一种蒸汽安全阀在线泄漏检测装置的制作方法

本实用新型涉及结构部件的流体密封性的测试领域，尤其涉及一种蒸汽安全阀的在线泄漏检测装置。

背景技术：

蒸汽安全阀是安装在蒸汽输送管道上的一种自动压力释放装置。当管道中的介质(蒸汽，下同)压力超过安全阀的“开启压力”(亦称安全阀的“起跳”压力)时，安全阀自动开启，释放介质，防止管道中发生超压爆炸；当管道中的介质压力下降到安全阀的关闭压力(亦称安全阀的“回座”压力)时，安全阀自动关闭，从而保证生产活动的正常进行。

在火电装备特别是核电装备中，对安全阀的安全级别和运行可靠性要求极高，按照ASME标准及RCCM标准，为保证电站正常、安全运行，在任何工况下均要保证蒸汽安全阀的可靠运行；同时，为了响应国家节能减排要求，合理的蒸汽量的损失对企业及环境同样非常重要。

但是在实际生产应用中，往往有很多原因会造成安全阀的故障，其中安全阀的泄漏故障最为常见。在设备正常工作压力下，安全阀阀瓣与阀座的接触面(亦称密封面)处不能发生超过允许程度的泄漏。安全阀的泄漏不但会引起介质损失，而且介质的不断泄漏还会使密封材料遭到破坏。常规安全阀的密封面都是金属材料对金属材料，虽然在制造过程中力求做得光洁平整，但是在高压介质的作用下仍可能会出现泄漏。因此，对于工作介质是蒸汽的安全阀，在规定压力值下，准确快速判断蒸汽阀门是否已经出现泄漏是非常重要的。

现有的常规蒸汽安全阀泄漏检测方法主要有两种：一种是用黑幕法检测，即技术人员直观的肉眼观察和用耳朵听，但是当看到泄漏的蒸汽和听到蒸汽泄漏的声音时，可能会出现泄漏量过大的情况，阀门也存在随时起跳的可能，一旦阀门起跳，排放过程产生的噪声及高温/高压蒸汽极可能会对操作、检测人员形成人身危害；另一种方法是用冷棒法检测，具体做法是用冷棒靠近阀瓣和阀座的密封面，如果有蒸汽泄漏，就会在冷棒上遇冷凝结成水珠，该方法同样存在与前一种方法相同的潜在 操作危险。

综上所述，以上两种常规检测方法均无法实现在线检测和远程检测，而且判断标准受所在环境和操作人员主观影响较大，存在较大的操作安全隐患和测量误差。

申请公布日为2015年03月25日，申请公布号为CN 104458152A的中国发明专利申请中，公开了一种“基于声发射信号处理的气体阀门内漏检测方法”，该方法首先利用声发射传感器采集信号，通过信号放大器滤波处理，得到增强的声发射模拟信号，由数据采集卡转换为数字信号送到计算机，计算机实时记录声发射信号的均方根值参数；依次采用单点法、两点法、四点法声发射信号采集内漏分析判定方法，通过阀门内漏声发射信号均方根值判断阀门是否存在内漏。其检测原理是阀门泄漏时，在泄漏口处会产生声发射信号，通过声发射传感器检测泄漏激发的声发射弹性波，将机械振动信号转化为电信号，并进行放大、滤波等信号处理后，提取有效信号特征量来判断泄漏的状态。该技术方案的优点在于泄漏产生的声发射信号通过阀体本身传播，利用声发射传感器采集信号，通过信号放大器滤波处理，减少了工业噪声对检测产生的影响；通过阀门内漏声发射信号均方根值判断阀门是否存在内漏，成本比较低，检测过程中不需要操作阀门，检测效率高，不影响正常的生产。但其不足在于对于不同阀门、不同泄漏率都需要重新标定判断泄漏的声发射信号均方根值与背景信号均方根值差值的大小，泛用性较低，还没有用于安全阀泄漏的检测上。

