船用管道及閥門狀態(tài)的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)

張彥敏，駱立強(qiáng)

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064;2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

船用管道及閥門狀態(tài)的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)

張彥敏1，駱立強(qiáng)2

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064;2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

基于艦船內(nèi)部管道、閥門由于泄漏或者打開(kāi)關(guān)閉時(shí)由各種原因所產(chǎn)生的聲發(fā)射(AE)信號(hào)的特征分析，論述了針對(duì)管道、閥門狀態(tài)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法及試驗(yàn)研究。介紹了一種安裝在船用管道或閥門上的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵管道、閥門工作和運(yùn)行狀態(tài)，特別是針對(duì)一些高溫、輻射、偏遠(yuǎn)部位的管道、閥門的遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、無(wú)損監(jiān)測(cè)。

船用管道、閥門;聲發(fā)射;試驗(yàn)研究;狀態(tài)監(jiān)測(cè)

0 引言

大型船舶及艦艇上的管道縱橫交錯(cuò)，綿延數(shù)千米，閥門有成百上千個(gè)，只有少數(shù)管道、閥門(如核級(jí)、蒸汽等)位于最危險(xiǎn)、最不易接近的位置。而這些管道及閥門的狀態(tài)都是動(dòng)力系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。

當(dāng)前，艦艇對(duì)內(nèi)部系統(tǒng)的安全性、可靠性、智能化有了更高的要求，管道泄漏、閥門的狀態(tài)檢測(cè)更加受到關(guān)注。本文基于管道、閥門泄漏或閥門啟閉時(shí)由各種原因所引發(fā)的聲發(fā)射信號(hào)，論述了針對(duì)管道、閥門狀態(tài)的聲發(fā)射檢測(cè)方法及試驗(yàn)研究。

1 管道、閥門狀態(tài)的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)原理

1.1 聲發(fā)射技術(shù)的定義

材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(AE)［1］。借助靈敏的傳感器檢測(cè)，并用儀器探測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)和利用聲發(fā)射信號(hào)推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。

管道、閥門泄漏所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)是廣義聲發(fā)射信號(hào)，管壁或閥門本身不釋放能量，而只是作為一種傳播介質(zhì)，利用聲發(fā)射探頭拾取沿管壁傳播并攜帶泄漏源信息的應(yīng)力波，對(duì)此分析處理，獲得管道、閥門的泄漏信息，實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的目的。

1.2 管道、閥門狀態(tài)的監(jiān)測(cè)原理

管道、閥門泄漏聲發(fā)射信號(hào)主要來(lái)自3種聲源:①氣或水經(jīng)縫隙噴射而出，高壓射流與泄漏孔壁作用，泄漏點(diǎn)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào);② 氣或水高速流出內(nèi)露孔，沖擊閥門后方管道壁產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào);③ 氣或水從閥門上游到下游是層流到湍流的過(guò)程，閥門下游產(chǎn)生白噪聲。泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)為連續(xù)型信號(hào)，所激發(fā)應(yīng)力波頻率范圍非常寬，既有聲頻，又有超聲頻［2］，且泄漏信號(hào)頻帶隨介質(zhì)、壓力、閥門類型、孔洞尺寸形狀及泄漏量而變化。將傳感器置于閥門、泄漏孔上下游或閥體上，便可檢測(cè)出管道、閥門泄漏與否及泄漏程度或者閥門的狀態(tài)。

1.3 聲發(fā)射狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1)聲發(fā)射是一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢驗(yàn)方法，聲發(fā)射探測(cè)到的能量來(lái)自被測(cè)閥門自身的主動(dòng)發(fā)射;

2)探測(cè)和評(píng)價(jià)管道、閥門的活性缺陷狀態(tài)，對(duì)幾何形狀不敏感，不影響管道、閥門完整性;

3)提供管道、閥門隨載荷、時(shí)間等變化的連續(xù)信息，適用于在線監(jiān)控及早期、臨近破壞預(yù)報(bào);

4)對(duì)管道、閥門的接近要求不高，適用于難于或不能接近狀況下的檢測(cè)，如高溫、輻射等環(huán)境;

5)在役檢驗(yàn)，工作無(wú)中斷，檢測(cè)快捷、經(jīng)濟(jì)。

2 船用管道、閥門的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

2.1 管道、閥門聲發(fā)射監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

管道、閥門的聲發(fā)射狀態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)包括:①受監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置及附件;② 監(jiān)測(cè)設(shè)備(傳感器及波導(dǎo)桿、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀等);③試驗(yàn)輔助裝置(飽和蒸汽、排氣系統(tǒng)等)。試驗(yàn)裝置包括手動(dòng)閥門、泄漏閥門、管道等;管道介質(zhì)有水、蒸汽;管道尺寸為 φ32 mm×2.5 mm;泄漏孔徑為1 mm。

