的计数。对于每个计数和其相对应的行程范围，可计算比率。在一些例子中，计算上述比率的方法为，将每个计数结果除以一预定的估计寿命周期值，该估计寿命周期值与该计数关联的行程范围所对应。进而，将上述比率相加，以确定表示密封件已消耗有效寿命总量的值。
图1举例说明了某个可用于实施本说明书中公开的示例装置和方法的范例过程控制系统100。范例过程控制系统100包含任何数量的过程控制装置102，例如输入和/或输出装置。在一些例子中，输入装置包含阀、泵、风扇、加热器、冷却器、混合器，和/或其它装置。输出装置包含温度计、压强计、浓度计、流位计、流量计、气体传感器、阀定位器，和/或其它装置。输入和输出设备通信连接到控制器104(例如，DeltaVTM控制器)。控制器104向输入装置传输指令，以控制过程，并接收和/或收集输出装置发出的信息(例如，测得的过程信息，环境信息，和/或输入装置信息等)。控制器104生成通知、预警信息，和/或其它信息，输入和输出装置可被无线通信连接至控制器104。控制器104也被通信连接至工作站108，该工作站包含显示过程控制信息(例如测得的过程控制信息、预警信息等)的界面110。尽管图1中展示的是单一控制器104，范例系统100可包含一个或更多的控制器，而不偏离本公开的教导范围。
图2A和2B描述了一个可用于实施本说明书中公开的示例方法的范例过程控制装置200。图2A和2B中描述的范例过程控制装置200为一个线性阀。其它具有在运行时承受压力的密封件的过程控制装置(例如，一个具有轴的旋转阀)同样可被用于实施本说明书中公开的示例方法。范例过程控制装置200包含滑动杆202和用来移动滑动杆202的致动器204。范例过程控制装置200还包含数字阀定位器206(“DVP”)(例如，
Figure BSA00000860439700041
FIELDVUETM DVC6200p数字式阀门控制器)，用来收集和确定信息，例如杆202的位置、杆行程的方向、运行周期的计数，和/或其它信息。在运行时，DVP206将信息传输至控制器104并从控制器104处接收指令。
图2B为图2A中过程控制装置200中一部分的局部、横截面图。过程控制装置200包含一个波纹管密封件208以实现流体密封。在运行中，过程控制装置200运行多个运行周期。在一些作为例子的运行周期中，致动器204从第一方向(例如，沿图2A和2B中向上的方向)将杆202从第一位置移动至第二位置，DVP206确定运行周期，并确定与密封件208在该运行周期中所受压力相对应的值。
例如，当杆202处于第一位置时，DVP206确定杆202的位置。随着杆202沿第一方向从第一位置开始移动，DVP206识别出该运行周期开始。当杆202到达第二位置，DVP206再次确定杆202的位置。当杆202沿着与第一方向相反的第二方向从第二位置开始移动，DVP206识别出该运行周期结束，以及从第二位置开始的另一个运行周期开始。
接下来，DVP206确定与密封件208在该运行周期中所受压力相对应的值。在一些例子中，与密封件208在运行周期中所受压力相对应的值，为杆202在运行周期中的运行行程。通过确定第一位置与第二位置间的距离，DVP206确定杆202在运行周期中的运行行程。
在另一些例子中，密封件208在运行周期中所受压力所对应的值，为在运行周期中，与当密封件208所受压力大致为零时杆202所处位置相距最远的杆202的位置。在上述例子中，通过确定第一位置相较于第二位置，是否与密封件208所受压力大致为零时杆202所处位置相距更远，DVP206得以确定与当密封件208所受压力大致为零时杆202所处位置相距最远的杆202的位置。在列举的例子中，当密封件208所受压力大致为零时，杆202的位置是完全关闭位置(例如，0英寸)。相对于完全关闭位置，第二位置(例如，0.25英寸)比第一位置(例如，0.1英寸)距离更远，因此，第二位置为与密封件在运行周期中所受压力相对应的值。
