近年來，我國的工業(yè)迅猛發(fā)展，閥門在工業(yè)領(lǐng)域所起到的作用越來越不可小覷。閥門作為一種重要的管道元件，在管路中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用中，泄漏是閥門的主要破壞形式之一，也是影響閥門安全運(yùn)行的首要問題。當(dāng)閥門投入使用后，由于壓力的變化和被管道內(nèi)部介質(zhì)的腐蝕而產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致泄漏。閥門的泄露方式主要分為內(nèi)泄漏和外泄漏，其中較為嚴(yán)重的泄漏是內(nèi)泄漏，由于發(fā)生在閥門的內(nèi)部，不易被察覺，所以檢測(cè)和維修方法較為復(fù)雜。在高溫、高壓蒸汽管線中，蒸汽介質(zhì)具有壓力大、溫度高、密度小等特點(diǎn)，閥門的內(nèi)泄漏更易發(fā)生。這就造成了管路系統(tǒng)的壓力損失和能量耗散等問題[1]。由于閥門的泄漏不僅會(huì)降低工廠效益，而且傳統(tǒng)的檢測(cè)蒸汽閥門的方法會(huì)產(chǎn)生工廠停工而造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。因此，許多相關(guān)人員對(duì)于蒸汽閥門的在線內(nèi)漏檢測(cè)方法進(jìn)行了研究。
目前，大多數(shù)傳統(tǒng)的蒸汽閥門在線內(nèi)漏檢測(cè)方法的主要原理是在管道的周圍布置各類傳感器和測(cè)量元件，通過測(cè)量相關(guān)參數(shù)數(shù)值來檢測(cè)閥門的內(nèi)漏問題。然而，這些方法大都只限于原理的介紹和定性的驗(yàn)證分析，對(duì)于閥門的泄漏程度和泄漏速度等問題卻研究較少。因此，對(duì)于蒸汽閥門在線檢漏問題展開深入的研究具有十分重要的意義[2]。本文針對(duì)蒸汽閥門的在線檢漏問題，基于傳熱學(xué)的方法，建立相關(guān)模型，定量地對(duì)蒸汽閥門的內(nèi)漏速度進(jìn)行分析和計(jì)算。
1 基于傳熱學(xué)的蒸汽閥門內(nèi)漏檢測(cè)方法分析
根據(jù)傳熱學(xué)原理，熱的傳遞是由于物體內(nèi)部或物體之間的溫差引起的，熱量總是自動(dòng)地從溫度較高的物體傳遞給溫度較低的物體。而實(shí)現(xiàn)這種傳遞有3種方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。
?。?）熱傳導(dǎo)是指物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱能量傳遞。
?。?）熱對(duì)流是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷、熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過程。熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中，而且由于流體中的分子同時(shí)在進(jìn)行著不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，因此熱對(duì)流必然伴隨有熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。
?。?）熱輻射是指物體通過電磁波來傳遞能量的方式。物體會(huì)因?yàn)楦鞣N原因發(fā)出輻射能，其中因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。
本文就是基于以上方法和原理進(jìn)行研究的。當(dāng)閥門出現(xiàn)內(nèi)漏時(shí)，管道內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)高于環(huán)境溫度的蒸汽介質(zhì)。根據(jù)能量守恒定律得知：無論是流體與管道內(nèi)壁的熱對(duì)流、內(nèi)壁與外壁之間的熱傳導(dǎo)，還是外壁與周圍環(huán)境介質(zhì)的熱對(duì)流和熱輻射，其中所傳遞的總熱量Q是守恒的[3-4]。
