JP6220334B2 - 制御バルブ監視システム - Google Patents

Description

本開示は、一般に、制御バルブの保守に関し、より詳細には、制御バルブにおけるシャフトおよびステムの疲労を検出するためのシステムに関する。

制御バルブは、アクチュエータからの力によりバルブプラグまたはディスクの姿勢が変化されると、流体流速を調節する。これを行うために、制御バルブは例えば、（１）流体を外部に漏洩させずに収容すること、（２）意図されたサービスのために適切な容量を有すること、（３）プロセスの浸食、腐食、および温度の影響に対する耐性を有すること、および（４）アクチュエータの推進力がバルブプラグステムまたは回転シャフトに伝達されることを可能にするために、近接する管路およびアクチュエータ取付手段との接続のための適切な端部接合部を組み込むこと、が必要である。

多数の形態の制御バルブが知られている。例えば、プロセス制御バルブの分野において、スライドステム制御バルブおよび回転シャフト制御バルブが知られている。スライドステム制御バルブはグローブバルブを含む。このグローブバルブは、直線運動閉止部材と、１つまたは複数のポートと、ポート領域の周りの球形形状キャビティにより特徴付けられる本体と、を有するバルブである。スライドステム制御バルブは、典型的には、バルブを通過する流速を変更するために流路内に配置された閉止部材に対してプラグを用いる。スライドステム制御バルブは、閉止部材に接続された第１端部とアクチュエータに接続された第１端部の反対側にある第２端部とを有するバルブステムをさらに備える。

回転シャフト制御バルブは、バルブの容量を制御するために、完全な球状物（ｆｕｌｌ ｂａｌｌ）、部分的な球状物（ｐａｒｔｉａｌ ｂａｌｌ）、球体、またはディスク等の流体制御部材がフローストリーム中で回転されるバルブである。回転シャフト制御バルブは、グローブバルブまたはスライドステムバルブのバルブステムに対応するシャフトを備える。

回転シャフト制御バルブのシャフトまたはスライドステム制御バルブのステムの疲労と亀裂の開始とを検出するいくつかの方法が知られている。例えば、ポジショナおよびアクチュエータが閉止の制御信号を与えられた後に力またはトルクがバルブに伝達されたことを検証するために、歪みゲージを制御バルブステムおよびシャフト上に取り付けることが知られている。

しかし、バルブステムまたはシャフトに発生しているが、小さすぎて例えば目視検査によって発見することができない亀裂を検出することが望まれる。現行の方法で可能なよりも、早期且つ正確にバルブステムおよびシャフトの亀裂および疲労を検出することも望まれる。それにより、エンドユーザは制御バルブが交換パーツおよびサービスを必要とすることがアラートされ、その結果、制御バルブのより効率的な保守およびより長い耐用年数が助長される。

制御バルブ監視システムは、バルブステムまたはバルブシャフトのうちの１つに接続された少なくとも１つのセンサとバルブステムまたはバルブシャフトのうちの１つの機械的完全性の変化に関するデータを提供するための装置とを備える。制御バルブ監視システムの少なくとも１つのセンサはアコースティックエミッションセンサまたはアクティブ超音波センサのうちの１つであり得る。アコースティックエミッションセンサはアコースティックシグネチャの変化を通してバルブシャフトまたはバルブステムのうちの１つの亀裂を検出し得、アコースティックエミッションセンサはバルブシャフトまたはバルブステムの端部に取り付けられ得る。少なくとも１つのセンサはまた、圧電波アクティブセンサまたは圧電セラミック（ＰＺＴ）センサであり得、バルブシャフトまたはステムに対する圧電波アクティブセンサまたはＰＺＴセンサのうちの１つのインピーダンスはバルブシャフトまたはバルブステムのインピーダンスに相関され得、それによりバルブシャフトまたはバルブステムの機械的完全性の変化を検出することが可能となる。

