СИСТЕМА КОНТРОЛЯ УПРАВЛЯЮЩЕГО КЛАПАНА И СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ В МЕХАНИЧЕСКОЙ ЦЕЛОСТНОСТИ ВАЛА КЛАПАНА
CONTROL SYSTEM OF CONTROL VALVE AND METHOD OF DETECTING CHANGE IN MECHANICAL INTEGRITY OF VALVE SHAFT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к обслуживанию управляющих клапанов, а именно, к системе обнаружения усталости вала в управляющем клапане.
Уровень техники
Управляющий клапан регулирует расход текучей среды по мере изменения положения запирающего элемента или тарелки клапана под воздействием усилия приводного механизма. Для выполнения этого действия управляющий клапан должен: (1) содержать текучую среду без наружной утечки; (2) иметь соответствующую возможность для предусмотренного обслуживания; (3) обладать возможностью выдерживать воздействие эрозии, коррозии и температуры процесса и (4) содержать соответствующие концевые соединения для сопряжения со смежными трубопроводами и средствами присоединения приводного механизма для обеспечения передачи осевой нагрузки приводного механизма к штоку запирающего механизма или поворотному валу клапана, например.
Известны многие типы управляющих клапанов. Например, золотниковые управляющие клапаны и управляющие клапаны с поворотным валом хорошо известны в области клапанов управления процессами. Золотниковые управляющие клапаны включают шаровые клапаны, содержащие запирающий элемент, осуществляющий линейное перемещение, один или большее количество каналов и корпус, отличающийся полостью сферической формы вокруг участка канала. В золотниковых управляющих клапанах обычно используется запирающий элемент для того запорного элемента, который расположен в проточном канале, чтобы изменять скорость потока через клапан. Золотниковый управляющий клапан, кроме того, содержит шток клапана, имеющий первый конец, соединенный с запорным элементом, и второй конец, противоположный первому концу, соединенный с приводным механизмом.
Управляющий клапан с поворотным валом представляет собой клапан, в котором элемент управления потоком, такой как полный шар, часть шара, сфера или диск, поворачивается в струйном потоке для регулирования пропускной способности клапана. Управляющий клапан с поворотным валом содержит вал, который соответствует штоку клапана для шарового или золотникового клапана.
Известны некоторые способы обнаружения усталости и наступления растрескивания в вале управляющего клапана с поворотным валом или штоке золотникового управляющего клапана. Например, известным является монтаж тензодатчиков на штоках и валах управляющих клапанов для проверки того, что усилие или крутящий момент передается к клапану сразу же, как только устройству для позиционирования и приводному механизму передан управляющий сигнал на закрывание.
Необходимо, однако, обнаруживать трещины в штоке или вале клапана, которые слишком малы для распознавания при визуальном осмотре, например. Необходимо также обнаруживать трещины и усталость в штоке и вале клапана раньше и более точно, чем это позволяют существующие способы. Для этого конечные пользователи оповещаются о том, что управляющий клапан нуждается в запасных частях и обслуживании, что содействует более эффективному обслуживанию и более длительному сроку службы управляющего клапана.
Раскрытие изобретения
Система контроля управляющего клапана содержит по меньшей мере один датчик, соединенный с валом клапана, для обнаружения изменения в механической целостности этого вала клапана; и устройство для получения данных об изменениях в механической целостности этого вала клапана. По меньшей мере один датчик может представлять собой один или более из числа звукоизлучающего датчика, активного ультразвукового датчика и датчика на основе волоконно-оптических решеток Брэгга (FBG). Датчик может быть прикреплен к одному концу вала клапана. По меньшей мере один датчик также может прикрепляться к наружной поверхности вала клапана между элементом управления и приводным механизмом. FBG датчик может измерять напряжение в локализованной зоне вала клапана. Звукоизлучающий датчик может обнаруживать образование трещин в указанном вале клапана вследствие изменения в записи акустического сигнала. Кроме того, по меньшей мере один из звукоизлучающего датчика, активного ультразвукового датчика и FBG датчика может быть беспроводным. По меньшей мере один датчик может быть встроен в вал клапана во время изготовления вала клапана. По меньшей мере один датчик может прикрепляться к валу клапана с помощью одного или большего из числа связующих материалов, материалов для пайки или болтов. Система контроля управляющего клапана может, кроме того, содержать запоминающее устройство и источник питания для сбора данных и сообщения об ошибках в вале клапана.