1.1 保溫層外壁與空氣的自然對(duì)流
自然對(duì)流傳熱區(qū)分為大空間自然對(duì)流與有限空間自然對(duì)流，又稱為外部自然對(duì)流與內(nèi)部自然對(duì)流。所謂大空間自然對(duì)流是指，熱邊界層的發(fā)展不受到干擾或阻礙的自然對(duì)流，而不拘泥于幾何上的很大或無限大。而在有限空間自然對(duì)流中，或者邊界層的發(fā)展受到干擾，或者流體的流動(dòng)受到限制，使其換熱規(guī)律有別于大空間的情形。保溫層外壁與空氣之間的換熱屬于外部自然對(duì)流。
管道保溫層外壁與環(huán)境中空氣的自然對(duì)流換熱量Q如下：
Q=α1（t2-t3）（1）
公式（1）中：α1為空氣與保溫層外壁的給熱系數(shù)；t2為保溫層外壁的溫度；t3為環(huán)境中空氣的溫度。
α1=λ1Nu1/l（2）
公式（2）中：Nu1為努賽爾數(shù)；l為設(shè)備定型尺寸。
外部環(huán)境中的空氣與管道保溫層外壁之間屬于自然對(duì)流換熱，故：
Nu1=C（GrPr）n（3）
對(duì)于蒸汽管路，式（3）中的C為系數(shù)（一般取0.1～0.13）；n為系數(shù)（一般取1/3）；Gr為格拉曉夫數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)。
Gr= （4）
Pr= （5）
式中：ρ為空氣的密度；Β為膨脹系數(shù)；G為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?。△t為t2-t3；Cp1為流體定壓比熱容；μ1為流體動(dòng)力黏度；λ1為空氣導(dǎo)熱系數(shù)。
1.2 管壁與保溫層間的熱傳導(dǎo)
管道（保溫層）內(nèi)部的熱量通過管壁（保溫層）傳遞到其外部溫度較低的部分屬于導(dǎo)熱現(xiàn)象，通過大量實(shí)際導(dǎo)熱問題的經(jīng)驗(yàn)提煉，導(dǎo)熱現(xiàn)象的規(guī)律已經(jīng)總結(jié)為傅里葉（Fourier）定律。
保溫層與管壁之間熱量的傳遞均為熱傳導(dǎo)，根據(jù)傅里葉定律，圓筒壁所傳遞的熱量如下：
Q= （6）
公式（6）中：t1為管道內(nèi)壁的溫度；t2為保溫層外壁溫度；d0為管道內(nèi)徑；d1為管道外徑（保溫層內(nèi)徑）；d2為保溫層外徑；l為管道長(zhǎng)度；λ2為管壁的導(dǎo)熱系數(shù)；λ3為保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)；Rs1、Rs2為管道內(nèi)壁與外壁的污垢熱阻。
1.3 管道內(nèi)蒸汽介質(zhì)強(qiáng)制對(duì)流換熱[5]
內(nèi)部流動(dòng)與外部流動(dòng)的區(qū)別主要在于流動(dòng)邊界層與流道壁面之間的相對(duì)關(guān)系不同：在外部流動(dòng)中，換熱壁面上的流體邊界層可以自由地發(fā)展，不會(huì)受到流道壁面的阻礙或限制。因此，在外部流動(dòng)中往往存在著一個(gè)邊界層外的區(qū)域，在那里無論速度梯度還是溫度梯度都可以忽略。而在內(nèi)部流動(dòng)中，換熱壁面上邊界層的發(fā)展受到流道壁面的限制，因此其換熱規(guī)律就與外部流動(dòng)有明顯的區(qū)別。
由于管道內(nèi)部之間為蒸汽介質(zhì)，其傳熱方式應(yīng)為內(nèi)部強(qiáng)制對(duì)流換熱，則： Q=α2（t0-t1）（7）
α2=λ4 Nu/l（8）
式中：α2為蒸汽與管道內(nèi)壁的給熱系數(shù)；λ4為蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)。
蒸汽介質(zhì)與管道內(nèi)壁之間屬于強(qiáng)制對(duì)流換熱，且蒸汽介質(zhì)的溫度實(shí)際上會(huì)有所下降，故：
Nu2=0.023Re0.8Pr0.3（9）
Re= （10）
Pr= （11）