さらに、圧電波アクティブセンサまたはＰＺＴセンサはバルブ制御とアクチュエータとの間のバルブシャフトまたはバルブステムの外径に取り付けられ得る。加えて、少なくとも１つのセンサは光ファイバブラッグ回折格子（ＦＢＧ）センサであり得る。ＦＢＧセンサはバルブシャフトまたはバルブステムの局部における歪みを測定し得る。さらに、ＦＢＧセンサはバルブ制御とアクチュエータとの間のバルブシャフトまたはバルブステムの外径に取り付けられ得る。加えて、少なくとも１つのセンサはワイヤレスであり得る。少なくとも１つのセンサはバルブシャフトまたはバルブステムの製造中にバルブステムまたはバルブシャフトに組み込まれ得る。少なくとも１つのセンサは、接着剤、はんだ付け剤、またはボルトのうちの１つまたは複数によりバルブシャフトまたはバルブステムに取り付けられ得る。制御バルブ監視システムは、バルブシャフトまたはバルブステムにおける欠陥のデータ収集および報告のためのメモリおよび電源をさらに備え得る。

本開示の他の例において、回転シャフト制御バルブのバルブシャフトまたはスライドステム制御バルブのバルブステムの機械的完全性の変化を検出する方法は、バルブシャフトまたはバルブステムに少なくとも１つのセンサを組み込み、構造ヘルスモニタリング技術を用いてバルブシャフトまたはバルブステムの疲労を検出することを含む。

回転シャフト制御バルブの断面図である。 スライドステム制御バルブの断面図である。 制御バルブ監視システムが組み込まれた図１の回転シャフト制御バルブのシャフトの斜視図である。 制御バルブ監視システムの他の実施形態が組み込まれた図１の回転シャフト制御バルブのシャフトの斜視図である。

ここで図１を参照すると、回転シャフト制御バルブ１０が図示される。回転シャフト制御バルブ１０は、バルブ本体１２、バルブ流入口１４、バルブ流出口１６、およびバルブ流入口１４とバルブ流出口１６との間に延びる流路１８とを備える。流路１８は制御流路２０を備え、可動制御要素２２は制御流路２０内で可動に配置される。制御要素２２はバルブシャフト２４に接続された回転制御要素２２Ａである。回転制御要素２２Ａは、例えば、バルブディスク、部分的なもしくは完全な球状物、または他の任意の形態の回転制御要素であり得る。バルブシャフト２４はアクチュエータ（図示せず）に動作可能に連結される。なお、このアクチュエータは当該技術分野で一般に用いられる任意種類のアクチュエータであり得る。

制御要素２２は、制御要素２２が制御流路２０内に配置され流路２０内における制御要素２２の姿勢がアクチュエータ（図示せず）を用いて制御され、それにより制御流路２０を通過する流体流量の制御が可能となるように配置される。制御バルブ１０はバルブシャフト２４を受容する寸法を有するボア２７を備える。バルブ本体１２はパッキングボックス２８を備え、主要パッキングセット３０はパッキングボックス２８内に配置される。パッキングセットはバルブシャフト２４の周囲に嵌まる寸法を有する。

ここで図２を参照すると、スライドステム制御バルブ１００が図示される。回転シャフト制御バルブ１０と同様に、スライドステム制御バルブ１００も、バルブ本体１１２、バルブ流入口１１４、バルブ流出口１１６、およびバルブ流入口１１４とバルブ流出口１１６との間で延びる流路１１８とを備える。流路１１８も、制御流路１２０と制御流路１２０内に配置された可動制御要素１２２とを備える。制御要素１２２はプラグ等の直線状の制御要素１２２Ａであり、この制御要素１２２Ａはバルブステム１２４の第１端部に接続される。第１端部の反対側に配置されたバルブステム１２４の第２端部は、当該技術分野において一般的に用いられるアクチュエータ（図示せず）に動作可能に接続される。

ここで図３を参照すると、図１の回転シャフト制御バルブ１０のシャフト２４が図示される。シャフト２４は一端に回転制御要素２２Ａの一部分を備える。制御バルブ監視システム２００はシャフト２４に組み込まれる。同様に、制御バルブ監視システム２００は、図２のスライドステム制御バルブ１００のステム１２４にも組み込まれ得る。制御バルブ監視システム２００は、シャフト２４またはステム１２４の亀裂または材料特性の変化の開始を検出するセンサ２１０を備える。さらに詳細には、アコースティックエミッションセンサ２１０Ａはボルトまたは他の取付機構を介してバルブシャフト２４またはステム１２４の一端に取り付けられる。アコースティックエミッションセンサ２１０Ａは、構造ヘルスモニタリング（ＳＨＭ）技術を用いてアコースティックシグネチャの変化を通してバルブシャフト２４またはステム１２４（図２）の機械的完全性の変化を検出する。