申请公布日为2013年12月04日，申请公布号为CN1034424230A的中国发明专利申请中，公开了一种“基于超声波的阀门泄漏无线检测装置及方法”，包括超声波传感部，与多个阀门一一对应设置并分别具有传感识别码。当感应到阀门因发生气体泄漏而产生超声波时送出相应的泄漏信号及其传感识别码，通讯部通过无线通讯接收泄漏信号及其传感识别码，泄漏警告部根据通讯部接收到的泄漏信号及其位置识别码，发出泄漏警告并指明阀门的具体位置。该技术方案的优点是装置简单，成本小，而且可以检测到泄漏阀门的位置。但是存在的不足是，阀门发生泄漏时产生的超声波频率不固定，环境噪声的干扰比较大，检测准确性比较低。

上述两种技术方案中所涉及到的声发射原理均为泄露介质作用于阀门内件，激发超声波并加以检测，基于声发射的阀门泄漏检测方法的缺点在于对于不同阀门需要重新标定泄漏率，不同泄漏率会出现不同的泄漏信号幅值谱图，使其使用条件和适用范围受到一定限制。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种蒸汽安全阀在线泄漏检测装置，其设置有一个能产生特定频率超声波的超声波发生器，该超声波发生器所产生的超声波信号频率，仅与超声波发生器开口斜凹槽的尺寸或超声波发生器的安装位置相关；通过检测超声波探头所处环境中各个频率声波信号的幅值谱，观察某一固定频率超声波信号是否明显增强，或者，通过判断各个频率声波信号的幅值是否超过预设定值，即可安全、远程、实时在线地判断蒸汽安全阀是否发生了蒸汽泄漏。与现有的安全阀泄漏检测方法相比，该技术方案具有远程、安全、实时在线监测、准确性高的优点。

本实用新型的技术方案是：提供一种蒸汽安全阀在线泄漏检测装置，所述的蒸汽安全阀为弹簧式蒸汽安全阀，所述的弹簧式蒸汽安全阀至少包括阀体、阀座、阀瓣、阀杆、弹簧座、弹簧、出口法兰、蒸汽出口管道及安装在蒸汽安全阀阀座上的下调节圈，所述的下调节圈通过螺纹套装固定在所述的阀座上，在所述的阀座与阀瓣之间，为一密封端面结构，其特征是：

在所述的下调节圈上，套装设置一个超声波发生器；所述的超声波发生器为一圆环状结构，在所述圆环状结构的上端面上，设置有一个开口斜凹槽；所述开口斜凹槽的开口方向朝向所述圆环状结构的纵向轴心线设置；

在所述蒸汽安全阀的出口法兰与阀体之间的蒸汽出口管道上，设置一个超声波探头；所述的超声波探头通过一个带有螺纹结构的贯穿孔，安装固定在所述的蒸汽出口管道上；

设置一个信号采集器和一台安装有常规声波频谱/幅值显示分析软件的计算机；所述信号采集器的信号输入端与超声波探头的模拟输出信号对应连接，所述信号采集器的信号输出端与计算机的数字信号输入端对应连接；所述超声波探头输出的模拟信号，通过信号采集器转换为数字信号，通过数据线传输到计算机上。

具体的，所述的圆环状结构通过螺纹结构安装固定在所述的下调节圈上，通过所述的螺纹结构来调节圆环状结构的安装高度，所述圆环状结构的安装高度为所述圆环状结构的上端面与所述阀座的上密封端面之间的距离。

进一步的，所述圆环状结构的上端面距离所述阀座的上密封面的距离为0mm～5mm。

更进一步的，其所述圆环状结构的上端面离所述阀座的上密封面的距离为2mm。

进一步的，所述的开口斜凹槽环绕所述圆环状结构上端面的开口端设置；所述的开口斜凹槽为一纵向截面形状为平行四边形的斜凹槽，平行四边形的两锐角边之间的夹角α为30°～45°，平行四边形的水平边a长为6mm～12mm，平行四边形的高h为4mm～10mm，平行四边形长对角线的顶点离所述圆环状结构上端面开口孔的内侧边距离b为2mm～8mm；所述平行四边形的长对角线与所述圆环状结构的上端面之间的夹角β≤90°。