2.2 聲發(fā)射試驗(yàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備及選型

1)波導(dǎo)桿與管道材料相同。在不致信號(hào)嚴(yán)重衰減情況下，加長(zhǎng)波導(dǎo)桿使末端溫度降至要求范圍內(nèi)。

2)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀，采用美國(guó)物理聲學(xué)公司SAMOS PCI－8系統(tǒng)與管道泄漏檢測(cè)專家系統(tǒng)VPAC。分別采用62 kHz與150 kHz(數(shù)據(jù)未論述)高靈敏度探頭進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)分析，前置放大器增益設(shè)置為40 dB。

3 管道、閥門狀態(tài)的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

首先了解被檢測(cè)構(gòu)件、信號(hào)的特征。泄漏信號(hào)是連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)，中心頻率約為40 kHz;然后進(jìn)行耦合性斷鉛試驗(yàn)。驗(yàn)證傳感器與波導(dǎo)桿、波導(dǎo)桿與管道、閥體及法蘭焊接、耦合良好性。

3.2 閥門泄漏的試驗(yàn)監(jiān)測(cè)方法

閥門必須泄漏時(shí)才能檢出聲發(fā)射信號(hào)［4］。

1)無(wú)泄漏狀態(tài)信號(hào)監(jiān)測(cè)(背景噪聲檢測(cè))

監(jiān)測(cè)閥門2上下游傳感器的聲發(fā)射信號(hào)。將待檢測(cè)閥門2關(guān)閉，而閥門2前端的所有的通路打開(kāi)，此時(shí)待檢閥門上游有壓力，而下游無(wú)壓力，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)判定無(wú)泄漏所引起聲發(fā)射信號(hào)。

2)管道、閥門模擬泄漏的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)

模擬閥門泄漏，由于閥門前后壓差產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。通過(guò)閥門上下游傳感器監(jiān)測(cè)閥門泄漏情況。而將管道泄漏孔打開(kāi)監(jiān)測(cè)管道泄漏的聲發(fā)射信。

圖4 0.5 MPa閥門閥體聲發(fā)射檢測(cè)圖(幅值/時(shí)間)Fig.4 AE detection sketch of valves underwater 0.5 MPa(Amplitude/time)

通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M泄漏聲發(fā)射信號(hào)的幅值、能量、ASL及頻譜隨壓力(0.1/0.5/1.0 MPa)的變化關(guān)系。

3)模擬閥門開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)

閥門在開(kāi)啟、關(guān)閉過(guò)程中，由于從高壓向低壓或者從對(duì)氣、水流的阻滯向?qū)ㄞD(zhuǎn)換，對(duì)閥體、管壁產(chǎn)生流沖擊、湍流、擾流，多方作用引起廣義上的聲發(fā)射信號(hào)。通過(guò)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)判定閥門的狀態(tài)。

4 閥門狀態(tài)的聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果

4.1 背景及流體噪聲檢測(cè)

試驗(yàn)過(guò)程如圖4(a)所示:① 閥門1打開(kāi)/閥門2關(guān)閉，傳感器1接收到信號(hào)幅值最高達(dá)到31 dB，且處于平穩(wěn)階段(無(wú)流體噪聲);② 打開(kāi)閥門2后，流體開(kāi)始流動(dòng)，產(chǎn)生高幅值(60～75 dB)、高能量信號(hào)(5000～20000);③隨著時(shí)間延長(zhǎng)，流體流動(dòng)趨于平穩(wěn)，信號(hào)幅值與能量保持在一定水平(幅值為58～65 dB，能量為8000～14000);④ 當(dāng)關(guān)閉閥門2后，信號(hào)幅值與能量呈下降趨勢(shì)并最終達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。

圖5為能量對(duì)時(shí)間的表征向量圖，圖6為ASL對(duì)時(shí)間的表征向量圖，反映流體狀態(tài)的變化狀況。ASL為信號(hào)平均電平，用以表征采樣時(shí)間內(nèi)信號(hào)電平的均值，主要用于連續(xù)性聲發(fā)射活動(dòng)性評(píng)價(jià)。

4.2 泄漏狀態(tài)下聲發(fā)射檢測(cè)

圖1中，管道上鉆有1 mm直徑的小孔，進(jìn)行泄漏模擬，小孔距離傳感器1約100 mm。

試驗(yàn)過(guò)程如圖4(b)和圖6所示。打開(kāi)閥門1，流體產(chǎn)生泄漏，此時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)處于泄漏突發(fā)階段，信號(hào)不平穩(wěn)，信號(hào)幅值較為分散，最高達(dá)到滿幅值。隨著時(shí)間的推移，泄漏狀態(tài)平穩(wěn)，信號(hào)幅值維持在70～80 dB之間。外加干擾信號(hào)后，信號(hào)幅值明顯高于泄漏信號(hào)，泄漏信號(hào)處于淹沒(méi)狀態(tài)。去除干擾并打開(kāi)閥門2，使得流體開(kāi)始流動(dòng)，此時(shí)信號(hào)趨于平穩(wěn)。第2次外加信號(hào)同上分析。最后，當(dāng)閥門1關(guān)閉后，由于流體壓力的滯后效應(yīng)，信號(hào)并沒(méi)有立刻消失，而是逐漸減少，衰減過(guò)程持續(xù)5 s左右，最后趨于結(jié)束。圖4(b)和圖6(b)分別為管道泄漏信號(hào)幅值－時(shí)間參數(shù)圖和ASL－時(shí)間間參數(shù)圖，很好地反映了泄漏過(guò)程的各種干擾階段:通過(guò)圖4(b)、圖6(b)可以明顯看出當(dāng)泄漏產(chǎn)生時(shí)有明顯的聲發(fā)射信號(hào)的躍變，泄漏信號(hào)的幅值原高于背景信號(hào)，泄漏信號(hào)相對(duì)于外界干擾(主要是機(jī)械干擾)來(lái)說(shuō)其頻率更高，能量更加集中(如圖4(b)的雜散干擾)。