在每个运行周期中，波纹管密封件208承受负载，因而承受压力。这导致密封件208的有效寿命在各个运行周期中被部分消耗。运行周期中的有效寿命消耗的量受到如下内容的影响：杆202在运行周期中的行程距离；在运行周期中，与密封件208所受压力大致为零时杆202所处位置的杆202的相对位置；杆202的直径；过程条件诸如温度和压力；和/或其它因素。
图3为表300，其举例说明了波纹管密封件的范例的预定的估计寿命周期值。通过测试多个与范例过程控制装置100相似或相同的其它过程控制装置，确定该预定的估计寿命周期值。在每个测试中，一个上述相似或相同的过程控制装置的杆在每个运行周期中移动一段预设的行程距离，直至该过程控制装置的密封件失灵。杆从一个密封件所受压力大致为零时的位置开始移动和移动到该位置，抵达与密封件所受压力大致为零时的杆位置相距某预定距离的第二位置。在每个测试的过程中，温度和/或压强(例如，100华氏度和150磅/平方英寸)可基本保持不变。例如，某个相似或相同的过程控制装置的杆在每个运行周期中运行0.21英寸的行程，在8,000,000个运行周期后，该过程控制装置的密封件失灵。因此，预定的估计寿命周期的值是8,000,000个运行周期。通过测试其它相似或相同的过程控制装置，能够确定多个预定的估计寿命周期的值。基于实验测得的估计寿命周期值的图(未标明)，现行的曲线拟合技术可被用于确定其它预定的估计寿命周期值。如下文中更详尽的描述，该预定的估计寿命周期值被用于估计过程控制系统100的过程控制装置200中密封件208的有效寿命。
图4、5、6、7为表现了本说明书中公开的示例方法的流程图。图4、5、6、7的示例方法中的部分或全体可被处理器、控制器104和/或任何其它合适的处理装置执行。在一些例子中，图4、5、6、7的示例方法中的部分或全体体现为代码指令，该代码指令储存在可被机器访问或读取的有形介质，例如闪存、只读存储器和/或随机存取存储器中。可替代地，图4、5、6、7的示例方法中的部分或全体可由专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程逻辑器件(FPLD)、离散逻辑元件、硬件、固件的任何形式的组合所实现。同时，图4、5、6、7中所描述的一个或多个操作可人工实现，或作为前述技术的任何组合实现，例如固件、软件、离散逻辑元件和/或硬件的任何形式的组合。此外，尽管示例方法依照图4、5、6、7中举例说明的流程图来描述，但是示例方法可以采用许多其它方法来实现。例如，块间的执行顺序可以被改变，和/或部分所述块可被改变、删除、细分或相互组合。另外，图4、5、6、7的示例方法中的部分或全体可顺序执行和/或并行执行，例如由分离的处理线程、处理器、器件、离散逻辑元件、电路等执行。
根据图1-3、图4中的示例方法或过程400从确定多个运行周期(块402)开始。在一些例子中，一个运行周期为杆202沿一个方向从第一位置移动到第二位置。在运行中，杆202在执行多个运行周期时，移动不同的距离。DVP206通过确定杆202沿上述一个方向从上述第一位置移动到第二位置时的移动，确定上述运行周期中的一个。在块404中，确定了与密封件208在每个运行周期中所受压力相对应的值。在一些例子中，与密封件208在每个运行周期中所受压力相对应的上述值为杆202在每个运行周期中的行程距离。例如，DVP206确定杆202在第一位置的位置，杆202在第二位置的位置，并接下来确定第一位置与第二位置间的距离。
在另一些例子中，与密封件208在运行周期中所受压力相对应的值，为在运行周期中，与当密封件208所受压力大致为零时杆202所处位置相距最远的杆202的位置。基于与各运行周期对应的上述各值，可估计密封件208已消耗的有效寿命总量(块406)。在一些例子中，估计的已消耗的有效寿命总量为分数和/或百分比。
