天然气管道阀门内漏声发射信号特征研究.pdf

第 2 1卷第 1 期 2 0 1 3年 3月 北京石 油化 工学 院学报 J o u r n a l o f Be i j i n g I n s t i t u t e o f Pe t r o c h e m i c a l Te c h no l og y Vo1 ． 2 1 No． 1 M a r ． 2 01 2 天然气 管道 阀门 内漏声发射信 号特征研究 张海峰 ，李振林 ，姬忠礼 ，刘 刚。 ，张倩倩 1 ．中国石油大学 北京机械与储运工程学院 ， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 2 ．中石油北京天然气管道有限公司 ， 北京 1 0 0 0 1 2 摘 要 通过理论分析 的方法建立 阀门内漏过程 中气体体 积泄漏率 与声发射信 号特征参 数 均方根 AE R s 函数关系 ， 利用研制 的实验平 台进行 了阀门气体 内漏检 测实验 ， 利用小波包 变换方法 分 别对球 阀和截止 阀内漏过程产生的声发射信号进行频谱特性分析研究 ， 实验结果 表明， 经过 3层小 波包 分解后 的信号能量主要集 中在 1 2 ． 5 ～7 5 k Hz 。且声发射信号特征参数 均方根 AE R E s 能有效反 映气 体 体积泄漏率 ， 因此可 以利用声发射技术检测阀 门是否内漏并估算其泄漏率 。 关 键 词 阀门；声发射 ；小波包 ；内漏检测 中图法分类号 TE 8 文献标志码 A 国内对天然气需求不断增长促进 了天然气 管道 行业 的快 速发 展 。按 照相 关规 划 ， 到 2 0 1 5 年 ， 中国天 然 气 管 道 总 长 将 达 到 6万 k m。 天 然 气管道 中 ， 球 阀是 其重要 组成 部分 ， 天然 气管 道 上 的球 阀要求 具 有很 好 的密封 性 ， 不 能存 在 内漏 ] 。因此 如何 了解天 然气 管道 阀门 内漏 特 征并 开发 出相应 的 内漏 检测 技 术 ， 实 时 、 快 速 、 精确检测球 阀是否发生内漏 ， 最大程度地减少 泄 漏 ， 避 免诱 发重 大安全 事故 的发生 ， 将对 天然 气 管道安 全 、 经济运 行具有 重要 意义 。 国外 从 2 O世 纪 8 O年代起 就开 展 了阀 门内 漏声场 特征研究 ， 阀门 内漏检 测 比较 困难 ， 但 是 声发射检测技术作为一种新型的无损检测技术 被证 明是一种有效 的检 测手段_ 2 。 ] 。 目前 国内在 阀门内漏声场特性研究方 面刚刚起步 ， 值 得一 提 的是我国学者在 阀门内漏实验和仿真研究方面 也取得了一定的成果， 戴光等 以闸阀为研究对 象 ， 以水 为实验 介质 ， 对 闸 阀 内漏过 程 进行 了 理 论分 析和 实验 研究 。张颖 等 以 L i g h t h i l l 气 动 力声学方程作为控制方程， 采用有限差分法， 对 不同内漏程度和压力差下球阀气体 内漏喷流声 场进行 数值模拟 ， 由于声发射 检测技术 具有检 测 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 6 1 2 作者简介 张海 峰1 9 8 6 一 ， 男 ，硕士 生 ， E ma i l h a i f e n g z h a n g1 9 8 61 6 3 ． c o rn。 过 程便捷 、 检测范 围广 、 检测精 度高等优 点 ， 因此 更适用于天然气管道阀门的内漏检测。 笔 者分 别 以天 然气 管道 中常用 的球 阀和截 止 阀为研究对象， 运用声发射理论 和信号分析 与处理 方法探 讨不 同 阀门类 型和泄漏 率等工 况 下 阀门内漏声 音在 频域范 围 内和时域 范 围内声 场 特 征 ， 针 对 阀门发 生 内漏 时 其声 场 特征 比较 复杂 ， 影响声发射信号的分析与处理等难点问 题 。采取小波包分析方法对声发射信号进行降 噪处理 ， 表征 真实管 道 阀门 内漏 声场 特征参 数 ， 为 天然气 输送 行业 管道 阀门 内漏 检测 和天然 气 管 道泄漏 检测 提供 理论 和技术 支持 。 