天然氣管道閥門(mén)內漏聲發(fā)射信號特征研究
通過(guò)理論分析的方法建立閥門(mén)內漏過(guò)程中氣體體積泄漏率與聲發(fā)射信號特征參數均方根(AERES)函數關(guān)系，利用研制的實(shí)驗平臺進(jìn)行了閥門(mén)氣體內漏檢測實(shí)驗，利用小波包變換方法分別對球閥和截止閥內漏過(guò)程產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進(jìn)行頻譜特性分析研究，實(shí)驗結果表明，經(jīng)過(guò)3層小波包分解后的信號能量主要集中在12.5～75kHz。且聲發(fā)射信號特征參數均方根(AERES)能有效反映氣體體積泄漏率，因此可以利用聲發(fā)射技術(shù)檢測閥門(mén)是否內漏并估算其泄漏率。
國內對天然氣需求不斷增長(cháng)促進(jìn)了天然氣管道行業(yè)的快速發(fā)展。按照相關(guān)規劃，到2015年，中國天然氣管道總長(cháng)將達到6萬(wàn)km。天然氣管道中，球閥是其重要組成部分，天然氣管道上的球閥要求具有很好的密封性，不能存在內漏。因此如何了解天然氣管道閥門(mén)內漏特征并開(kāi)發(fā)出相應的內漏檢測技術(shù)，實(shí)時(shí)、快速、精確檢測球閥是否發(fā)生內漏，最大程度地減少泄漏，避免誘發(fā)重大安全事故的發(fā)生，將對天然氣管道安全、經(jīng)濟運行具有重要意義。
國外從20世紀80年代起就開(kāi)展了閥門(mén)內漏聲場(chǎng)特征研究，閥門(mén)內漏檢測比較困難，但是聲發(fā)射檢測技術(shù)作為一種新型的無(wú)損檢測技術(shù)被證明是一種有效的檢測手段。目前國內在閥門(mén)內漏聲場(chǎng)特性研究方面剛剛起步，值得一提的是我國學(xué)者在閥門(mén)內漏實(shí)驗和仿真研究方面也取得了一定的成果，戴光等以閘閥為研究對象，以水為實(shí)驗介質(zhì)，對閘閥內漏過(guò)程進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗研究。張穎等以L(fǎng)ighthill氣動(dòng)力聲學(xué)方程作為控制方程，采用有限差分法，對不同內漏程度和壓力差下球閥氣體內漏噴流聲場(chǎng)進(jìn)行數值模擬，由于聲發(fā)射檢測技術(shù)具有檢測過(guò)程便捷、檢測范圍廣、檢測精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此更適用于天然氣管道閥門(mén)的內漏檢測。
筆者分別以天然氣管道中常用的球閥和截止閥為研究對象，運用聲發(fā)射理論和信號分析與處理方法探討不同閥門(mén)類(lèi)型和泄漏率等工況下閥門(mén)內漏聲音在頻域范圍內和時(shí)域范圍內聲場(chǎng)特征，針對閥門(mén)發(fā)生內漏時(shí)其聲場(chǎng)特征比較復雜，影響聲發(fā)射信號的分析與處理等難點(diǎn)問(wèn)題。采取小波包分析方法對聲發(fā)射信號進(jìn)行降噪處理，表征真實(shí)管道閥門(mén)內漏聲場(chǎng)特征參數，為天然氣輸送行業(yè)管道閥門(mén)內漏檢測和天然氣管道泄漏檢測提供理論和技術(shù)支持。
1、球閥內漏聲發(fā)射檢測基本理論
