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解析控制閥內部和周圍振動產生的原因以及查明問題的方法
來源：上海自動化儀表有限公司作者：發表時間：2018-10-08 09:45:25【小中大】
控制閥裝置附近的振動可以源自許多來源。以下是查明問題的方法。
上海自動化儀表股份有限公司技術人員在帶有噪聲微調和通風擴散器的截止閥上安裝加速度計，將振動轉換為噪聲。
過度振動會導致控制閥，測量設備和管道系統損壞。工廠經常試圖通過測量振動，移動設備，加強閥門結構，重新焊接破裂的管道，更換管道系統和其他補救措施來解決問題 - 只是發現問題仍然存在。
這是因為通常很難找到振動源，這種振動源不僅可以來自控制閥，還可以來自上游和下游管道和設備。
本文將討論現代技術，以幫助監控，預測和解決控制閥附近振動引起的問題。
圖：控制閥振動導致閥桿斷裂。
振動源
在控制閥安裝中經歷的振動可能是由泵空化，流動脈動，流動引起的激勵，渦旋脫落，快速閥門關閉，蒸汽袋坍塌，泵啟動和關閉，團狀流，水錘和許多其他難以診斷條件。
例如，閥塞可能會振動并導致保持架損壞，或者它可能導致疲勞失效，例如閥桿在連接到閥塞的地方斷裂。保持架損壞的結果可能是更高的摩擦，因此閥組件性能差。如果閥桿斷裂，則閥門停止工作。
在某些情況下，閥門和管道可能會如此嚴重地震動，以至于工人們害怕靠近系統，因為管道會爆裂。在其他情況下，產生的閥門噪音過大。
兩種常見類型的振動與控制閥安裝相關聯。聲學誘導振動（AIV）會產生過高水平的高頻聲能，這會導致焊接下游連接器的疲勞失效。這在液體天然氣緊急排污系統中經常出現，但在其他工藝管道系統中也可以找到。閥門和其他管道元件產生的噪音水平足夠高，可能對管道系統造成破壞性振動。
流體誘導振動（FIV）產生高水平的動能，可能導致管道振動，松動管道支撐并導致管道支管疲勞失效。
過度振動會損壞控制閥的附件，例如安裝支架，執行器管，變送器和執行器。致動器管可能在螺母/套圈位置處或附近遭受疲勞失效，導致管中的壓力損失。在管道中沒有壓力的情況下，不能控制致動器或控制部件之間的壓力信號丟失。在任何一種情況下，閥門都不再按設計運行。
振動還可能導致附近測量組件的疲勞失效，例如安裝在下游或上游管道中的壓力或溫度儀表。這種振動會損壞儀器或降低儀器與管道的連接。儀器損壞可能導致測量信號丟失，并且連接到管道的故障可能導致泄漏。
振動會導致管道疲勞失效，特別是在焊縫和分支處。至少，由于產生的噪音，振動很煩人。在最壞的情況下，振動會破壞管道，導致泄漏并阻止閥門控制過程。在任何一種情況下，最困難的問題之一是確定導致振動的原因。
圖：流體引起的振動和聲振引起的振動會破壞焊接，松開管道支撐，引起疲勞問題并關閉工藝。
測量振動：
利用放置在閥和致動器組件上以及閥的上游和下游的不同點處的加速計來測量振動。雖然可以使用手持設備測量振動，但首選解決方案是使用無線電池供電的加速度計。
較舊的振動傳感器通常用于發現可能不適合診斷閥門振動的電機，泵和其他旋轉設備中的問題。這些振動傳感器通常在1,000赫茲（Hz）或更低的低頻范圍內工作，而控制閥AIV可以達到3至5千赫茲甚至更高的水平。
安裝振動傳感器有兩個基本原因：首先，測量閥門內部和周圍的振動并評估其在不同位置的嚴重程度；第二，在采取糾正措施后評估振動的變化和減少。
在大多數情況下，傳感器安裝在閥蓋，閥桿連接器，執行器或入口和出口管道上。如果在一個區域中發生特定損壞或高振動，則傳感器通常安裝在感興趣的區域附近。在熱系統（例如蒸汽管線）的情況下，傳感器具有安裝件以將傳感元件與高溫隔離。
傳感器放置也可以由識別高噪聲源的聲學測量決定。為了確定噪聲源是否在閥門的上游 - 然后噪聲傳播通過系統 - 傳感器可以安裝在閥門的上游和下游，以及閥桿上。
如果在閥門旁邊發現最高振動水平，則噪聲的來源或原因很可能是閥內件組件。
如果最高振動是下游，則問題可能是緊密耦合的系統，其中閥門太靠近彎頭和其他設備，導致流動引起的湍流。管道系統有時在閥門入口附近設計有彎頭或三通。不幸的是，這提供了進入閥門的湍流，這可能導致比閥門中的典型振動更多的振動以及閥門下游的管道中的額外湍流，從而引起過度振動。
類似地，管道可以設計成直接在閥門下游放置彎頭或三通的位置。來自閥出口的流動可與管道元件相互作用，從而引起高湍流和振動。這兩種情況都可以通過在閥門的上游或下游移動管道元件來解決。一般情況下，最好保持肘部前至少20個直徑和6個直徑。
