基于小波阈值的天然气管道阀门内漏信号分析.pdf

第 2 3卷第 2期 2 0 1 5年 6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 he m i c a l Te c hno l o gy Vo 1 ． 2 3 No ． 2 3 u n ． 2 0 1 5 基于小波阈值的天然气管道 阀门内漏信号分析 刘治超 ， 陈鑫 ， 马斌 良 ， 李振林 ， 郭茂 磊 ， 张海峰 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 ．中国石 油天然气股份 有限公 司独山子石化分公司 ，新疆克拉玛依 8 3 3 6 0 0 摘 要 阀 门是天然气管道运输 的重要组 成部 件 ， 阀 门内漏 给天然 气管 道运输 带来 了严 重 的安全 威 胁 。通过 阀门内漏声 发射特性实验和声发射信号分 析 ， 可以得 到声发射 信号 的幅度 、 能量 和频谱 ， 并进 行 内漏 流量的判定 。由于采集 的声发射信号含有 大量 的噪声 ， 因此应对 采集 的声 发射 信号采 用默认 阈 值 、 硬阈值 、 软阈值 、 改进 的小波 阚值 等多种阈值进 行降 噪分析 ， 提 高重建信 号 的信 噪 比， 降低 均方根误 差 值 ， 消除信号噪声 ， 为阀 门内漏 的检测 和定性定量 分析提供有效工具 。 关键词 频谱 分析 ；声 发射 ；小波阈值 ；信噪 比；均方根误差值 中图分类号 TE 8 8 文献标志码 A 管道运输是天然气最主要的运输方式 ， 阀 门是天然气管道重要的组成部分 ， 为了保证天 然气运输的安全性 ， 天然气管道阀门需要具有 很好 的密 封 性 。在 实 际 工 作 中 ， 由于 运 输 或 者 安装不当很可能造成 阀门的内漏 ， 并且这种 内 漏不容易被发现 。声发射检测技术作 为一种新 型的无损检测技术 ， 能够采集 阀门内漏 的声发 射信号， 通过信号特征研究对 阀门内漏进行定 性 和定 量 的分析 。 国外对 于声 发 射 技 术 的研 究 较 早 ， 并 且 将 其应用于管道阀门内漏 检测 中， 证明声发射技 术具 有 很 好 的应 用 前 景L 1 ] 。2 0 0 4年， J ．H． L e e [ 2 研究 阀门在 不 同开 启 角 度 下 的 泄漏 声 发 射信号特征， 确定了不 同声发射波形与阀门泄 漏 率 之 间 的 对 应 关 系。 2 0 1 0 年w． Ka e wwa e wn o i 和 A． P r a t e e p a s e n _ 3 。 进 行 了低 压下 的阀 门内部 流体 泄漏 与声 发射信 号 的关 系 研究 ， 通 过理 论 分 析 求 得 阀 门泄 漏率 与声 发射 特征信号的数学模型 。国内对于声发射检测技 术也有一定的研究 ， 2 0 1 2年高倩霞l 5 采用声发 收稿 日期 2 0 1 4 1 1 1 7 基金项 目 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 9 7 3项 目 2 0 1 2 c B 7 2 O 5 O 4 ； 国家 自然基金项 目 5 1 1 0 6 1 8 0 。 作者 简介 刘治超 1 9 8 8 一 ， 男 ， 硕 士研究 生， 研究 方 向为输 气管道球 阀内漏声学检测 ， E ma i l l i u z h i c h a o b o a 1 6 3 ． c o m。 射检测技术对火电厂的阀门泄漏量进行定量研 究。2 0 1 3年 ， 张海峰 等C 6 - 7 3 采用 L a b VI E W 图 形 化编 程语 言 和 Ma t l a b相 结 合 开 发 出了 天 然 气管道阀门内漏声发射检测系统， 并采用小波 包分析进行 了天然气管道 阀门内漏声发射信号 的特 征研 究 。 笔者采用天然气管道阀门内漏声发射检测 系统 ， 在 对 实 验室 和现 场 的 阀 门进 行 内漏 检测 中发现 ， 采集的阀门声发射信号 中含有大量的 环境噪声 ， 对检测 的效果产生 了一定 的影 响。 通过对声发射信号进行时频特性研究 ， 采用多 种小波阈值去噪方法对声发射信号进行去噪处 理 ， 通 过 理论分 析 和试验 研究 验证 其 有效 性 ， 为 阀门内漏检测提供理论基础 。 1 阀门 内漏声发射检测理论分析 声发射是物体的能量迅速释放产生瞬态应 力 波 的 物理 现 象 ， 声 源 发 出 的信 号 中包含 了材 料 内部的结构和缺陷等特性 ， 通过仪器采集 的 声发射信号的特性分析可 以得 出材料和内部结 构的缺陷位置 、 状态变化等宏观信息。 声 发 射信 号 是 一种 瞬 时 弹 性 波 ， 在 时域 上 表现为复杂的连续信号 ， 其 中包含了环境噪声 ， 并且在声发射信号的传播过程中存在由于信号 的不确定性、 突发瞬态性及多样性等产生的大 第 2期 刘治超等 ．基于小波阈值的天然气管道阀门内漏信号分析 2 1 量噪声干扰 ， 阀门的内漏声发射信号被淹没在 噪声 中 ， 所 以需 要 进行 降噪 处 理来 提 取 阀 门 内 漏 的信号 。 2 阀 门 内漏 试 验 研 究 本试验中， 采用声发射检测装置进行检测 ， 该装置主要组成部分为声发射传感器 中心频 率为 1 5 0 k Hz 、 信号放大器[ 增益 4 0 1 d B ] 、 数据采集卡 测量范围为 1 0 V， 采样频率为 2 0 0 k Hz 、 声发射检测软件 L a b VI E W 编制 。 试验台是针对 中高压试验进行设计 的 ， 设 计 承 压能 力 为 1 2 MP a ， 许 用 最 大 工 作 压 力 为 1 0 MP a ， 喷 管 上 下 游 管 径 为 DN8 0 ， 内 径 为 7 6 ． 2 mm。采 用 高 压 氮气 作 气 源 ， 通 过 声 发 射 检测仪采集阀门的内漏信号 ， 如图 1 所示。 