一般に、ＳＨＭとは、エンジニアリング構造物に関する損傷の検出および評価の戦略を具体化するプロセスである。損傷は、構造的システムの性能に悪影響を及ぼす構造的システムの材料特性および／または幾何学的特性に対する変化であるとしばしば定義される。ＳＨＭプロセスは、センサアレイからの周期的にサンプリングされる動的応答測定値と、損傷の影響を受けた特徴の、これらの測定値からの抽出と、システムヘルスの現時点状態を判定するためのこれらの特徴の統計的分析と、を用いて時間の経過とともにシステムを観察することを伴う。例えばｈｔｔｐ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ＿ｈｅａｌｔｈ＿ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ、２０１１年４月１３日を参照されたい。

制御バルブ監視システム２００は、バルブステム１２４またはバルブシャフト２４のうちの１つの機械的完全性の変化に関するデータを提供するための装置２２０をさらに備える。装置２２０は、局所的なデジタルバルブポジショナ、データ収集／整理のための単独型装置、資産管理ソフトウェアパッケージ、またはＤｅｌｔａ Ｖ制御システム等の制御システムであり得る。

ここで図３に戻って参照すると、センサ２１０Ａはセンサ２１０Ａとバルブシャフト２４またはステム１２４との間のアコースティックシグネチャの変化を通してバルブシャフト２４またはステム１２４（図２）の機械的完全性の変化を検出する。次いでバルブシャフト２４またはステム１２４（図２）の機械的完全性の変化に関するデータはエンドユーザに提供される。さらに詳細には、検出された欠陥または基準シグネチャからの逸脱は、局所的なデジタルバルブポジショナ、データ収集／整理のための単独型装置、資産管理ソフトウェアパッケージ、またはＤｅｌｔａ Ｖ等の制御システムに、伝達され得る。なお、これらのそれぞれは制御バルブ監視システム２００の一部分であり得る。一例において、検出された欠陥はデジタルバルブポジショナまたはデータ収集システム（図示せず）においてアラートをトリガする。このアラートが、バルブシャフト２４またはステム１２４の状態の変化または切迫した障害を示すこととなる。センサ２１０Ａがシャフト２４またはステム１２４（図２）の亀裂検出を示すならば、エンドユーザは時間的余裕を持ってバルブシャフト２４またはステム１２４の保守を準備することができる。他の例において、システム２００は、検出された損傷の変化速度も判定し得、したがって該当する構成要素の残りの耐用年数を推定し得る。

ここで図４を参照すると、ＳＨＭ技術を用いる他の制御バルブ監視システム３００を有する図１の回転シャフト制御バルブ１０のシャフト２４が再び図示される。同様に、制御バルブ監視システム３００は、図２のスライドステム制御バルブ１００のステム１２４とともに用いられ得る。制御バルブ監視システム３００は、シャフト２４またはステム１２４の亀裂または材料特性の変化を検出するために、光ファイバブラッグ回折格子（ＦＢＧ）センサ３１０Ａであり得る少なくとも１つのセンサ３１０Ａを備える。ＦＢＧセンサ３１０Ａは、バルブ要素２２Ａとバルブ要素２２Ａの反対側にあるシャフト２４の端部上に配置されたアクチュエータ（図示せず）との間に接着またははんだ付けを介してシャフト２４またはステム１２４の外径に取り付けられる。ＦＢＧセンサ３１０Ａはシャフト２４またはステム１２４（図２）上の局部における歪みを測定する。歪みを測定することにより、制御バルブ監視システム３００はバルブシャフト２４またはステム１２４の物理的特性の測定（構成要素疲労の推測または計算による推定に代わって）を実装する。それにより、エンドユーザはバルブシャフト２４またはステム１２４の保守を準備するための時間的余裕を有することができる。