1 球 阀内漏声发射检测基本理论 声发射现象是指材 料 中局部 区域 应力集 中 ， 快 速 释 放 并 产 生 瞬 态 弹 性 波 的 现 象 Ac o u s t i c E mi s s i o n ， 简称 AE 。声 发射信 号 携 带 着 属性 变 性 、 裂纹 扩 展 和断 裂 等信 息传 播 到物体表面 ， 通过安装在物体表面的声发射检 测仪拾取声发射信号 ， 就可以对材料应力特征 进 行分 析 。天然气 管道 阀 门内漏过程 中产 生 的 声 信 号严 格 意 义上 说 不是 声 发射 现 象 ， 阀 门在 泄漏过程 中不会产生能量， 而是作为声发射信 号传播 的媒 介 。然而 阀 门在 内漏过 程 中由于上 下 压差 的影 响 在 泄漏 口处 ， 泄漏 气 体会 产 生涡 第 1 期 张海峰等 ．天然气管道阀门内漏声发射信号特征研究 2 l 流现象 ， 涡流不仅会扰动气体流动而且会产生 不 同频率范围的应力波 ， 该应力波携带着泄漏 信息传播到阀门表面。因此阀门内漏可 以称之 为非严 格 意义上 的声 发射 现象 ] 。 球阀泄漏产生的声发射信号在时域上呈现 出 一种 连 续 变化 的类 型 ， 且伴 随大 量 的 环境 干 扰噪声 ， 可 以表征球 阀内漏特征 的声发射信号 常常被淹没在大量的干扰噪声 当中。为了从检 测信 号 中提 取 可 以表 征 球 阀 内漏特 征 的信 息Ⅲ ， 小波包变换作为有效 的信号处理方法 已 经广泛应用于平稳信号和非平稳信号分析和处 理中。小波变换采用二进变换 的方法对每一层 分解后 的高频段进行再分解 ， 弥补了小波变换 中高频段 局部 性分解 差 的局 限 。 由于管 道 泄漏 声发射信号为一宽频信号 ， 因此采用小波包变 换能够更准确的提取泄漏源信息。 小 波包 变换 定义 为 设 { h } 是 正 交 尺 度 函数 ／ 1 o 一 ￡ 对 应 的 正 交低 通 实 系 数 滤 波 器 ， { g } ∈ z 是 正 交小 波 函数 一 对 应 的高通滤波器 ， 其中 g 一 一1 h 一 ， 则他们满 足 以下二 尺度 方程 和小 波方程 l 。 一 √ 2 } z o 2 t 一是 一一 1 【 1 一 √ 2 z 女 0 2 t 一是 通 过 。 、 、 h 、 g在 固定尺 度下 可定 义一组 称 为小 波包 的 函数 。为 推 广 二 尺度 方程 ， 定 义 下 列递 推关 系 l1l 2 ￡ 一 √ 2 h k ll 2 t 一是 一一 z 一√ 2 g * ff 2 t 一是 式 中 当 7 “／ 一0时 ， 。 t 一 ， ￡ 一 t 。 以上定义的函数集合 { f } ∈ z 为由 。 一 ￡ 所确 定 的小 波 包 ， 由此 ， 小 波 包 { ／ 1 ． ￡ } ∈ 是包括尺度函数 。 和小波母 函数 ／ 1 1 在内 的一个具 有 一定联 系 的 函数 集 合 。 声发射传 感 器检 测 信 号 ．2 7 t 在 子 空 间 【 ， ， 上 的投影 小 波包 系数 可 以表示 为 l[ 愚 ] 一 ￡ ， 2 2 t 一是 3 记 z ￡ 在子 空 间 和 上 的 投 影 小 波 包 系数分别为 和 d 2， n l ， 则可得 小 波包 分解公 式 为 ” [ 是 ] 一∑ [ 川 【d ； 计 [ ] g 卜 z [ z ] 小波 包重 构公 式为 嗍 ∑ h [ f ] ∑ g d 2 。。 [ z ] 5 阀门内漏过程中产生的声发射信号在时域 范 围 内 呈现 出一 种 连 续 变化 的类 型 ， 为 了在 时 域 范 围 内 了解 不 同 泄漏 率 下声 场 特 征 ， 可 以采 用声 发 射 信 号 均 方 根 AE M 作 为 评 价 标 准 ， 例 如一 个声 发 射信 号含 有 N 个 样 本， [ 0 ] ， [ 1 ] ， ⋯， ， z 一1 ] 均方根的方程如下 A E ⋯一 1 厶⋯N 1 n ] 。 6 同时通过 频 域范 围 内的声发 射信 号参数 测 量也可以表征球 阀内漏特征 ， 例如功率谱密度 P S D 、 频率峰值、 主频率 的相位值以及能量所 集中的主要部分 。