聲發(fā)射現象是指材料中局部區域應力集中，快速釋放并產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現象(AcousticEmission，簡(jiǎn)稱(chēng)AE)。聲發(fā)射信號攜帶著(zhù)屬性變性、裂紋擴展和斷裂等信息傳播到物體表面，通過(guò)安裝在物體表面的聲發(fā)射檢測儀拾取聲發(fā)射信號，就可以對材料應力特征進(jìn)行分析。天然氣管道閥門(mén)內漏過(guò)程中產(chǎn)生的聲信號嚴格意義上說(shuō)不是聲發(fā)射現象，閥門(mén)在泄漏過(guò)程中不會(huì )產(chǎn)生能量，而是作為聲發(fā)射信號傳播的媒介。然而閥門(mén)在內漏過(guò)程中由于上下壓差的影響在泄漏口處，泄漏氣體會(huì )產(chǎn)生渦流現象，渦流不僅會(huì )擾動(dòng)氣體流動(dòng)而且會(huì )產(chǎn)生不同頻率范圍的應力波，該應力波攜帶著(zhù)泄漏信息傳播到閥門(mén)表面。因此閥門(mén)內漏可以稱(chēng)之為非嚴格意義上的聲發(fā)射現象。
球閥泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號在時(shí)域上呈現出一種連續變化的類(lèi)型，且伴隨大量的環(huán)境干擾噪聲，可以表征球閥內漏特征的聲發(fā)射信號常常被淹沒(méi)在大量的干擾噪聲當中。為了從檢測信號中提取可以表征球閥內漏特征的信息，小波包變換作為有效的信號處理方法已經(jīng)廣泛應用于平穩信號和非平穩信號分析和處理中。小波變換采用二進(jìn)變換的方法對每一層分解后的高頻段進(jìn)行再分解，彌補了小波變換中高頻段局部性分解差的局限。由于管道泄漏聲發(fā)射信號為一寬頻信號，因此采用小波包變換能夠更準確的提取泄漏源信息。
小波包變換定義為：設{hn｝n∈z是正交尺度函數μ0(t)=Φ(t)對應的正交低通實(shí)系數濾波器，{gn｝n∈z是正交小波函數μ1(t)=φ(t)對應的高通濾波器，其中g(shù)n=(-1)nh1-n，則他們滿(mǎn)足以下二尺度方程和小波方程：
(1)通過(guò)μ0、μ1、h、g在固定尺度下可定義一組稱(chēng)為小波包的函數。為推廣二尺度方程，定義下列遞推關(guān)系：
(2)式中：當n=0時(shí)，μ0(t)=Φ(t)，μ1(t)=φ(t)。以上定義的函數集合{μn(t)｝m∈z為由μ0(t)=Φ(t)所確定的小波包，由此，小波包{μn(t)｝n∈z是包括尺度函數μ0(t)和小波母函數μ1(t)在內的一個(gè)具有一定聯(lián)系的函數集合。
聲發(fā)射傳感器檢測信號x(t)在子空間Unj+1上的投影(小波包)系數可以表示為：
(3)記x(t)在子空間U2nj和U2n+1j上的投影(小波包)系數分別為d2nj和d2n+1j，則可得：
小波包分解公式為：
(4)小波包重構公式為：
(5)閥門(mén)內漏過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號在時(shí)域范圍內呈現出一種連續變化的類(lèi)型，為了在時(shí)域范圍內了解不同泄漏率下聲場(chǎng)特征，可以采用聲發(fā)射信號均方根(AERMS)作為評價(jià)標準，例如一個(gè)聲發(fā)射信號含有N個(gè)樣本，x[0]，x[1]，…，x[n-1]均方根的方程如下：
(6)同時(shí)通過(guò)頻域范圍內的聲發(fā)射信號參數測量也可以表征球閥內漏特征，例如功率譜密度(PSD)、頻率峰值、主頻率的相位值以及能量所集中的主要部分功率譜密度是指聲發(fā)射信號功率在頻譜圖上的分布情況，功率譜密度(PSD)可以由下式獲得：