制御バルブ監視システム３００のセンサ３１０Ａは、代替的に、超音波センサとバルブシャフト２４またはステム１２４との間の超音波ラム波の変化を通してバルブシャフト２４またはステム１２４（図２）の機械的完全性の変化を検出するアクティブ超音波センサであり得る。さらに詳細には、アクティブ超音波センサおよびアクチュエータは、バルブシャフト２４またはステム１２４（図２）の材料にわずかな刺激を与え、次いで、この結果発生する、構成要素を伝播する超音波を記録することを待機する。バルブシャフト２４またはステム１２４の材料の亀裂または他の欠陥は反射波に歪みを生じさせるであろう。これらのアクティブ超音波センサは、例えば図３に示すように、接着またははんだ付けを介して、シャフト２４もしくはステム１２４の外径に、またはシャフト２４もしくはステム１２４の端部に、取り付けられ得る。しかし、アクティブ超音波センサは、回転バルブに対してはバルブシャフト２４の端部上に、スライドステムバルブ（図２）に対してはバルブステム１２４（図２）の外径上に、取り付けられる傾向がある。

さらに他の実施形態において、制御バルブ監視システム３００のセンサ３１０Ａは１つまたは複数の圧電波アクティブセンサまたは圧電セラミック（ＰＺＴ）センサであり得る。この場合、圧電波アクティブセンサまたはＰＺＴセンサ（図２）のインピーダンスはシャフト２４またはステム１２４のインピーダンスに相関され、それにより、バルブシャフト２４またはステム１２４の機械的完全性の変化を検出することが可能となる。

図３の制御バルブ監視システム２００と同様に、制御バルブ監視システム３００は、バルブステム１２４またはバルブシャフト２４のうちの１つの機械的完全性の変化に関するデータを提供するための装置３２０をさらに備える。装置２２０は、局所的なデジタルバルブポジショナ、データ収集／整理のための単独型装置、資産管理ソフトウェアパッケージ、またはＤｅｌｔａ Ｖ制御システム等の制御システムであり得る。

センサ２１０Ａおよびセンサ３１０Ａは、接着剤、はんだ付け剤、ボルト、または当業者に周知である他の取付機構を用いてバルブシャフト２４およびステム１２４に取り付けられ得る一方で、センサ２１０Ａおよびセンサ３１０Ａは代替的にバルブシャフト２４およびステム１２４の製造中にバルブシャフト２４またはステム１２４に組み込まれてもよい。

さらに、アコースティックまたは超音波測定に関しては、センサ２１０Ａおよびセンサ３１０Ａは、単一のケーブルまたはワイヤレス信号（図示せず）を用いて局所的なデジタルバルブポジショナまたはデータ収集／整理のための単独型装置に接続されてもよい。ファイバブラッグ回折格子（ＦＢＧ）設計に関しては、センサ２１０Ａおよびセンサ３１０Ａは光ファイバを用いてデジタルバルブポジショナまたは単独型装置に接続され得る。１つの制御バルブ組立体上で複数のＦＢＧセンサを用いる場合、多数のＦＢＧセンサは単一の光ファイバを用いて連続的に接続され得る。アコースティックまたは超音波測定に関しては、各センサ２１０Ａ、３１０Ａは、それ自体のケーブルまたはワイヤレスアドレスを用いて接続され得る。制御バルブ監視システム２００、３００を有するワイヤレスセンサを使用することは、センサ２１０Ａおよび３１０Ａの容易な設置コストを支援し、上記の様々な取付機構によりバルブシャフト２４およびステム１２４に物理的に取り付けられたセンサ２１０Ａおよび３１０Ａに連合するケーブル組立体の疲労を排除する。

加えて、制御バルブ監視システム２００、３００は、データ収集および欠陥の報告を常時可能にする電源およびメモリ装置も備え得る。

本開示の多数の改変例および代替的実施形態は、前述の説明を考慮すると当業者に明らかとなることであろう。したがって、本説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実施する最良のモードを当業者に教示することを目的とする。本開示の詳細は本発明の趣旨から逸脱することなく改変され得、請求項の範囲に含まれる全部の改変例の独占的使用は留保される。