功率谱密度是指 声发射 信号功率在频谱 图上 的分布情况 ， 功率谱密度 P S D 可 以 由下式 获得 P 走 一 1 } x[ 是 ]l 一 l ∑ ] e x p 一 j 2 兀 ／ N I。 ， 0≤ k≤ N ～ 1 7 式中， P[ 志 ] 是功率谱密度， x[ 是 ] 是一个声 发射信号的离散傅里叶变换 ， z [ ] 和 T是样本 和周期 。在以前的研究 中得出球阀内漏信号的 声功率直接近似等于泄漏信号的平均能量， 这 个关 系 可 以简单 的定义 为 Ps O C AE E s 8 声功率 的指数 与内漏率的指数成 线性关 系[ 4 3 ， 即 l o g AEK M s 一 b l o g Q C 9 2 阀门内漏检测实验 阀 门 内漏 检测 实验 主要 由阀 门泄漏平 台和 声发 射检 测 系统 组 成 ， 其 结 构 如 图 1所 示 。阀 图 1 阀门 内漏检测实验示意图 2 2 北京石油化工学院学报 2 0 1 3年第 2 1卷 门气体泄漏实验平台采用氮气瓶作为气源， 减 压 阀范 围为 0 ～2 ． 5 MP a ， D N5 0球 阀和 截止 阀 为待检测对象 ， 流经 阀门的气体体积泄漏率 由 玻璃 浮 子 流 量 计 测 量 ， 测 量 范 围 为 0 ． 1 2 5 ～ 2 ． 5 m。 ／ h ， 准 确度等 级 为 2 ． 5 级 。 声发射检测系统包括声发射传感器、 信号 放大 器 、 调 理器 、 数据 采集器 和 电脑存储 器 。声 发射 传 感 器 采 用 北 京 华 声 科 技 公 司 生 产 S R1 5 0 N声发射传感器 ， 中心频率 1 5 0 k Hz ， 工 作频率为 2 2 2 2 0 k Hz ， 放大器增益为 4 0 d B 1 d B； 数 据 采 集 系统 为 研 华 公 司 的 US B 一 4 7 1 6 ， 数据采样频率为 2 0 0 k Hz ， 1 6 b i t 的 A／ D转换。 球 阀 内漏 检 测 实 验 时 ， 利 用 刀 具 分 别 将 D N5 0球 阀和 截 止 阀密 封 圈 处 进 行 划 伤 ， 划 痕 横截面积为 0 ． 5 mm0 ． 5 mm， 再将待测球阀 和截 止 阀安 装在 管道 上 。连 接球 阀 内漏 检测 系 统 ， 然后利用夹具将声发射传感器 固定在 阀门 上。当检测球阀时， 关 闭球 阀， 开启截止阀； 检 测截止阀时， 关闭截止阀 ， 开启球阀。 打开氮气瓶 ， 调节减压阀控制球 阀两端压 差 ， 待 下游 玻璃 浮子 流量 计 浮 子稳 定 后记 录阀 门 泄 漏 率 分 别 为 0 ． 3 7 5 ， 0 ． 5 0 0 ， 0 ． 6 2 5 ， ⋯ ， 1 ． 1 2 5 m。 ／ h 。利用声发射传感器检测 内漏信 号， 通过放大器对微弱的内漏信号进行放大 ， 数 据采集卡将放大后的信号进行 A／ D转换 ， 最后 将数字信号传输 到 P C机上， 利用 内漏检测软 件提取信号的特征值 。每组泄漏率下重复检测 5组数据并求取平均值作为检测结果。 2实验结果及分析 阀门内漏过程中产生的声发射信号在传播 厂厂] 藿1 一～ ． ． ． 。 l _厂， k H a [ 3 ， O ] 频带 藿 蚕 l l f H z d [ 3 ， 3 ] 频带 过程 中存在着不确定性、 突发瞬态性、 多样性及 环 境 噪声 大 等特 点 ， 导 致泄 漏 声发 射 原始 信 号 被 淹没在 噪声 之 中 ， 图 2 a 为 球 阀泄 漏产 生 的 波形 ， 在图 2 a 中很难 得到有用信息 ， 需要对 检测信号进行降噪 。采用 的小波包 降噪选用 d b 4小波基 ， 降 噪后 的内漏 信号如 图 2 b 所 示。图 2 b 为原始发射信号进行 F F T变换后 的频域波形图， 从 图中可以看出阀门内漏过程 产生的声发射信号为一宽频范围信号。 矗 馨 O． 02 O． 01 O _ o． 0l -0． 02 2． 0 净1 ． 5 1 ． 0 0 ． 5 t ／ ms a 1 球 阀内漏产生的波形 一 一 一．． ．