更进一步的，所述的平行四边形两锐角边的夹角α为30°；平行四边形的水平边a长为10mm；平行四边形的高h为6mm，平行四边形长对角线的顶点离所述圆环状结构上端面开口孔的内侧边距离b为4mm；所述平行四边形的长对角线与所述圆环状结构的上端面所在平面之间的夹角β＝α/2，其中α为平行四边形的两锐角边之间的夹角。

具体的，所述的超声波探头贯穿所述的蒸汽出口管道的管壁设置，所述超声波探头用于接收超声波的头部，位于所述的蒸汽出口管道内。

具体的，所述超声波发生器的材质为镍基合金钢或铬镍合金钢。

进一步的，所述超声波探头的声波接收频率范围为20KHz～80KHz。

更进一步的，所述超声波发生器所产生的超声波信号的频率，仅与所述开口斜凹槽的尺寸或所述超声波发声器的上端面距离所述阀座的上密封面的距离相关。

与现有技术比较，本实用新型的优点是：

1.本技术方案中，在蒸汽安全阀的下调节圈上设置一个能产生特定频率超声波的超声波发生器，在蒸汽出口管道上设置一个超声波探头；通过检测超声波探头所处环境中各个频率声波信号的幅值谱，观察某一固定频率超声波信号是否明显增强，或者，通过判断各个频率声波信号的幅值是否超过预设定值，即可安全、远程、实时在线地判断蒸汽安全阀是否发生了蒸汽泄漏；

2.采用计算机接收、显示超声波探头输出的超声波噪声信号，通过监测计算机输出的噪声信号幅值的变化，可以立刻检测到阀门是否发生泄漏，时效性很强，只需操作人员在监控室观察计算机上输出噪声信号的变化就可以判断安全阀是否发生泄漏，不用在现场操作，实现了远程检测或监测安全阀泄漏，监测工作过程更为安全、可靠；

3.采用超声波探头检测噪声，计算机输出噪声信号变化的监测模式，监测结果不受技术人员主观因素的影响，对安全阀泄漏的检测更加准确；

4.由超声波发生器所产生的超声波，其超声波的频率，仅与超声波发生器自身的结构和安装位置相关，一旦上述数据或位置固定后，则在蒸汽安全阀泄漏时，超声波发生器只会产生某一固定频率的超声波，所以对于任何尺寸结构的安全阀，只要观察某一频率超声波信号的变化情况即可，无需对每种规格尺寸的阀门进行单独标定，整个检测装置的适应性好，具有广泛的适应能力和较佳的输出信号统一性；

5.相对现有的安全阀泄漏检测方法，本技术方案具有远程安全、实时在线监测、准确性高的优点。

附图说明

图1为本技术方案的弹簧式蒸汽安全阀结构示意图。

图2为本技术方案超声波发生器与下调节圈的连接位置关系示意图。

图3为本技术方案超声波发生器的结构示意图。

图4为实施例安全阀未出现泄漏时的噪声幅值谱。

图5为实施例安全阀开始出现泄漏时的噪声幅值谱。

图6为实施例安全阀泄漏增大时的噪声幅值谱。

图中0为阀体，1为阀座，2为下调节阀，3为超声波发生器，4为阀瓣，5为阀杆，6为弹簧座，7为弹簧，8为计算机，9为信号采集器，10为出口法兰，11为蒸汽出口管道，12为超声波探头，A为开口斜凹槽，B为开口斜凹槽所在平行四边形的长对角线，α为平行四边形两锐角边的夹角，β为开口斜凹槽所在平行四边形的长对角线与所述圆环状结构的上端面所在平面之间的夹角。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步说明。

