CN108445080A - 控制阀监测系统 - Google Patents
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Abstract
公开了一种控制阀监测系统。所述控制阀监测系统包括至少一个传感器，其连接到阀杆或阀轴中的一个，并且所述至少一个传感器检测所述阀杆或阀轴中的一个的机械完整性的变化。提供了一种用于提供关于所述阀杆或阀轴中的一个的机械完整性的变化的数据的装置，以允许以有效的方式实施所述阀轴或阀杆的维护。
Description
本申请为分案申请，其原申请的申请日是2011年7月21日，申
请号为201110212566.7，发明名称为“控制阀监测系统”。
技术领域
本公开一般涉及控制阀的维护以及，更具体地，涉及一种用于检测控制阀中阀轴与阀杆疲劳的系统。
背景技术
当阀塞或阀盘的位置被来自致动器的力改变时，控制阀调节流体流动的速率。为这样做，控制阀必须：(1)容纳流体而没有向外泄露；(2)具有用于预期服务的充足的容量；(3)能够经受过程的侵蚀、腐蚀、以及温度影响；以及(4)包含适合的端连接以与相邻的管道及致动器连接装置紧密配合，从而允许致动器推力传导到例如阀塞杆或转动轴。
已知有许多类型的控制阀。例如，在过程控制阀领域，滑动阀杆控制阀与转动轴控制阀是众所周知的。滑动阀杆控制阀包括球形阀，该球形阀是具有线性运动截流构件、一个或多个端口、以及由在端口区域附近的球状空腔识别的主体的阀。滑动阀杆控制阀通常采用阀塞用于其截流构件，其被设置在流动路径中以调整流经阀的流体速率。滑动阀杆控制阀还包括阀杆，该阀杆具有连接到截流构件的第一端以及与第一端相对的第二端，该第二端被连接到致动器。
转动轴控制阀是一种在其中流体控制构件，例如全球体、部分球体、球形或盘片，被在流体中转动以控制阀的容量的阀。转动轴控制阀包括对应于球形阀或滑动阀杆阀的阀杆的阀轴。
已知有一些检测转动轴控制阀的阀轴或滑动阀杆控制阀的阀杆中的疲劳以及发生破裂的方法。例如，已知在控制阀阀杆与阀轴上安装应变计，从而核实一旦定位器与致动器已被给予控制信号进行关闭，力或转矩已经被传给该阀。
然而，检测非常小的以至于无法通过例如视觉检查来识别的阀杆或阀轴的破裂是被期望的。还期望可以以比目前方法所允许的更早且更准确地检测阀杆与阀轴的破裂与疲劳。通过这样做，终端用户被提醒控制阀需要替换零件及服务，以促进控制阀的更有效的维护以及更长的有效寿命。
发明内容
控制阀监测系统包括连接到阀杆或阀轴中的一个的至少一个传感器，以及用于提供关于所述阀杆或阀轴中的一个的机械完整性的变化的数据的装置。所述控制阀监测系统的所述至少一个传感器可以是声发射传感器或主动式超声波传感器中的一个。所述声发射传感器可以通过声学特征(acoustic signature)的变化来检测所述阀杆或阀轴中的一个的破裂，并且所述声发射传感器可以被连接至所述阀轴或阀杆的一端。所述至少一个传感器还可以是压电波主动式传感器或压电陶瓷(PZT)传感器中的一个，以使得到所述阀轴或所述阀杆的所述压电波主动式传感器或所述压电陶瓷传感器中的一个的阻抗可以关联于所述阀轴或阀杆的阻抗，以允许所述阀轴或阀杆的机械完整性的变化被检测。
此外，所述压电波主动式传感器或PZT传感器可以被连接至阀控制器与致动器之间的所述阀轴或阀杆的外径。另外，所述至少一个传感器可以是光纤布拉格光栅(FBG)传感器。所述FBG传感器可以测量所述阀轴或阀杆的局部区域的应变。此外，所述FBG传感器可以被连接至阀控制器与致动器之间的所述阀轴或阀杆的外径。另外，所述至少一个传感器可以是无线的。在所述阀杆或阀轴制造期间所述至少一个传感器可以被并入所述阀杆或阀轴。所述至少一个传感器可以通过粘合剂、焊接剂或螺栓中的一个或多个被连接至所述阀杆或阀轴。所述控制阀监测系统还可以包括存储器与电源，以用于所述阀轴或阀杆中的恒定数据收集以及故障报告。
在本公开的另一示例中，一种检测转轴控制阀的阀轴或滑动阀杆控制阀的阀杆的机械完整性的变化的方法包括集成至少一个传感器到阀轴或阀杆；以及使用结构健康监测技术感应所述阀轴或阀杆的疲劳。
附图说明
图1是转动轴控制阀的截面图；
图2是滑动阀杆控制阀的截面图；