块408中确定已消耗的有效寿命总量是否小于百分之一百。如果估计的已消耗的有效寿命总量为百分之一百或更多，将发送预警消息(块410)。例如，DVP206和/或控制器104生成并向工作站108发送预警消息，该预警消息通过界面110显示。如果估计的已消耗的有效寿命总量小于百分之一百，则确定已消耗的有效寿命总量是否大于或等于某预定的百分比(块412)。如果估计的已消耗的有效寿命总量大于或等于该预定百分比，将发送预警信息(块410)。例如，可设置DVP206和/或控制器104，使其在估计的已消耗的有效寿命总量为百分之八十时，生成并向工作站108发送预警消息。如果估计的已消耗的有效寿命总量小于百分之一百且小于上述预定百分比，则示例方法400回到块402。
图5是一个流程图，表示示例过程或示例方法500，以基于该值(块406)来估计密封件208有效寿命总量。在块502中，确立了多个行程范围。每个行程范围可与不同的值相对应，该值与密封件所受压力相对应。例如，某行程范围可为0英寸至0.21英寸，另一行程范围可为0.22英寸至0.28英寸。在块504中，每个值与行程范围中的唯一一个对应。例如，如果DVP206确定与密封件208所受压力相对应的值为0.20英寸，则值0.20英寸对应于0英寸至0.21英寸的行程范围。在一些例子中，由确定杆202在每个运行周期中的行程距离来确定上述值。在另一些例子中，确定上述值的方法为，确定杆202在每个运行周期中，与当所受压力大致为零时(例如，完全封闭的位置)杆202所处位置相距最远的杆202的位置。在块506中，确定与每个行程范围相对应值的计数。例如，如果DVP206将值0.20英寸与0英寸至0.21英寸的行程范围相对应，则DVP206确定与行程范围0英寸至0.21英寸相对应的值的计数增加一。
在块508中，对于每个计数和其对应的行程范围，计算比率。在一些例子中，上述比率包括将每个计数除以预定的估计寿命周期值，该值对应于与上述计数相关的行程范围。通过测试与范例过程控制系统100相似或相同的多个其它过程控制装置，可确定预定的估计寿命周期值。例如，相似或相同的过程控制系统可用杆和波纹管密封件进行测试，与该密封件在每个运行周期经受压力大致为零的位置(图3)相比，上述波纹管密封件具有离开或到达这一位置0.21英寸的行程距离。相似或相同的过程控制装置的波纹管密封件在8,000,000个运行周期后失灵。因此，上述预定的估计寿命周期值为8,000,000，且与0英寸至0.21英寸的行程距离相对应。在操作中，对于示例控制系统100的过程控制设备200，如果DVP206确定与0英寸至0.21英寸的行程范围相关的3,000,000个值的计数，那么该比率等于3000000/8000000或者3/8。在块510中，将上述比率相加，从而确定表示密封件208消耗的有效寿命总量的值(例如，9/10，90％等)。
在一些例子中，估计寿命周期值至少部分基于与过程控制装置相关的过程条件，例如温度和/或压力。例如，可在与范例过程控制系统100的过程控制装置200将要经受的压力和/或温度基本相同的压力和/或温度下，测试上述相似或相同的过程控制装置。
图6为一张流程图，其表示估计密封件208的剩余有效寿命的一个示例过程或示例方法600。示例过程或示例方法600从确定过程控制装置200的杆202的多个运行周期开始(块602)。在块604中，可确定与密封件208在每个运行周期中所受压力相对应的一个值。在块606中，基于每个上述值，可估计密封件208已消耗的有效寿命总量。接下来，可基于上述密封件208已消耗的有效寿命总量，估计密封件208剩余的有效寿命(块608)。