したがって、特定の実施形態および用途が図示および説明されてきたが、開示された実施形態は本明細書で説明した正確な構成および構成要素に限定されないことを理解すべきである。例えば、当業者は、少なくとも１つのセンサ２１０Ａ（図３）、３１０Ａ（図４）が取り付けられるシャフト２４またはステム１２４の外径はシャフト２４またはステム１２４の外側表面と等価であると理解するであろう。加えて、本明細書で説明された２つの制御バルブ監視システム２００、３００は図１の回転シャフト制御バルブ１０のシャフト２４に組み込まれたものとして図３および図４において図示されるが、２つの制御バルブ監視システム２００、３００は、図２のスライドステム制御バルブ１００のステム１２４に完全に組み込まれてもよい。さらに、当業者は、バルブステム１２４またはバルブシャフト２４のうちの１つの機械的完全性の変化に関するデータを提供するための装置２２０、３２０がプロセッサ、メモリ、バッテリー、およびワイヤレスインターフェースのうちの１つまたは複数を備えたとしても依然として添付の請求項の趣旨および範囲に含まれることを理解するであろう。一例において、図３の装置２２０は、プロセッサ２２２、メモリ２２４、バッテリー２２６、およびワイヤレスインターフェース２２８を備え、図４の装置３２０もこれらのうちの１つまたは複数も備え得る。要約すると、本明細書で説明したように、これらの様々な改変例、その他は、添付の請求項に規定される範囲から逸脱することなく、本明細書に開示したシステムおよび方法の構成、操作、および詳細内において構成することができる。

Claims (5)

1. バルブステムまたはバルブシャフトのうちの１つの機械的完全性の変化を検出するために、前記バルブステムまたは前記バルブシャフトのうちの１つに接続された少なくとも１つのセンサと、
   前記バルブステムまたは前記バルブシャフトのうちの１つの前記機械的完全性の変化に関するデータを提供するための装置と、
   を備え、
   前記少なくとも１つのセンサは、圧電波アクティブセンサまたは圧電セラミック（ＰＺＴ）センサのうちの１つであり、接着剤、またははんだ付け剤のうちの１つまたは複数により前記バルブステムまたは前記バルブシャフトに取り付けられており、
   前記圧電波アクティブセンサまたは前記ＰＺＴセンサのうちの１つは、制御要素が接続されている前記バルブシャフトまたは前記バルブステムの一方の端部と前記制御要素の反対側の前記バルブシャフトまたは前記バルブステムの他方の端部との間における前記バルブシャフトまたは前記バルブステムの外側表面に取り付けられており、
   前記バルブシャフトまたは前記バルブステムに対する前記圧電波アクティブセンサまたは前記ＰＺＴセンサのインピーダンスは前記バルブシャフトまたは前記バルブステムのインピーダンスに相関され、それにより前記バルブシャフトまたは前記バルブステムの機械的完全性の変化を検出する、
   制御バルブ監視システム。
2. 前記少なくとも１つのセンサはワイヤレスである、請求項１に記載の制御バルブ監視システム。
3. 前記バルブシャフトまたは前記バルブステムにおける欠陥の常時データ収集および報告のためのメモリおよび電源をさらに備える、請求項１または２に記載の制御バルブ監視システム。
4. 回転シャフト制御バルブのバルブシャフトまたはスライドステム制御バルブのバルブステムの機械的完全性の変化を検出する方法であって、
   少なくとも１つのセンサをバルブシャフトまたはバルブステムに組み込むことと、
   前記バルブシャフトまたは前記バルブステムの疲労を検出することと、
   を含み、
   前記少なくとも１つのセンサは、圧電波アクティブセンサ、圧電セラミック（ＰＺＴ）アクチュエータ、または圧電セラミック（ＰＺＴ）センサのうちの１つまたは複数であり、
   前記バルブシャフトまたは前記バルブステムの疲労を検出することは、前記少なくとも１つのセンサのインピーダンスを前記バルブシャフトまたは前記バルブステムのインピーダンスに相関させることを含み、
   少なくとも１つのセンサをバルブシャフトまたはバルブステムに組み込むことは、前記バルブシャフトまたは前記バルブステムの機械的完全性の変化を検出可能するために、制御要素が接続されている前記バルブシャフトまたは前記バルブステムの一方の端部と前記制御要素の反対側の前記バルブシャフトまたは前記バルブステムの他方の端部との間における前記バルブシャフトまたは前記バルブステムの外側表面に、前記少なくとも１つのセンサを接着またははんだ付けを介して、前記圧電波アクティブセンサまたは前記ＰＺＴセンサのうちの１つを取り付けることを含む、
   方法。
5. 前記バルブシャフトまたは前記バルブステムの機械的完全性の変化に関するデータを、局所的なデジタルバルブポジショナ、データ収集および整理のための単独型装置、資産管理ソフトウェアパッケージ、または制御システムのうちの１つまたは複数に提供することをさらに含む、請求項４に記載の方法。

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