現代無線振動傳感器提供完整的振動數據，包括總體水平，能帶，高分辨率光譜和波形。有些傳感器可以測量高達20,000 Hz的振動，并通過無線網絡將測得的振動數據傳輸到工廠的控制和監控系統或基于PC的軟件進行分析。如果需要，PC可以將數據上傳到云，可以從任何可以訪問互聯網的位置訪問云。
這種系統的一個優點是它將以設定的間隔（例如每分鐘或每幾個小時）獲取數據。這允許經常在幾天，幾周或幾個月的時間內測量振動。然后可以趨向于這些振動測量以揭示導致失敗的模式，從而允許事先采取糾正措施。
手動系統是手持式的并且需要操作員在場進行測量，因此這些測量通常不那么頻繁地進行，通常僅在振動很大時才進行。
用于分析振動問題的其他有用數據包括：
聲音的聲學讀數；
測量傳感器；
流量，壓力和溫度的過程變量測量；
與相鄰設備及其運行有關的一般數據；
吹氣閥或安全閥已打開或關閉的指示；
控制系統動作，例如打開和關閉閥門，啟動和停止泵，或控制過程的其他操作。
通過分析振動數據并尋找振動與變化過程條件之間的相關性，工程師可以確定振動的根本原因。
圖：振動和聲級隨時間變化的曲線圖，與工藝變化相比 - 例如打開和關閉閥門 - 可以識別過度振動的來源。
分析數據
來自振動傳感器的數據可以發送到過程工廠的控制和監控系統，但分析可能很困難，因為它通常需要高水平的專業知識，以及專門的培訓和工具，以從數據中提取可用信息。
計算流體動力學（CFD）是一種用于預測流體行為的軟件工具。CFD無法預測AIV頻率下管道系統中的聲場。雖然這些軟件程序可提供執行預測性維護的選項，但結果通常與傳感器測量的實際聲場相比較差。
比CFD更好的解決方案或操作員查看控制和監控系統屏幕的分析是專業分析軟件，它可以減少振動分析的復雜性，通過單一趨勢提供簡單，可靠的設備健康指示。一個這樣的軟件過濾掉傳統的振動信號，專注于影響，這是一個更好的整體資產健康指標。使用該軟件，分析振動數據的頻率，位移幅度，速度和加速度，振動特性和振動隨時間的變化。
例如，軟件在頻譜中尋找峰值。峰值是激發的系統的響應中的共振的指示，或者是在音調處產生的激勵。
在音調處產生激勵的示例，壓縮器可能在一組頻率處產生信號，因此在那些頻率處的響應指示對輸入的響應。如果激勵是湍流，并且存在測量振動的峰值，則這將是共振的指示。如果振動很寬，則表明流動中存在強烈湍流的區域。根據激勵和響應的類型，緩解措施會有所不同，因此精確識別問題非常重要。
如果振動水平隨時間增加，則表示系統發生變化。工廠人員可以使用此信息來探索過程設置的變化，從而將振動降低到可接受的水平。他們還可以識別一組工藝條件的高振動水平，并通過設置導致這些條件限制工藝運行的時間。
振動的增加也可以表明即將發生或存在結構性故障。該軟件結合系統知識可以揭示這些類型的故障，并將其與其他故障模式區分開來。
傳感器的振動強度和聲級隨時間的曲線顯示了與過程變化相關的突然幅度增加。
在另一種情況下，在研究致動器管道損壞的原因時，分析顯示計算指標與過程壓力之間存在直接關聯。當指示器達到最大值時，管道失效。
圖：在蒸汽泄放系統上安裝了無線振動傳感器，以分析導致裂縫失效的振動原因。
解決蒸汽泄漏系統振動問題
明尼蘇達州的一家乙醇工廠多年來一直受到蒸汽泄放系統的振動問題的困擾，該系統影響了閥門，管道，擴散器和蒸汽集管。在流入蒸汽擴散器之前，減壓系統將蒸汽壓力從125 psig降低到12至14 psig。
具體問題包括蒸汽擴散器上或周圍的重復焊接和部件故障，這些故障困擾工廠并導致意外停機。對擴散器的維修費用為70,000美元，閥門維修費用為28,000美元，安裝蒸汽分離器的費用為60,000美元。每次系統不得不關閉進行維修時，公司將損失10萬美元的生產成本。
工廠改變了擴散器，嘗試了不同的材料，將閥門移離擴散器，并在顧問處召集。沒有任何效果。獨立振動分析表明振動水平高但沒有確定原因。
雖然閥門不是費希爾閥門，但上海自動化儀表有限公司派出工程師來測量振動并分析問題。他們在閥門的上游和下游以及閥門和執行器上安裝了無線振動傳感器。關聯振動數據，操作信息和歷史數據表明，問題不是由閥門引起的，而是與過程變化直接相關。
具體而言，擴散器尺寸過大，導致壓力過大。通過檢查來自振動傳感器的數據和來自擴散器的操作數據，發現了這種相關性。
概要
過度振動會損壞閥門，執行器和管道。雖然傳感器可以測量振動，但找出問題的根本原因可能很困難。在許多情況下需要的是用于分析振動，過程數據和廣泛領域專業知識的專業軟件，以將振動數據與過程條件相關聯。如果內部沒有這種專業知識，上海自動化儀表股份有限公司專家通常可以提供所需的幫助。
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