例如，如果估计的密封件208的已消耗有效寿命总量为90％，则密封件208的剩余有效寿命为10％。在一些例子中，估计密封件208的剩余有效寿命包括：确定运行周期的频率，并基于密封件208的已消耗的有效寿命和运行周期的频率，计算密封件208的剩余有效寿命。例如，如果DVP206确定运行周期的频率为每周100,000且密封件208的剩余有效寿命在9周后已消耗90％，则在上述确定频率下，密封件208的剩余有效寿命为100,000个运行周期或一周。在一些例子中，密封件208的剩余有效寿命以小时、天、周、月，和/或任何其它合适的单位(例如，7天)为单位。
在块610中，可确定估计的剩余有效寿命是否大于某预定量。如果估计的剩余有效寿命大于该预定量，示例方法600回到块602。如果估计的剩余有效寿命不大于该预定量，则发送预警消息(块612)。例如，如果预定量等于估计的剩余有效寿命，则DVP206和/或控制器104向工作站发送预警消息。
图7为流程图，其表示本说明书中公开的另一个示例过程或示例方法700。示例过程或示例方法700开始于创建过程控制装置200中杆202的多个行程范围(块702)。各个行程范围对应于不同值，上述不同值对应于过程控制装置200的密封件208在运行周期中所受压力。例如，行程范围可为0英寸至0.21英寸，以及0.22英寸至0.28英寸。在块704中，确定与每个行程范围相对应的运行周期的计数。例如，DVP206确定与密封件208在一个运行周期中所受压力相对应的该运行周期和值。在一些例子中，通过确定杆202在运行周期中的运行距离，确定上述值。在另一些例子中，确定上述值的方法为，确定在上述运行周期中，与当密封件208所受压力大致为零时(例如，完全封闭的位置)的杆202所处位置相距最远的杆202的位置。如果与密封208在运行周期中所受压力相对应的值为0.15英寸，则运行周期与0英寸至0.21英寸的行程范围相对应。进而，与0英寸至0.21英寸相对应的运行周期计数增加一。在块706中，基于上述计数，可以估计密封208已消耗的有效寿命总量。例如，可以计算对于每个计数及其相关的行程范围的比率。在一些例子中，计算比率的过程包括将每个计数除以一项根据计数结果相关的行程范围得出的估计寿命周期值(例如图3中所示的预定的估计寿命周期值)。接下来将这些比率相加以确定表示密封件208消耗的有效寿命总量的一个值(例如，90％)。
在块708中，确定估计的已消耗的有效寿命总量是否小于某预定百分比。上述预定百分比可以少于100％。如果估计的已消耗的有效寿命总量不小于上述预定百分比，将发送预警消息(块710)。预警消息先于估计的该密封件的已消耗有效寿命总量达到100％时发送。例如，可设置DVP206和/或控制器104，使其在估计的已消耗的有效寿命总量为90％时，生成并向工作站108发送预警消息。如果估计的已消耗的有效寿命总量小于上述预定百分比，则示例方法700回到块702。
尽管本说明书中已公开某些示例方法和装置例，本发明包含的范围并不限于本说明书中。相反，本发明包含无论字面地或根据等同原则地完全落入所附权利要求的全部生产方法、装置和产品。
本公开结尾处的摘要依据37C.F.R§1.72(b)提供，以使读者快速查明本技术公开的特质。本说明书基于以下认识提交，即本说明书不会被用来解释或限制权利要求的范围或含义。

Claims (20)

1.一种估计过程控制装置中的密封件的有效寿命的方法，其包括：
确定所述过程控制装置的杆或轴的多个运行周期；
确定与所述密封件在每个运行周期中所受的压力相对应的值；以及
基于每个所述值，估计所述密封件已消耗的有效寿命总量。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括，根据所述估计的所述密封件已消耗的有效寿命总量估计所述密封件的剩余有效寿命。
3.如权利要求2所述的方法，其中，估计所述密封件的剩余有效寿命包括，确定所述运行周期的频率，并基于所述密封件已消耗的有效寿命总量和所述运行周期的频率计算所述密封件的剩余有效寿命。
4.如权利要求1所述的方法，其中，估计所述密封件的已消耗的有效寿命总量包括：