В другом примере осуществления изобретения способ обнаружения изменения в механической целостности вала клапана управляющего клапана с поворотным валом включает в себя объединение по меньшей мере одного из числа звукоизлучающего датчика и датчика на основе волоконно-оптических решеток Брэгга (FBG) с валом клапана; определение усталости в вале клапана, включающее один или более из следующих шагов: (1) обнаружение изменения в записи акустического сигнала между датчиком и валом клапана; и (2) измерение напряжения в локализованной зоне вала клапана. Встраивание по меньшей мере одного датчика в вал клапана может включать прикрепление указанного по меньшей мере одного датчика к одному концу вала клапана посредством болтового или другого механизма соединения. Встраивание по меньшей мере одного датчика в вал клапана может включать прикрепление указанного по меньшей мере одного датчика путем скрепления посредством связующего или пайки к наружной поверхности вала клапана. Указанный способ может дополнительно включать получение данных об изменении в механической целостности вала клапана к одному или большему количеству элементов, выбранных из группы, содержащей локальное цифровое устройство для позиционирования клапана, обособленное устройство для сбора и обработки данных, пакет программ для управления ресурсами или систему управления.
Краткое описание графических материалов
На фиг. 1 изображен поперечный разрез управляющего клапана с поворотным валом.
На фиг. 2 изображен поперечный разрез золотникового управляющего клапана.
На фиг. 3 приведен вид в перспективе вала управляющего клапана с поворотным валом по фиг. 1, снабженного системой контроля управляющего клапана, объединенной с ним.
На фиг. 4 приведен вид в перспективе вала управляющего клапана с поворотным валом по фиг. 1, снабженного другим вариантом осуществления системы контроля управляющего клапана, объединенной с ним.
Осуществление изобретения
Со ссылками на фиг. 1 изображен управляющий клапан 10 с поворотным валом. Управляющий клапан 10 с поворотным валом содержит корпус 12 клапана, впускное отверстие 14 клапана, выпускное отверстие 16 клапана, и проточный канал 18, который проходит между впускным отверстием 14 клапана и выпускным отверстием 16 клапана. Проточный канал 18 содержит канал 20 управления, и выполненный с возможностью перемещения элемент 22 управления, расположенный с возможностью перемещения в канале 20 управления. Элемент 22 управления представляет собой поворотный элемент 22A управления, который соединен с валом 24 клапана. Элемент 22 управления может быть, например, тарелкой клапана, частичным или полным шаром или любым другим видом поворотного элемента управления. Вал 24 клапана функционально соединен с приводным механизмом (не показан), который может быть любым видом приводного механизма, обычно используемого в данной области техники.
Элемент 22 управления расположен таким образом, что он располагается внутри канала 20 управления, и положением элемента 22 управления внутри канала 20 можно управлять, используя приводной механизм (не показан), регулирующий количество потока текучей среды через канал 20 управления. Управляющий клапан 10 содержит канал 27, который имеет размеры, подходящие для вхождения вала 24 клапана. Корпус 12 клапана содержит сальниковую коробку 28, а первичный набивочный пакет 30 расположен в сальниковой коробке 28. Набивочный пакет имеет такие размеры, чтобы прилегать к валу 24 клапана.
Со ссылками на фиг. 2 изображен золотниковый управляющий клапан 100. Как и управляющий клапан 10 с поворотным валом, золотниковый управляющий клапан 100 также содержит корпус 112 клапана, впускное отверстие 114 клапана, выпускное отверстие 116 клапана, и проточный канал 118, проходящий между впускным отверстием 114 клапана и выпускным отверстием 116 клапана. Проточный канал 118 также содержит канал 120 управления, и выполненный с возможностью перемещения элемент 122 управления, расположенный в канале 120 управления. Элемент 122 управления представляет собой линейный элемент 122A управления, такой как запирающий элемент, который соединен с первым концом штока 124 клапана. Второй конец штока 124 клапана, расположенный напротив первого конца, функционально соединен с приводным механизмом (не показано), обычно используемым в данной области техники.
Со ссылками на фиг. 3 показан вал 24 управляющего клапана 10 с поворотным валом по фиг. 1. Вал 24 содержит часть поворотного элемента 22A управления на одном конце. Система 200 контроля управляющего клапана встроена в вал 24. Аналогичным образом система 200 контроля управляющего клапана может также быть встроена в шток 124 золотникового управляющего клапана 100 по фиг. 2. Система 200 контроля управляющего клапана содержит датчик 210 для обнаружения наступления растрескивания или изменений свойств материала вала 24 или штока 124. Точнее говоря, звукоизлучающий датчик 210A закреплен на одном конце вала 24 или штока 124 клапана посредством болтового или другого механизма соединения. Звукоизлучающий датчик 210A обнаруживает изменение в механической целостности вала 24 или штока 124 клапана (фиг. 2) вследствие изменения в записи акустического сигнала, при использовании метода контроля целостности конструкций (SHM).
