天然气管道阀门内漏声发射信号特征研究

    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2015年，中国天然气管道总长将达到6万km。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20世纪80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。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Lighthill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（AcousticEmission，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，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_n｝_n∈z是正交尺度函数μ₀（t）＝Φ（t）对应的正交低通实系数滤波器，｛g_n｝_n∈z是正交小波函数μ₁（t）＝φ（t）对应的高通滤波器，其中gn＝（-1）ⁿh_1-n，则他们满足以下二尺度方程和小波方程：

        （1）

    通过μ₀、μ₁、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：

        （2）    

    式中：当n＝0时，μ₀（t）＝Φ（t），μ₁（t）＝φ（t）。以上定义的函数集合｛μ_n（t）｝_m∈z为由μ₀（t）＝Φ（t）所确定的小波包，由此，小波包｛μ_n（t）｝_n∈z是包括尺度函数μ₀（t）和小波母函数μ₁（t）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x（t）在子空间Uⁿ_j+1上的投影（小波包）系数可以表示为：

        （3）

    记x（t）在子空间U²ⁿ_j和U²ⁿ⁺¹_j上的投影（小波包）系数分别为d²ⁿ_j和d²ⁿ⁺¹_j，则可得：

    小波包分解公式为：

        （4）

    小波包重构公式为：

        （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_RMS）作为评价标准，例如一个声发射信号含有N个样本，x［0］，x［1］，…，x［n-1］均方根的方程如下：

        （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（PSD）、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（PSD）可以由下式获得：

        （7）

    式中，P［k］是功率谱密度，X［k］是一个声发射信号的离散傅里叶变换，x［n］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：

        （8）

    声功率的指数与内漏率的指数成线性关系，即：

        （9）

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    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0～2.5MPa，DN50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0.125～2.5m³/h，准确度等级为2.5级。

图1 阀门内漏检测实验示意图

    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SR150N声发射传感器，中心频率150kHz，工作频率为22～220kHz，放大器增益为40dB±1dB；数据采集系统为研华公司的USB-4716，数据采样频率为200kHz，16bit的A/D转换。

    球阀内漏检测实验时，利用刀具分别将DN50球阀和截止阀密封圈处进行划伤，划痕横截面积为0.5mm×0.5mm，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0.375，0.500，0.625，…，1.125m³/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PC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db4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FFT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。

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100kHz的信号分成8个频带，第一个频带［3.0］的频率范围为0～12.5kHz，最后一个频带［3.7］的频率范围为87.5～100kHz，将分解后的信号再进行单支重构，并求其功率谱密度（PSD），如图3所示。

图3 单支信号功率谱密度

    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0.375，0.500，0.625，…，1.125m³/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12.5～75.0kHz。

图4 球阀在不同压差下各频带能量分布

图5 截止阀在不同压差下各频带能量分布    

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    设置带通滤波带通频率为12.5～75kHz，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AERMS有所不同。将球阀和截止阀不同泄漏率下检测声发射信号AERMS值带入到等式（9），计算求得阀门内漏率声发射信号AERMS和体积泄漏率（Q）的双对数关系曲线longAE_RMS＝blogQ+c，利用Matlab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＝0.3443、c＝0.916和b＝0.3713、c＝1.293。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。

图6 声发射信号AERMS与泄漏率对应关系

图7 声发射信号AERMS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0.5mm、深度0.5mm时，其主要能量分布的频率范围为12.5～75kHz；泄漏过程中气体泄漏产生的声发射信号均方根（AE_RMS）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DN50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logAE_RMS=blogQ+c中系数分别为：b＝0.3443、c＝0.916和b＝0.3713、c＝1.293，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声发射信号特征参数均方根（AE_RMS）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。