创建所述杆或轴的多个行程范围，每个行程范围与所述密封件所受压力所对应的不同值相对应；
将每个所述值对应到唯一一个行程范围；
确定与每个所述行程范围相对应的值的计数；
对于每个计数及其对应的行程范围，计算比率；以及
将所述比率相加，以确定指示所述密封件已消耗的有效寿命总量的值。
5.如权利要求4所述的方法，其中，计算所述比率包括，将每个计数除以预定的估计寿命周期值，所述预定的估计寿命周期值与所述计数所关联的所述行程范围相对应。
6.如权利要求5所述的方法，进一步包括，通过测试与所述过程控制装置相似或相同的多个其它的过程控制装置，确定所述预定的估计寿命周期值。
7.如权利要求1所述的方法，其中，与所述密封件所受的压力相对应的所述值为所述杆或轴的行程距离。
8.如权利要求1所述的方法，其中，与所述密封件所受的压力相对应的值为，在每个所述运行周期中，与当所述密封件所受的压力大致为零时所述杆或轴的位置相距最远的所述杆或轴的位置。
9.如权利要求1所述的方法，进一步包括，将预警消息先于估计的所述密封件的已消耗的有效寿命总量达到百分之一百时发送。
10.一种估计过程控制装置中的密封件的有效寿命的方法，其中包括：
创建所述过程控制装置中的杆或轴的多个行程范围，其中每个行程范围与所述密封件在运行周期中所受的压力所对应的不同值相对应；
确定与每个所述行程范围相对应的运行周期的计数；以及
在所述计数的基础上，估计所述密封件已消耗的有效寿命总量。
11.如权利要求10所述的方法，其中，确定与每个所述行程范围相对应的运行周期的计数包括：
确定多个运行周期；
确定与所述过程控制装置的所述密封件在每个运行周期中所受的压力相对应的值；以及
将每个所述值对应到唯一一个行程范围。
12.如权利要求11所述的方法，其中，估计所述密封件已消耗的有效寿命总量包括：
对于每个计数及其对应的行程范围，计算比率；
将所述比率相加，以确定指示所述密封件有效寿命总量的值。
13.如权利要求12所述的方法，其中，计算所述比率包括，将每个计数除以预定的估计寿命周期值，所述预定的估计寿命周期值与所述计数所关联的所述行程范围相对应。
14.如权利要求10所述的方法，进一步包括，根据所述估计的所述密封件已消耗的有效寿命总量，估计所述密封件的剩余有效寿命。
15.如权利要求14所述的方法，其中，估计所述密封件的剩余有效寿命包括确定所述运行周期的频率，并基于所述密封件已消耗的有效寿命总量和所述运行周期的频率计算所述密封件的剩余有效寿命。
16.如权利要求10所述的方法，其中，与所述密封件所受的压力相对应的所述值为所述杆或轴的行程距离。
17.如权利要求10所述的方法，其中，与所述密封件所受的压力相对应的值为，在所述运行周期中，与当所述密封件所受的压力大致为零时所述杆或轴的位置相距最远的所述杆或轴的位置。
18.一种存储机器可读指令的产品，其中，当所述指令执行时将致使机器：
确定过程控制装置的杆或轴的多个运行周期；
确定与所述过程控制装置中的密封件在每个运行周期中所受的压力相对应的值；以及
根据每个所述值，估计所述密封件已消耗的有效寿命总量。
19.如权利要求18所述的产品，其中，当所述机器可读指令执行时将致使机器：
创建所述杆或轴的多个行程范围，每个行程范围与所述密封件所受压力所对应的不同值相对应；
将每个所述值对应到唯一一个行程范围；
确定与每个所述行程范围相对应的值的计数；
对于每个计数及其对应的行程范围，计算比率；以及
将所述比率相加，以确定指示所述密封件已消耗的有效寿命总量的值。
20.如权利要求18所述的产品，其中，当所述机器可读指令执行时将致使所述机器将每个计数除以预定的估计寿命周期值来计算所述比率，所述预定的估计寿命值与所述计数相关联的所述行程范围所对应。
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