В целом, SHM представляет собой процесс реализации обнаружения повреждений и стратегии диагностики для инженерных сооружений. Часто повреждение определяется как изменение свойств и/или геометрических размеров материала конструктивной системы, которые отрицательно влияют на рабочие параметры системы. Процесс SHM включает в себя наблюдение за системой в течение определенного времени, используя периодические выборочные измерения динамической характеристики от комплекта датчиков, выделение из этих измерений характеристик, чувствительных к повреждениям, и статистический анализ этих характеристик для определения текущего состояния работоспособности системы. См, например ссылку http://en.wikipedia.org/wiki/Structural_health_monitoring, April 13, 2011.
Система 200 контроля управляющего клапана, кроме того, содержит устройство 220 для получения данных об изменении механической целостности штока 124 клапана или вала 24 клапана. Устройство 220 может быть локальным цифровым устройством для позиционирования клапана, обособленным устройством для сбора/обработки данных, пакетом программ для управления ресурсами, или системой управления, такой как система управления Delta V.
Как показано на фиг. 3, датчик 210A обнаруживает изменения в механической целостности вала 24 или штока 124 клапана (фиг. 2) вследствие изменения в записи акустического сигнала между датчиком 210A и валом 24 или штоком 124 клапана. Данные об изменении в механической целостности вала 24 или штока 124 клапана (фиг. 2) затем предоставляются конечному пользователю. Точнее говоря, обнаруженная ошибка или отклонение от базисной записи может передаваться к локальному цифровому устройству для позиционирования клапана, обособленному устройству для сбора/обработки данных, пакету программ для управления ресурсами, или системе управления, такой как система управления Delta V, каждая из которых может быть частью системы 200 контроля управляющего клапана. В одном варианте осуществления обнаруженная ошибка вызывает состояние готовности цифрового устройства для позиционирования клапана или системы сбора данных (не показано), которая будет выполнять индикацию изменения в состоянии или приближающегося отказа вала 24 или штока 124 клапана. Если датчик 210A указывает, что в вале 24 или штоке 124 (фиг. 2) обнаружена трещина, у конечного пользователя есть допустимое время для подготовки к обслуживанию вала 24 или штока 124 клапана. В другом варианте осуществления система 200 может также определять степень изменения обнаруженного повреждения и может, следовательно, обеспечить оценку оставшегося срока службы компонента.
Как показано на фиг. 4, вал 24 управляющего клапана 10 с поворотным валом по фиг. 1 снова показан с другой системой 300 контроля управляющего клапана, используя метод SHM. Аналогичным образом система 300 контроля управляющего клапана может использоваться со штоком 124 золотникового управляющего клапана 100 по фиг. 2. Система 300 контроля управляющего клапана содержит по меньшей мере один датчик 310A, который может быть датчиком 310A на основе волоконно-оптических решеток Брэгга (FBG) для обнаружения трещин или изменений в свойствах материала вала 24 или штока 124. FBG датчик 310A прикреплен посредством скрепления посредством связующего или пайки к наружному диаметру вала 24 или штока 124 между элементом 22A клапана и приводным механизмом (не показан), расположенным на конце вала 24 напротив элемента 22A клапана. Датчик FBG 310A измеряет деформацию на локализованном участке вала 24 или штока 124 (фиг. 2). При этом система 300 контроля управляющего клапана объединяет измерение физических характеристик вала 24 или штока 124 клапана (вместо прогнозной или расчетной оценки усталости компонентов), обеспечивая конечному пользователю время для подготовки к обслуживанию вала 24 или штока 124 клапана.
Датчик 310A системы 300 контроля управляющего клапана может, как вариант, быть активным ультразвуковым датчиком, который обнаруживает изменение в механической целостности вала 24 или штока 124 клапана (фиг. 2) вследствие изменения ультразвуковых волн Лэмба между ультразвуковым датчиком и валом 24 или штоком 124 клапана. Точнее говоря, активный ультразвуковой датчик и приводной механизм передает к материалу вала 24 или штока 124 клапана (фиг. 2) небольшое сжатие, а затем ожидает записи результирующих ультразвуковых волн, которые распространяются через компонент. Трещины или другие дефекты в материале вала 24 или штока 124 клапана будут искажать отраженные волны. Такие активные ультразвуковые датчики могут прикрепляться путем скрепления посредством связующего или пайки к наружному диаметру вала 24 или штока 124 или концу вала 24 штока 124, как показано для варианта на фиг. 3. Однако активные ультразвуковые датчики обычно монтируют на конце вала 24 клапана для поворотных клапанов и наружном диаметре штока 124 клапана (фиг. 2) для золотниковых клапанов (фиг. 2).