图3是图1的转动轴控制阀的阀轴的立体图，该转动轴控制阀具有合并在其中的控制阀监测系统；以及
图4是图1的转动轴控制阀的阀轴的立体图，该转动轴控制阀具有合并在其中的控制阀监测系统的另一实施例。
具体实施方式
现在参考图1，示出了转动轴控制阀10。转动轴控制阀10包括阀体12、阀入口14、阀出口16、以及在阀入口14与阀出口16之间延伸的流体通道18。流体通道18包括控制通道20，以及可移动的控制元件22，其可移动地设置在控制通道20中。控制元件22是连接到阀轴24的转动控制元件22A。控制元件22A可以是，例如阀盘，部分球体或全球体，或者转动控制元件的任意其他形式。阀轴24被可操作地耦接到致动器(未示出)，其可以是在本领域通常采用的任意类型的致动器。
控制元件22被安置以使得该控制元件22被设置在控制通道20内，并且能够使用致动器(未示出)来控制控制元件22在通道20内的位置，以控制流经控制通道20的流量。控制阀10包括内腔27，其尺寸适于容纳阀轴24。阀体12包括填密函(packing box)28，并且主填密组30被设置在填密函28中。该填密组的尺寸适于环绕阀轴24。
现在参考图2，示出了滑动阀杆控制阀100。类似转动轴控制阀10，滑动阀杆控制阀100还包括阀体112、阀入口114、阀出口116、以及在阀入口114与阀出口116之间延伸的流体通道118。流体通道118还包括控制通道120，以及设置在控制通道120中的可移动的控制元件122。控制元件122是线性控制元件122A，例如阀塞，其连接到阀杆124的第一端。相对第一端设置的阀杆124的第二端被可操作地连接到在本领域通常采用的致动器(未示出)。
现在参考图3，示出了图1的转动轴控制阀10的阀轴24。阀轴24包括在一端的转动控制元件22A的一部分。控制阀监测系统200被集成在阀轴24中。以类似的方式，控制阀监测系统200也可以集成在图2的滑动阀杆控制阀100的阀杆124中。控制阀监测系统200包括用于检测阀轴24或阀杆124中发生破裂或材料性质的变化。更具体地，声发射传感器210A通过螺栓或其他连接机构被连接至阀轴24或阀杆124的一端。声发射传感器210A利用结构健康检测(Structural Health Monitoring，SHM)技术，通过声学特征的变化来检测阀轴24或阀杆124(图2)的机械完整性的变化。
通常地，SHM是实现用于工程结构的损坏检测以及表征策略的过程。损坏通常被定义为结构化系统的材料和/或几何性质的变化，其将不利地影响系统性能。SHM过程包含使用来自传感器阵列的周期采样的动态响应测量、来自这些测量的损坏-敏感性特征的提取、以及这些特征的统计分析来随时间观察系统，从而确定系统健康的当前状态。参见例如http://en.wikipedia.org/wiki.Structural_health_monitoring，2011年4月13日。
控制阀监测系统200还包括用于提供关于阀杆124或阀轴24中的一个的机械完整性变化的数据的装置220。装置220可以是局部数字阀定位器、用于数据收集/简化的独立装置、资产管理软件包、或控制系统例如Delta V控制系统。
现在仍参考图3，传感器210A通过传感器210A与阀轴24或阀杆124之间的声学特征的变化来监测阀轴24或阀杆124(图2)的机械完整性变化。关于阀轴24或阀杆124(图2)的机械完整性变化的数据然后被提供给终端用户。更具体地，所检测的故障或对于基线标记图的偏离可以被传送到局部数字阀定位器、用于数据收集/简化的独立装置、资产管理软件包、或控制系统例如Delta V控制系统，其中的每一个可以是控制阀监测系统200的一部分。在一个示例中，所检测的故障触发在数字阀定位器或数据收集系统(未示出)中的报警，其会提供阀轴24或阀杆124的状态变化或将要发生故障的指示。如果传感器210A指示阀轴24或阀杆124(图2)检测到破裂，则终端用户能够有时间准备阀轴24或阀杆124的维护。在另一示例中，系统200也可以确定所检测的损坏的变化速率，因而，提供该部件的剩余有效寿命的预计。