图 1管道阀门 内漏声发射检测系统 3 基 于小 波 阈值 的声 发 射信 号去 噪方法研 究 对采集 的声发射信号进行 小波默认阈值 、 分层硬 阈值和软 阈值去噪 ， 改进 的阈值去噪 ， 对 比不 同的去 噪方 法得 出 的声发 射信 号 的信噪 比 和 均方 根误 差 值 ， 去 噪 后 信 号 的信 噪 比 R 越 大 ， 均方根误差值 R 越小 ， 说明信号去噪的效 果 越好 。 f ； z ] R 一l o l g 一 1 I ∑E s n 一 ； ] l R 埘 一 √ [ 72 2 其 中 s 为采集 的声发射信号 ； ； 为去噪后 的信号 ； M 为采样点数 。 小 波 阈值去 噪 的关 键 是 合 理选 取 阈值 ， 硬 阈值和软阈值是 2种通用 的阈值函数 ， 但是都 存 在 着 一定 的缺 陷 ， 硬 阈值 去 噪 后 的信 号 在 阈 值点处不连续 ， 重构回的信号可能会出现振荡， 且容 易 出现吉 布斯 效应 。软 阈值 去噪 函数 虽然 在阈值点处连续 ， 但是存在恒定的偏差， 重构回 的信 号可 能会 出现 模糊 失真 。针 对传 统 的阈值 去噪存在 的缺陷 ， 采用改进的小波阈值 ， 新的阈 值的 自适应能力强 ， 改进的阈值 函数介于软、 硬 阈值 函数 之 间 ， 兼 顾 了两者 的优 势 。 经 典 的 阈值 T 的选 取 方 法 有通 用 阈值 选 取法、 S UR E S h r i n k阈值选取法、 启发式 阈值选 取法和极大极小 阈值选取法。 硬 阈值 函数 表 达式 为 f W j ， ， l W l ≥ T ⋯ 一 1 0 ， I W j ，小 T 硬阈值 函数图像如图 2所示 。 ∞ i ．k ／ -r i l 。 T ， ／ 图 2 硬 阈值 函数图像 软 阈值 函数表 达式 为 ． f s g n w I W 1 一T ， 1 W j ， I ≥ T 一 1 O ， l 罂 0 l 5 O l o0 5 0 0 50 1 50 主 馨 一 1 5 0 垂 馨 一 l 0 0 0 2 00 0 3 00 0 采样点数 a 原始信号 l 0 00 2 0 00 3 0 0 0 4oo o 采样点数 b 软阈值去噪后的信号 图 7 软阈值去噪后的信号图像 0 1 0 o 0 2o o o 3 o 0 0 40 0 0 采样点数 f a 1a原始信号 0 1 0 0 O 20 0 O 3 0 0 0 40 0 0 采样点数 b 硬 阈值去噪后 的信号 图 8 硬 阈值 去噪后的信号图像 采样点数 a 1 原始信号 0 1 00 O 2 0 00 3O 00 采样点数 b 改进 阈值去噪后 的信号 图 9 改进的小波 阈值去噪后 的信号 图像 噪 具有 一定 的优 势 。 表 1 不 同 阈值 去 噪 方 法 的评 价 5 结论 1 通过对采集 的声发射信号进行信号分 析 ， 结 合 小 波 分 析 和不 同的 阈值 去 噪 方法 对 阈 值 函数 的选 取 进 行 了 优化 ， 在 一 定 程 度上 提 高 了降 噪 的效果 。 2 结合实际采集 的声发射信号， 采用软、 硬 阈值 、 改进 的小 波 阈值 函数进行 对 比分析 ， 改 进的小波 阈值函数能够有效提高信噪比， 降低 均方 根误 差值 。 3 采用改进的小波阈值函数 ， 将其应用在 声发射信号 的降噪处理上 ， 为准确判断阀门的 内漏率提供有效的信号分析手段。 [ 1 ] [ 2 ] E 3 ] E 4 ] [ 5 ] [ 6 ] E 7 ] 参考 文献 To no l i ni F，Sa l a A， Vi l l a G． Ge n e r a l r e vi e w o f d e v e l o p me n t s i n Ac o u s t i c E mi s s i o n me t h o d s [ J ] ． I n t e r n a t i 0 n a l J o u r n a l o f Pr e s s u r e Ve s s e l s a n d Pi pi n g， 1 9 87， 2 8 1 - 5 17 9 2 01 ． Le e J H ，L e e M R，Ki m J T， e t a 1 ．An a l y s i s o f a c ous t i c e m i s s i o n s i gn al s f or c on di t i on mon i t o r i ng of c he c k v a l ve a t nu c l e ar p o we r pl a nt s [ J ] ． K e y E n g i n e e r i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 4 ， 2 7 0 53 1 5 3 6． Ka e wwa e wn oi W ，Pr a t e e pa s e n A， Ka e wt r a k u l p o n g P ． I n v e s t i g a t i o n o f t h e r e l a t i ons hi p b e t we e n i n t e r n a l f l ui d l e a ka ge t hr o ug h a v a l v e a nd t he a c ous t i c e m i s s i o n g e n e r a t e d f r o m t h e l e a k a g e [ J ] ．