1 I ～ 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 f N H z b 降噪后 的内漏信号 图 2 阀 门内漏声发射 信号 将降噪后的信号进行 3层小波分解 ， 将频 率为 1 0 0 k Hz的信 号 分 成 8个频 带 ， 第 一 个频 带[ 3 ． O ] 的频率范围为 0 ～1 2 ． 5 k Hz ， 最后一个 频带[ 3 ． 7 ] 的频率范围为 8 7 ． 5 ～1 0 0 k Hz ， 将分 解后的信号再进行单支重构， 并求其功率谱密 度 P S D ， 如 图 3 所 示 。 分别对球阀和截止阀泄漏过程中产生的声 发 射信 号 进行 小 波 包分 解并 且 进 行能 量 分析 ， 对 不 同 泄 漏 率 分 别 为 0 ． 3 7 5 ， 0 ． 5 0 0 ， 0 ． 6 2 5 ， 一～．1 f H z b [ 3 ， 1 ] 频带 藿 [ 2 l 。 I l l 4 l l - 一 - - 一 - I f H z e 【 3 ， 4 】 频带 1 ．0厂 ] I ． ． 一． ． 1 e [ 3 ， 2 ] 频带 1 ．．一． ．1 r 龇 l 1 ． 一 ． ’ - 1 0 1 0加 3 0 4 o 5 0 6 0 7 0 8 0 9 01 o 0 f [ 3 ， 5 ] 频带 广] 厂T ] 垂 [ ． ． ． ． ． I囊 I ． ． ． ． 一 ． 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0l o o 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 01 o o f H z f ／ k H z 【 3 ， 6 】 频带 h 【 3 ， 7 ] 频带 图 3 单支信号功率谱密度 第 1 期 张海峰等 ．天然气管道阀门内漏声发射信号特征研究 2 3 ⋯ ，1 ． 1 2 5 m。 ／ h 下声发射信号进行三层小波包 分解， 共分解成 8个频带 ， 对每一个频带上 的小 波包系数求取能量 ， 如图 4和 图 5所示 。从 图 4和图 5中可 以看 出 ， 球 阀和 截 止 阀在 发 生 泄 漏过程中产生的声发射信号的能量主要集 中在 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6频带上 ， 也就是其频率范 围为 1 2 ． 5 ～ 7 5． 0 kHz I J J J J J J I LL- J-| 1 2 3 4 5 6 7 8 频带 图 4球阀在不 同压差下各频带能量分布 g 咖 避 一 I JII JlI J ．一 I ．II 频带 图 5 截止阀在不 同压差下各频带能量分布 设置 带通 滤 波 器 的带 通 频 率 为 1 2 ． 5～ 7 5 k Hz ， 重 复 以上 实 验 过 程 ， 并 提 取 不 同 泄 漏 率下声发射信号值 ， 球 阀和截止 阀内漏声发射 检测 实 验结果 如 图 6 所 示 。通过 实验 结果 可 以 看 出 内漏 过程 产 生 的 喷流 与 阀壁 相 互 作用 而 产生高频应力波， 该应力波强度随气体泄漏率 增 加 而增 大 ， 但 是 由于球 阀和 截 止 阀 的 内部 结 构不同， 声发射信号从泄漏源传播 到球阀外壁 检测传感器探头过程 中传播路径和距离不 同， 信号的衰减程度也不 同， 因此在同一泄漏率处 两 者 的 A_ 有所 不 同 。将 球 阀和截 止 阀不 同 泄漏率下检测声发射信号 AE M 值带入到等式 9 ， 计算求得阀门内漏率声发射信号 AE 和 体积泄漏率 Q 的双对数关 系曲线 l o g AE M s b l o g Qf ， 利用 Ma t l a b对二者进行拟合 见 图 7 ， 求得球阀和截止阀泄漏过程中双对数系 数为 b 一0 ． 3 4 4 3 、 C O ． 9 1 6和 b 一0 ． 3 7 1 3 、 c 一 1 ． 2 9 3 。