(7)式中，P[k]是功率譜密度，X[k]是一個(gè)聲發(fā)射信號的離散傅里葉變換，x[n]和T是樣本和周期。在以前的研究中得出球閥內漏信號的聲功率直接近似等于泄漏信號的平均能量，這個(gè)關(guān)系可以簡(jiǎn)單的定義為：
(8)聲功率的指數與內漏率的指數成線(xiàn)性關(guān)系，即：
(9)2、閥門(mén)內漏檢測實(shí)驗
閥門(mén)內漏檢測實(shí)驗主要由閥門(mén)泄漏平臺和聲發(fā)射檢測系統組成，其結構如圖1所示。閥門(mén)氣體泄漏實(shí)驗平臺采用氮氣瓶作為氣源，減壓閥范圍為0～2.5MPa，DN50球閥和截止閥為待檢測對象，流經(jīng)閥門(mén)的氣體體積泄漏率由玻璃浮子流量計測量，測量范圍為0.125～2.5m3/h，準確度等級為2.5級。
圖1 閥門(mén)內漏檢測實(shí)驗示意圖
聲發(fā)射檢測系統包括聲發(fā)射傳感器、信號放大器、調理器、數據采集器和電腦存儲器。聲發(fā)射傳感器采用北京華聲科技公司生產(chǎn)SR150N聲發(fā)射傳感器，中心頻率150kHz，工作頻率為22～220kHz，放大器增益為40dB±1dB;數據采集系統為研華公司的USB-4716，數據采樣頻率為200kHz，16bit的A/D轉換。
球閥內漏檢測實(shí)驗時(shí)，利用刀具分別將DN50球閥和截止閥密封圈處進(jìn)行劃傷，劃痕橫截面積為0.5mm×0.5mm，再將待測球閥和截止閥安裝在管道上。連接球閥內漏檢測系統，然后利用夾具將聲發(fā)射傳感器固定在閥門(mén)上。當檢測球閥時(shí)，關(guān)閉球閥，開(kāi)啟截止閥;檢測截止閥時(shí)，關(guān)閉截止閥，開(kāi)啟球閥。
打開(kāi)氮氣瓶，調節減壓閥控制球閥兩端壓差，待下游玻璃浮子流量計浮子穩定后記錄閥門(mén)泄漏率(分別為0.375，0.500，0.625，…，1.125m3/h)。利用聲發(fā)射傳感器檢測內漏信號，通過(guò)放大器對微弱的內漏信號進(jìn)行放大，數據采集卡將放大后的信號進(jìn)行A/D轉換，最后將數字信號傳輸到PC機上，利用內漏檢測軟件提取信號的特征值。每組泄漏率下重復檢測5組數據并求取平均值作為檢測結果。
3、實(shí)驗結果及分析
閥門(mén)內漏過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號在傳播過(guò)程中存在著(zhù)不確定性、突發(fā)瞬態(tài)性、多樣性及環(huán)境噪聲大等特點(diǎn)，導致泄漏聲發(fā)射原始信號被淹沒(méi)在噪聲之中，圖2(a)為球閥泄漏產(chǎn)生的波形，在圖2(a)中很難得到有用信息，需要對檢測信號進(jìn)行降噪。采用的小波包降噪選用db4小波基，降噪后的內漏信號如圖2(b)所示。圖2(b)為原始發(fā)射信號進(jìn)行FFT變換后的頻域波形圖，從圖中可以看出閥門(mén)內漏過(guò)程產(chǎn)生的聲發(fā)射信號為一寬頻范圍信號。
圖2 閥門(mén)內漏聲發(fā)射信號
將降噪后的信號進(jìn)行3層小波分解，將頻率為100kHz的信號分成8個(gè)頻帶，第一個(gè)頻帶[3.0]的頻率范圍為0～12.5kHz，最后一個(gè)頻帶[3.7]的頻率范圍為87.5～100kHz，將分解后的信號再進(jìn)行單支重構，并求其功率譜密度(PSD)，如圖3所示。
圖3 單支信號功率譜密度