现在参考图4，图1的转动轴控制阀10的阀轴24又被与使用SHM技术的另一个控制阀监测系统300一起示出。以类似的方式，控制阀监测系统300也可以用于图2的滑动阀杆控制阀100的阀杆124。控制阀监测系统300包括至少一个传感器310A，该传感器可以是用于检测阀轴24或阀杆124的材料性质变化或破裂的光纤布拉格光栅(FBG)传感器310A。FBG传感器310A经由粘合或焊接被连接至阀元件22A与致动器(未示出)之间的阀轴24或阀杆124的外径，该致动器设置在与阀元件22A相对的阀轴24的一端。FBG传感器310A测量阀轴24或阀杆124(图2)上局部区域的应变。通过这样做，控制阀监测系统300包括了阀轴24或阀杆124的物理特性测量(取代部件疲劳的推测的或计算的估计)，从而为终端用户提供准备阀轴24或阀杆124维护的时间。
控制阀监测系统300的传感器310A可替代地是主动式超声传感器，该主动式超声传感器通过超声传感器与阀轴24或阀杆124之间的超声兰姆波(ultrasonic Lamb wave)的变化来检测阀轴24或阀杆124(图2)的机械完整性的变化。更具体地，主动式超声传感器与致动器稍加夹住阀轴24或阀杆124(图2)材料，并且然后等待记录经由该部件传播的所产生的超声波。阀轴24或阀杆124材料中的破裂或其他缺陷会使得反射波变形。这些主动式超声波传感器可以仅经由粘合或焊接被连接至阀轴24或阀杆124的外径或阀轴24或阀杆124的一端，例如如图3所示。然而，主动式超声传感器倾向于被安装在转动阀的阀轴24的一端，以及安装在用于滑动阀杆阀(图2)的阀杆124(图2)的外径。
在又一实施例中，控制阀监测系统300的传感器310A可以是一个或多个的压电波主动式传感器或压电陶瓷(PZT)传感器。在这种情况下，压电波主动式传感器或PZT传感器(图2)的阻抗关联于阀轴24或阀杆124的阻抗，以允许检测到阀轴24或阀杆124的机械完整性的变化。
类似图3的控制阀监测系统200，控制阀监测系统300还包括用于提供关于阀杆124或阀轴24中的一个的机械完整性变化的数据的装置320。装置320可以是局部数字阀定位器、用于数据收集/简化的独立装置、资产管理软件包、或控制系统例如Delta V控制系统。
虽然传感器210A及310A可以使用粘合剂、焊接剂、螺栓或其他本领域技术人员所知的连接机构被连接至阀轴24和阀杆124，但是传感器210A及310A也可以替代地在阀轴24或阀杆124制造期间被合并入阀轴24或阀杆124。
此外，对于声波或超声测量，传感器210A及310A可以使用单独的有线或无线信号(未示出)连接到局部数字阀定位器或用于数据收集与简化的独立装置。对于光纤布拉格光栅(FBG)设计，传感器210A及310A可以使用光纤连接到数字阀定位器或独立装置。当在一个控制阀组件上使用多个FBG传感器时，许多FBG传感器可以使用单独的光纤串联连接。对于声波或超声波测量，每个传感器210A，310A可以位于其自身的有线或无线地址。在控制阀监测系统200，300中使用无线传感器有助于减少传感器210A及310A的安装费用，并减少关联于传感器210A及310A的光缆组件的疲劳，该传感器210A及310A通过上述各种连接结构被物理地连接至阀轴24及阀杆124。
此外，控制阀监测系统200，300还可以包括电源与存储装置，其允许恒定数据收集以及故障报告。
根据前述描述，本公开的许多变形及替换的实施例对于本领域技术人员是显然的。相应地，本说明仅作为示例性解释，并且用于教导本领域技术人员实现本发明最佳方式的目的。本公开的细节可以在不偏离本发明的精神下有所变化，并且保留权利要求范围内的所有修改的排他使用。
Claims (23)
1.一种控制阀监测系统，包括：
至少一个传感器，其连接到阀杆或阀轴中的一个，所述传感器用于检测所述阀杆或阀轴中的一个的机械完整性的变化；以及
用于提供关于所述阀杆或阀轴中的一个的机械完整性的所述变化的数据的装置。
2.根据权利要求1所述的控制阀监测系统，其特征在于，所述至少一个传感器是声发射传感器或主动式超声波传感器中的一个。
3.根据权利要求2所述的控制阀监测系统，其特征在于，所述声发射传感器通过声学特征中的变化来检测所述阀杆或阀轴中的一个的破裂。