В еще одном варианте осуществления, датчик 310A системы 300 контроля управляющего клапана может быть одним или большим количеством пьезоэлектрических волновых активных датчиков или пьезокерамических (PZT) датчиков. В данном случае полное сопротивление пьезоэлектрического волнового активного датчика или PZT датчика (фиг. 2) сравнивается с полным сопротивлением вала 24 или штока 124, что позволяет обнаруживать изменение в механической целостности вала 24 или штока 124 клапана.
Аналогично системе 200 контроля управляющего клапана по фиг. 3, система 300 контроля управляющего клапана, кроме того, содержит устройство 320 для получения данных об изменении механической целостности штока 124 клапана или вала 24 клапана. Устройство 220 может быть локальным цифровым устройством для позиционирования клапана, обособленным устройством для сбора/обработки данных, пакетом программ для управления ресурсами, или системой управления, такой как система управления Delta V.
Хотя датчики 210A и 310A могут прикрепляться к валу 24 и штоку 124 клапана, используя связующее вещество, паяльный материал, болты или другие механизмы крепления. известные специалистам, датчики 210A и 310A могут, как вариант, объединяться с валом 24 или штоком 124 клапана при их изготовлении.
Кроме того, для акустических или ультразвуковых измерений датчики 210A и 310A могут быть соединены с локальным цифровым устройством для позиционирования клапана или обособленным устройством для сбора/обработки данных, используя одножильный кабель или беспроводной сигнал (не показано). Для схемы волоконных решеток Брэгга (FBG), датчики 210A и 310A могут быть соединены с цифровым устройством для позиционирования клапана или обособленным устройством, используя оптоволокно. При использовании множества датчиков FBG в блоке управляющего клапана многие датчики FBG могут быть соединены последовательно, используя одножильный оптоволоконный кабель. Для акустических и ультразвуковых измерений каждый датчик 210A, 310A может быть иметь собственный кабельный или беспроводный адрес. Использование беспроводных датчиков с системами 200, 300 контроля управляющего клапана помогает уменьшить издержки на установку датчиков 210A и 310A и исключает усталость кабельных сборок, связанных с датчиками 210A и 310A, физически прикрепленных к валу 24 и штоку 124 клапана с помощью различных механизмов, описанных выше.
Кроме того, системы 200, 300 контроля управляющего клапана могут также включать силовые и запоминающие устройства, которые обеспечивают постоянный сбор данных и сообщение об ошибках.
Принимая во внимание предшествующее описание, специалисту в данной отрасли будут очевидны многочисленные изменения и альтернативные варианты осуществления настоящего изобретения. Соответственно, настоящее описание следует рассматривать только как иллюстративное, и только предназначенное для ознакомления специалистов с лучшим вариантом осуществления изобретения. Детали настоящего изобретения могут изменяться без отклонения от сущности изобретения, и охраняется исключительное право использования всех модификаций, которые подпадают под объем формулы изобретения.
Таким образом, хотя показаны и описаны конкретные варианты осуществления и применения, должно быть понятно, что раскрытые варианты осуществления не ограничены определенной конструкцией и компонентами, раскрытыми в настоящем документе. Например, специалисту будет понятно, что наружный диаметр вала 24 или штока 124, к которому крепится по меньшей мере один датчик 210A (фиг. 3), 310A (фиг. 4), эквивалентен наружной поверхности вала 24 или штока 124. Кроме того, хотя две системы 200, 300 контроля управляющего клапана, описанные в настоящем документе, показаны на фиг. 3 и 4 как встроенные в вал 24 управляющего клапана 10 с поворотным валом по фиг. 1, две системы 200, 300 контроля управляющего клапана также могут быть полностью встроены в шток 124 золотникового управляющего клапана 100 по фиг. 2. Кроме того, специалисту также будет понятно, что устройства 220, 320 для получения данных об изменении в механической целостности штока 124 клапана или вала 24 клапана, могут содержать одно или большее количество обрабатывающих устройств, запоминающих устройств, аккумуляторных батарей и беспроводных интерфейсов, и по-прежнему будут подпадать под действие прилагаемой формулы изобретения. В одном примере устройство 220 по фиг. 3 содержит обрабатывающее устройство 222, запоминающее устройство 224, аккумуляторную батарею 226, и беспроводный интерфейс 228, и устройство 320 по фиг. 4 также может содержать одно или несколько из них. В итоге, как поясняется в настоящем документе, могут быть выполнены эти и другие различные модификации в компоновке, действии и деталях системы и способа, раскрытого в настоящем документе без отклонения от объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.