分別對球閥和截止閥泄漏過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進(jìn)行小波包分解并且進(jìn)行能量分析，對不同泄漏率(分別為0.375，0.500，0.625，…，1.125m3/h)下聲發(fā)射信號進(jìn)行三層小波包分解，共分解成8個(gè)頻帶，對每一個(gè)頻帶上的小波包系數求取能量，如圖4和圖5所示。從圖4和圖5中可以看出，球閥和截止閥在發(fā)生泄漏過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的能量主要集中在2，3，4，5，6頻帶上，也就是其頻率范圍為12.5～75.0kHz。
圖4 球閥在不同壓差下各頻帶能量分布
圖5 截止閥在不同壓差下各頻帶能量分布
設置帶通濾波帶通頻率為12.5～75kHz，重復以上實(shí)驗過(guò)程，并提取不同泄漏率下聲發(fā)射信號值，球閥和截止閥內漏聲發(fā)射檢測實(shí)驗結果如圖6所示。通過(guò)實(shí)驗結果可以看出：內漏過(guò)程產(chǎn)生的噴流與閥壁相互作用而產(chǎn)生高頻應力波，該應力波強度隨氣體泄漏率增加而增大，但是由于球閥和截止閥的內部結構不同，聲發(fā)射信號從泄漏源傳播到球閥外壁檢測傳感器探頭過(guò)程中傳播路徑和距離不同，信號的衰減程度也不同，因此在同一泄漏率處兩者的AERMS有所不同。將球閥和截止閥不同泄漏率下檢測聲發(fā)射信號AERMS值帶入到等式(9)，計算求得閥門(mén)內漏率聲發(fā)射信號AERMS和體積泄漏率(Q)的雙對數關(guān)系曲線(xiàn)longAERMS=blogQ+c，利用Matlab對二者進(jìn)行擬合(見(jiàn)圖7)，求得球閥和截止閥泄漏過(guò)程中雙對數系數為b=0.3443、c=0.916和b=0.3713、c=1.293。從圖7可以看出，2種結構形式的閥門(mén)在內漏過(guò)程中聲發(fā)射信號隨泄漏率變化規律基本保持一致，其雙對數曲線(xiàn)斜率基本一致，由于2種閥門(mén)結構不同，聲發(fā)射信號在傳播過(guò)程中衰減程度不同，導致在同一泄漏率下對數值不同。
圖6 聲發(fā)射信號AERMS與泄漏率對應關(guān)系
圖7 聲發(fā)射信號AERMS與泄漏率的雙對數對應關(guān)系
4、結論
利用聲發(fā)射檢測技術(shù)對閥門(mén)氣體體積泄漏率檢測分析表明，閥門(mén)內漏過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號為一寬頻范圍，球閥和截止閥在密封圈劃傷寬度0.5mm、深度0.5mm時(shí)，其主要能量分布的頻率范圍為12.5～75kHz;泄漏過(guò)程中氣體泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號均方根(AERMS)與氣體泄漏率有關(guān)，且隨泄漏率增大而增大;通過(guò)實(shí)驗研究確定DN50球閥和截止閥密封圈處發(fā)生內漏時(shí)，聲發(fā)射信號值與內漏率的雙對數關(guān)系logAERMS=blogQ+c中系數分別為：b=0.3443、c=0.916和b=0.3713、c=1.293，因此可以采用聲發(fā)射技術(shù)對閥門(mén)內漏進(jìn)行無(wú)損檢測。
在分析閥門(mén)內漏過(guò)程中氣體體積泄漏率與聲發(fā)射信號特征參數均方根(AERMS)函數關(guān)系時(shí)，選取了有代表性的球閥和截止閥作為研究對象，由于不同種類(lèi)閥門(mén)結構不同，在一定程度上不能完全分析出其對應關(guān)系，故在以后的工作中選取更多的閥門(mén)如閘閥、針閥等作為研究對象，以便使分析結果更為準確。