4.根据权利要求2所述的控制阀监测系统，其特征在于，所述声发射传感器被连接至所述阀杆或阀轴的一端。
5.根据权利要求1所述的控制阀监测系统，其特征在于，所述至少一个传感器是压电波主动式传感器或压电陶瓷(PZT)传感器中的一个。
6.根据权利要求5所述的控制阀监测系统，其特征在于，到所述阀轴或阀杆的所述压电波主动式传感器或所述压电陶瓷传感器中的一个的阻抗关联于所述阀轴或阀杆的阻抗，以允许所述阀轴或阀杆的机械完整性的变化被检测。
7.根据权利要求5所述的控制阀监测系统，其特征在于，所述压电波主动式传感器或PZT传感器中的一个被连接至阀控制器与致动器之间的所述阀轴或阀杆的外径。
8.根据权利要求1所述的控制阀监测系统，其特征在于，所述至少一个传感器是光纤布拉格光栅(FBG)传感器。
9.根据权利要求8所述的控制阀监测系统，其特征在于，所述光纤布拉格光栅(FBG)传感器测量所述阀轴或阀杆的局部区域的应变。
10.根据权利要求9所述的控制阀监测系统，其特征在于，所述FBG传感器被连接至阀控制器与致动器之间的所述阀杆或阀轴的外径。
11.根据权利要求1所述的控制阀监测系统，其特征在于，所述至少一个传感器是无线的。
12.根据权利要求1所述的控制阀监测系统，其特征在于，在所述阀杆或阀轴制造期间所述至少一个传感器被并入所述阀杆或阀轴。
13.根据权利要求1所述的控制阀监测系统，其特征在于，所述至少一个传感器通过粘合剂、焊接剂或螺栓中的一个或多个被连接至所述阀杆或阀轴。
14.根据权利要求1所述的控制阀监测系统，其特征在于，还包括存储器与电源，其用于所述阀轴或阀杆中的恒定数据收集以及故障报告。
15.一种检测转轴控制阀的阀轴或滑动阀杆控制阀的阀杆的机械完整性的变化的方法，所述方法包括：
集成至少一个传感器到阀轴或阀杆；以及
使用结构健康监测技术感应所述阀轴或阀杆的疲劳。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述至少一个传感器是声发射传感器、超声波传感器、压电波主动式传感器、雅典陶瓷(PZT)致动器、压电陶瓷(PZT)传感器、或光纤布拉格光栅(FBG)传感器中的一个或多个。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，感应所述阀轴或阀杆的疲劳还包括检测所述传感器与所述阀轴或阀杆中的至少一个之间的声学特征的变化或者检测所述传感器与所述阀轴或阀杆之间的超声兰姆波的变化中的一个。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，集成至少一个传感器到所述阀轴或阀杆包括经由螺栓或其他连接机构将所述至少一个传感器连接到所述阀杆或阀轴的一端。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，感应所述阀轴或阀杆的疲劳包括测量所述阀轴或阀杆的区域上的应变或者检测所述传感器与所述阀轴或阀杆之间的超声兰姆波的变化中的一个。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，集成至少一个传感器到所述阀轴或阀杆包括经由粘合或焊接将所述至少一个传感器连接到所述阀轴或阀杆的外径。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，检测超声兰姆波的变化还包括夹住所述阀杆或阀轴材料并等待记录所产生的经由所述阀杆或阀轴传播的超声波。
22.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，感应所述阀轴或阀杆的疲劳包括将所述至少一个传感器的阻抗关联于所述阀杆或阀轴的阻抗。
23.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括提供关于所述阀轴或阀杆的机械完整性的所述变化的数据给局部数字阀定位器、用于数据收集与简化的独立装置、资产管理软件包、或控制系统中的一个或多个。
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