图1和图2中，本实用新型的技术方案中，蒸汽安全阀安装在蒸汽管道上，蒸汽安全阀中的下调节圈2通过螺纹安装在阀座1上；超声波发生器3通过螺纹安装在下调节圈上，可以通过螺纹调节超声波发生器的安装高度(即超声波发声器的上端面距离所述阀座的上密封面的距离)；被压缩的弹簧7产生预紧力，通过弹簧座6传递给阀杆5，使阀瓣4和阀座1之间产生压紧力，从而实现密封。

具体的，弹簧式蒸汽安全阀至少包括阀体0、阀座1、阀瓣4、阀杆5、弹簧座6、弹簧7、出口法兰10、蒸汽出口管道11及安装在蒸汽安全阀阀座上的下调节圈2，所述的下调节圈通过螺纹套装固定在阀座上，在阀座与阀瓣之间，为一密封端 面结构。

本实用新型的技术方案在下调节圈上，套装设置一个超声波发生器3；超声波发生器的具体结构(参考图2中所示)为一圆环状结构，在圆环状结构的上端面上，设置有一个开口斜凹槽A；该开口斜凹槽的开口方向朝向所述圆环状结构的纵向轴心线设置，

在蒸汽安全阀的出口法兰与阀体之间的蒸汽出口管道上，设置有一个超声波探头12；超声波探头通过一个带有螺纹结构的贯穿孔，安装固定在所述的蒸汽出口管道上。

本实用新型的技术方案设置一个信号采集器9和一台安装有常规声波频谱/幅值显示分析软件的计算机8；信号采集器的信号输入端与超声波探头的模拟输出信号对应连接，信号采集器的信号输出端与计算机的数字信号输入端对应连接；超声波探头输出的模拟信号，通过信号采集器转换为数字信号，通过数据线传输到计算机上。

在本技术方案中，超声波探头12贯穿所述的蒸汽出口管道11设置，超声波探头用于接收超声波的头部，位于所述的蒸汽出口管道内。

超声波探头的声波接收频率范围为20KHz～80KHz。

当蒸汽安全阀的阀座与阀瓣之间的密封面处发生蒸汽泄漏时，泄漏的蒸汽流过超声波发生器圆环状结构的上端面，进入开口斜凹槽，产生漩涡，从而产生一个频率超过20KHz的、固定频率的超声波；

通过超声波探头检测到蒸汽出口管道内由超声波发生器产生的超声波，输出模拟信号；通过信号采集器采集由超声波探头所产生的模拟信号，然后将接收到的模拟信号转化为数字信号，转化后的数字信号通过数据线远距离传输到所述的计算机上。

在计算机上，通过声波频谱/幅值显示分析软件显示超声波探头所处环境中各个频率的声波信号的幅值谱图，通过观察或监测图中某一固定频率的超声波信号是否明显增强，或者，通过判断某一固定频率超声波信号的幅值是否超过预设定值，即可安全、远程、实时在线地判断所述的蒸汽安全阀是否发生了蒸汽泄漏。

当管道内蒸汽压力升高时，阀瓣受力增加，阀瓣4和阀座1之间的压紧力减小，出现泄漏；泄漏介质经过安装在下调节圈处的超声波发生器3时，泄漏介质进入开口斜凹槽A，形成漩涡，从而产生超过20KHz的某一固定频率超声波；所产生的超声波可以被安装在蒸汽出口管道11上且与管道内介质接触的超声波探头12检测到； 超声波探头12检测到的模拟信号，通过信号采集器9转换为数字信号通过数据线传输到计算机8上。由于蒸汽泄漏会驱动超声波发生器产生某一固定频率的超声波，该频率超声波的声强远大于其他频率声波的强度。在计算机8上通过特定软件输出环境中各个频率声波信号的幅值谱，通过观察图中某一频率噪声信号是否明显增强，即可方便地判断泄漏是否发生。