Me a s u r e me n t ， 20 10， 4 3 27 4 2 82 ． Pr a t e e p a s e n A ， Ka e wwa e wno i W ， Ka e wt r a kul po ng P． Sm a r t p or t a bl e n oni n va s i v e i ns t r ume nt f o r d e t e c t i on of i n t e r n al a i r l e a ka g e 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 ] ． M e a s u r e m e nt ，2 011， 44 3 78 38 4． 高倩霞 ， 李 录平 ， 饶洪 德 ， 等． 阀 门泄漏 率 的声 发 射测 定技 术 研 究 [ J ] ． 动 力 工程 学 报 ， 2 0 1 2 ， 3 2 8 7 9 0 ． 张海峰 ， 李 振林 ， 等． 天然气管 道阀 门内漏声发射 检测系统设计及实验研究 [ J ] ． 石油 化工 自动化 ， 2 O1 3， 49 6 1 0 1 3． 张海峰 ， 李振林 ， 等． 天然气 管道阀 门内漏声发 射 信号特 征 研 究 [ J ] ． 北 京 石 油 化 工 学 院 学 报 ， 2 01 3， 21 1 2 0 2 4． g ／ 哥 ∞ ∞ ∞ O ∞ E、 孽 2 4 北京石油化工学院学报 2 0 1 5年第 2 3卷 S i g na l An a l y s i s f o r t h e I n ne r Le a k a g e o f Na t u r a l Ga s Pi pe l i ne Va l v e Ba s e d o n W a v e l e t Th r e s ho l d LI U Zh i c h a o ，CHEN Xi n ，M A Bi n l i a n g 。 LI Z h e n l i n ，GUO M a o l e i ，ZHANG Ha i f e n g 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d T r n s 0 r f 口 ￡ i 0 E n g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m- Be i j i n g 1 0 2 2 4 9，Ch i n a；2 ． Pe t r o Ch i n a Du s h a n z i Pe t r o c h e mi c a l Co mp a n y，Ka r a ma y 8 3 3 6 0 0，Ch i n a Abs t r a c t Va l v e s a r e i m p or t a nt c o m p on e nt s of t h e n a t u r a l g a s pi pe l i n e，a n d t he s a f e o pe r a t i o n of g a s pi p e l i ne s i s t hr e a t e n e d by t he va l v e i nne r l e a ka ge ． Thr ou g h a na l y s i s o f a c o us t i c e m i s s i o n s i g na l s，whi c h we r e de t e c t e d f r om e x pe r i me nt s on t h e i nne r l e a k a ge o f v a l v e，s ome c ha n ge r u l e s a r e g a i n e d，i n c l u d i n g a mp l i t u d e ，e n e r g y a n d s p e c t r u m o f s i g n a l s ． Th u s ，t h e i n n e r l e a k a g e o f v a l v e c a n h e i de n t i f i e d．Due t o t he f a c t t h a t t he a c o us t i c e mi s s i o n s i gn a l s c o nt a i n a c o us t i c no i s e， t h e d e f a ul t t hr e s ho l d， h a r d t hr e s ho l d， s o f t t hr e s ho l d a nd i mpr o ve d t hr e s ho l d d e no i s i ng a l g o r i t hm a r e a p pl i e d t o s i gn a l a na l y s i s ． By i m p r ov i n g t he s i gn a l t O no i s e r a t i o，de c r e a s i ng t he r o o t me a n - s q u a r e e r r o r r ms e v a l u e ，a n d e l i mi n a t i n g t h e s i g n a l n o i s e ，e f f e c t i v e me a s u r e s a r e p r o v i d e d f o r t h e v a l v e i n n e r l e a k a g e d e t e c t i o n a n d q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s ． Ke y wo r ds s pe c t r um a n a l ys i s； a c ous t i c e m i s s i o n； wa v e l e t t hr e s ho l d； s i g na l t o n oi s e r a t i o； r m s e v a 】 u e