从 图 7可 以看 出 ， 2种 结 构形 式 的 阀 门 在内漏过程中声发射信号随泄漏率变化规律基 本保持一致 ， 其双对数曲线斜率基本一致 ， 由于 2种阀门结构不 同， 声发射信 号在传播过程 中 衰减程度 不 同， 导 致在 同一 泄漏率 下对 数 值 不 同 。 泄漏 率 m ’ h - I 图 6 声发射信号 AE s 与泄漏 率对 应关 系 ． 宝 l o g Q ／ m h 一 、 图 7 声发射信号 AE s 与泄漏率 的双对数对应关系 5 结论 利用声发射检测技术对阀门气体体积泄漏 率检 测 分 析表 明 ， 阀 门内漏 过 程 中产 生 的声 发 射信号为一宽频范围， 球 阀和截止阀在密封 圈 划伤 宽度 0 ． 5 mm、 深度 0 ． 5 mm 时 ， 其 主要 能 量分 布 的频 率 范 围为 1 2 ． 5 ～ 7 5 k Hz ； 泄 漏 过程 中气体泄漏产生的声发射信号均方根 AE s 与气体泄漏率有关 ， 且随泄漏率增大而增大； 通 过 实验研 究确 定 D N5 0球 阀和截 止 阀密封 圈处 发生内漏时， 声发射信号值与内漏率 的双对数 关系 l o g AE R s b l o g Qc中系数分别为 6 0 ． 3 4 4 3 、 C 一0 ． 9 1 6和 b 一0 ． 3 7 1 3 、 c 一1 ． 2 9 3 ， 因 此可 以采用声发射技术对 阀门内漏进行无损 检测 。 在分析阀门内漏过程 中气体体积泄漏率与 O 5 O 5 O 5 0 3 2 2 l l 0 H g n 0 _【 、 哪 0 9 8 7 6 5 4 3 2●0 2 4 北京石油化工学院学报 2 0 1 3年第 2 1卷 声发射信号特征参数均方根 AE 函数关系 时 ， 选取了有代表性的球 阀和截止 阀作为研究 对象 ， 由于不 同种类 阀 门结 构不 同 ， 在一 定程度 上不能完全分析出其对应关系 ， 故在 以后的工 作中选取更多的阀门如闸阀、 针 阀等作为研究 对 象 ， 以便使 分析 结果更 为准 确 。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 2 参 考文献 夏琼． 石化企业阀门泄漏 的原 因分析及 对策[ J ] ． 石油化工设备技术 ， 2 0 0 5 ， 2 6 2 2 2 2 3 ． M e l a nd E，He nr i ks e n V ，He n ni e E M ． Ra s mu s s e n． Sp e c t r a l a n a l y s i s o f i nt e r na l l y l e a ki ng s h u t d o wn v a l v e s [ J ] ． Me a s u r e me n t ． 2 0 1 1 ， 4 4 6 1 05 9 1 07 2． Pr a t e e pa s e n A ， Ka e wwa e wnoi W ， Ka e wt r a ku l p on g P． Smar t p or t a bl e n oni n va s i v e i n s t r u m e nt f or d e t e c t i on of i nt e r na l a i r l e a k a ge o f a v a l v e u s i n g a c o u s t i c e mi s s i o n s i g n a l s [ J ] ．Me a s ur e me nt ，201 1， 44 2 3 78 38 4． [ 4 ] 戴光 ， 王新颖 ， 张颖 ， 等． 承压 阀 门内漏声 学检 测 方法E J ] ． 大庆石油学院学报， 2 0 0 3 ， 2 7 3 7 0 7 3 ． [ 5 ] 张颖 ， 戴光 ， 王兵 ， 等． 基 于 L i g h t h i l l 方程 的球 阀 气体 内漏 喷 流 声 场 数 值 模 拟 [ J ] ． 流 体 机 械 ， 2 00 8，3 6 7 3 7 - 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