在图2中，超声波发生器通过螺纹结构安装固定在调节圈上，通过螺纹结构来调节超声波发生器的安装高度，本技术方案中超声波发生器的安装高度为超声波发声器的上端面与阀座的上密封端面之间的距离c。

本技术方案中，超声波发声器的上端面距离所述阀座的上密封面的距离c为0mm～5mm。

实际实施时，超声波发声器的上端面离所述阀座的上密封面的距离c优选为2mm。

图3中，开口斜凹槽A环绕所述圆环状结构中间开口孔(通孔结构)的上端面设置；该开口斜凹槽为一纵向截面形状为平行四边形的斜凹槽，平行四边形的两锐角边之间的夹角α为30°～45°，平行四边形的水平边a长为6mm～12mm，平行四边形的高h为4mm～10mm，平行四边形长对角线的顶点离所述圆环状结构上端面开口孔的内侧边距离b为2mm～8mm；平行四边形的长对角线与圆环状结构的上端面之间的夹角β≤90°。

实际实施时，平行四边形两锐角边的夹角α优选为30°；平行四边形的水平边a长优选为10mm；平行四边形的高h优选为6mm，平行四边形长对角线的顶点离所述圆环状结构上端面开口孔的内侧边距离b优选为4mm；平行四边形的长对角线与圆环状结构的上端面所在平面之间的夹角β＝α/2，其中的α为平行四边形的两锐角边之间的夹角。

在本技术方案中，超声波发生器所产生的超声波信号的频率，仅与开口斜凹槽的几何结构尺寸或超声波发声器的上端面距离所述阀座上密封面的距离c相关。

通过采用本实用新型所述的技术方案，即可实现远程、安全、实时在线地检测安全阀是否发生泄漏。

实施例

(1)将带有超声波发生器3的弹簧式蒸汽安全阀安装于试验蒸汽管道上，连接、设置好超声波探头12和计算机8和信号采集器9，计算机8上持续输出环境中 各个频率声波信号的幅值谱，实时在线检测安全阀是否发生泄漏。

(2)该阀的整定压力为8.5MPa，试验蒸汽管道内蒸汽压力为7.5MPa时，计算机上观察到图4所示幅值谱。由图4可见，各频率的超声波信号幅值都很低，说明安全阀没有发生泄漏。

(3)当蒸汽管道内压力升高至7.6MPa时，计算机上观察到图5所示幅值谱。由图5可见，频率为30KHz的超声信号幅值急剧增大，说明蒸汽出口管道内30KHz的超声波明显增强，同时现场测试人员使用冷棒在7.6MPa时检测到泄漏，说明该泄漏检测装置准确性很高。

(4)继续升高试验蒸汽管道内蒸汽压力，当压力升高到7.7MPa时，计算机上观察到图6所示幅值谱。由图6可见，频率为30KHz的超声信号幅值继续增大，频率为30KHz的超声波继续增强，说明泄漏增大。

综上，由实施例可以得出，超声检测装置检测到30KHz的超声信号明显增强时，说明安全阀发生泄漏；30KHz超声信号继续增强说明泄漏增大。通过这套安全阀泄漏检测装置，可以远程、安全、实时、在线地监控蒸汽安全阀是否发生泄漏。

由于本实用新型的技术方案，在蒸汽安全阀的下调节圈上设置了一个能产生特定频率超声波的超声波发生器，在蒸汽出口管道上设置了一个超声波探头；通过检测超声波探头所处环境中各个频率声波信号的幅值谱，观察某一固定频率超声波信号是否明显增强，或者，通过判断各个频率声波信号的幅值是否超过预设定值，即可安全、远程、实时在线地判断蒸汽安全阀是否发生了蒸汽泄漏。与现有的安全阀泄漏检测方法相比，本技术方案具有远程、安全、实时在线监测、准确性高的优点。

本实用新型可广泛用于各种规格尺寸蒸汽安全阀的在线泄漏检测领域。