式中：Nu2為努賽爾數(shù)；u為蒸汽的泄漏速度；ρ2為蒸汽的密度；μ2為蒸汽的動(dòng)力黏度；Cp2為蒸汽的定壓比熱容。
聯(lián)立以上各式，便能求得蒸汽在管道內(nèi)的流動(dòng)速度，即閥門的內(nèi)漏速度u。
2 檢測(cè)元件的選取與布置安裝
2.1 檢測(cè)元件的選取
要準(zhǔn)確地掌握閥門的內(nèi)漏點(diǎn)和泄漏速率，最好的方法就是使用較為精確的溫度測(cè)量?jī)x表和測(cè)溫方式。溫度測(cè)量?jī)x表按測(cè)溫方式劃分主要有接觸式和非接觸式兩大類。接觸式儀表的測(cè)量原理比較簡(jiǎn)單且測(cè)量可靠、精度高。但因測(cè)溫元件與被測(cè)介質(zhì)間需要進(jìn)行充分的熱交換，所以存在測(cè)溫延遲的現(xiàn)象。同時(shí)，受測(cè)量?jī)x表材料的使用溫度限制，而不能在很高溫度的介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)測(cè)量。非接觸式儀表的測(cè)溫原理主要是熱輻射，因此它不需要與被測(cè)介質(zhì)直接接觸且測(cè)溫范圍廣，不受測(cè)溫上限的限制，反應(yīng)速度較快。但物體的發(fā)射率、測(cè)量距離和水汽等因素會(huì)影響其測(cè)量結(jié)果[6]?？紤]到蒸汽介質(zhì)的性質(zhì)，決定采用接觸式測(cè)溫元件[7]。
2.2 檢測(cè)元件的安裝
測(cè)溫元件應(yīng)起到數(shù)據(jù)采集的作用。根據(jù)蒸汽的工作壓力、溫度和其他特性，合理地選擇測(cè)溫元件是保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確的前提。
?。?）測(cè)溫元件的安裝應(yīng)便于儀表維修工作人員的維護(hù)、校驗(yàn)和拆裝。
?。?）在加裝保護(hù)外套時(shí)，為減少測(cè)溫時(shí)的滯后，可在2個(gè)套管之間加裝傳熱良好的填充物。
?。?）凡是安裝承壓的測(cè)溫元件，必須保證密封。當(dāng)壓力過高時(shí)，應(yīng)加裝保溫套。
（4）由于蒸汽屬于高溫介質(zhì)，在安裝測(cè)溫元件時(shí)，應(yīng)盡可能地保持垂直，以防測(cè)溫元件保護(hù)管在高溫下產(chǎn)生變形。
?。?）若蒸汽介質(zhì)中含有雜質(zhì)，為使測(cè)溫元件免受磨損，應(yīng)加裝保護(hù)套，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
?。?）測(cè)溫元件安裝在負(fù)壓管道或設(shè)備時(shí)，必須保證安裝孔與測(cè)溫元件的密封，以免冷空氣被吸入時(shí)，降低該測(cè)溫點(diǎn)的指示值。
?。?）在蒸汽流速較大的管道中安裝測(cè)溫元件時(shí)，測(cè)溫元件必須傾斜安裝，以免受到過大沖蝕。
?。?）避免熱輻射。由于本文所述的蒸汽閥門內(nèi)漏速度的計(jì)算是基于熱輻射被忽略的基礎(chǔ)上的，因此應(yīng)在測(cè)溫元件與器壁之間加裝防輻射罩[8]。
3 結(jié)論
本文對(duì)蒸汽閥門的內(nèi)漏速度進(jìn)行了分析和計(jì)算，得到結(jié)論如下。
（1）充分將傳熱學(xué)和熱力學(xué)理論與實(shí)際工程相結(jié)合，通過能量守恒定律、熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流等相關(guān)知識(shí)，定量地計(jì)算了閥門的內(nèi)漏速度。
?。?）通過合理地選取和布置測(cè)量元件，能夠較為精準(zhǔn)地確定發(fā)生內(nèi)漏的閥門，節(jié)約了時(shí)間，同時(shí)為維修人員提供了方便，而且在一定程度上保證了工廠的經(jīng)濟(jì)效益。
?。?）本文所述的計(jì)算方法是基于傳熱學(xué)與熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)，在介質(zhì)與環(huán)境之間溫差較大的情況下使用，可以較為精確地計(jì)算閥門的泄漏速度。