4.3 泄漏源的定位

一般連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)的定位采用基于信號(hào)幅值衰減的定位方法和互相關(guān)定位方法。

1)基于信號(hào)幅值衰減的定位方法。該方法首先要知道信號(hào)在被檢測(cè)構(gòu)件中的衰減特性，其次所有傳感器的靈敏度要調(diào)節(jié)到一致。

信號(hào)幅值衰減定位方法的一般步驟如下:首先通過(guò)傳感器陣列找出輸出最大的和第二大的傳感器(如圖1中的傳感器1和傳感器2)，這2個(gè)傳感器距離泄漏源最近;其次觀察2個(gè)傳感器輸出的不同處;再次畫出2個(gè)傳感器之間的信號(hào)衰減曲線;最后基于傳感器輸出的不同，根據(jù)信號(hào)衰減曲線定位泄漏源。

2)信號(hào)的互相關(guān)定位方法?；ハ嚓P(guān)技術(shù)是一種更為先進(jìn)的泄漏定位技術(shù)，它可以確定信號(hào)到達(dá)不同傳感器的時(shí)間差。

4.4 采用VPAC對(duì)閥門泄漏的定性分析

閥門泄漏的聲發(fā)射檢測(cè)也可以采用閥門聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，在此試驗(yàn)中我們也同時(shí)使用了美國(guó)物理聲學(xué)公司的VPAC進(jìn)行了定性分析。

表1 VPACK檢測(cè)閥門泄漏的定性分析Tab.1 Qualitative analysis when use VPACK for valve leak detection

當(dāng)閥門有泄漏時(shí)，閥體聲發(fā)射信號(hào)上游比下游高，可定性判斷閥門是否有泄漏。在閥門關(guān)緊的情況下，兩閥上游的幅值最高，閥本體和下游幅值基本相同，這說(shuō)明閥本身沒(méi)有泄漏。略微擰開(kāi)閥門，幅值分布發(fā)生變化，閥本體幅值最高，而上游和下游基本相同，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)條件相符。

4.5 關(guān)于閥門開(kāi)度狀態(tài)的監(jiān)測(cè)

聲發(fā)射傳感器的時(shí)間常數(shù)(反應(yīng)時(shí)間)的階數(shù)為10－6s，遠(yuǎn)比其他的傳感器要小得多，這樣，利用聲發(fā)射技術(shù)可以以極高的靈敏度跟蹤、監(jiān)測(cè)船用閥門的安全運(yùn)行［6］。如圖7所示，在閥門的打開(kāi)、關(guān)閉的瞬間，聲發(fā)射系統(tǒng)將可以瞬間監(jiān)測(cè)到船用閥門聲發(fā)射水平的聲源級(jí)的階越(非常陡)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)船用閥門工況狀態(tài)的無(wú)延時(shí)、無(wú)故障的監(jiān)測(cè)，即使是閥門的打開(kāi)狀態(tài)極短。利用此原理，可以將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到船用安全閥的狀態(tài)及開(kāi)度監(jiān)測(cè)中。

圖7 聲發(fā)射與其他手段的閥門檢測(cè)對(duì)比Fig.7 Contrast of AE and other instrument for valve

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，論述了聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在船用管道、閥門實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控中應(yīng)用的可行性和有效性。利用聲發(fā)射技術(shù)較好地監(jiān)測(cè)艦艇內(nèi)部不易接近觀察的管道、閥門在各種復(fù)雜情況下的信號(hào)變化特征，得到聲發(fā)射信號(hào)在不同試驗(yàn)過(guò)程中的變化趨勢(shì)。

聲發(fā)射在船用領(lǐng)域的應(yīng)用也需要大量的基礎(chǔ)工作，如長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的聲發(fā)射檢測(cè)從而獲得管道、閥門不同工況下的聲發(fā)射信號(hào)，主要是將艦艇相關(guān)部位的振動(dòng)、傳導(dǎo)等噪聲源進(jìn)行摸底，摸清不同泄漏狀態(tài)下的艦艇管道、閥門的聲發(fā)射信號(hào)特征從而經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期積累建立艦艇管道及閥門的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)專家系統(tǒng)，從而實(shí)施對(duì)異常狀況進(jìn)行確認(rèn)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間理論與相關(guān)的艦艇應(yīng)用的結(jié)合，聲發(fā)射技術(shù)定將在船用管道、閥門的狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，進(jìn)一步保障艦艇的動(dòng)力系統(tǒng)的安全。

［1］王祖蔭.聲發(fā)射技術(shù)基礎(chǔ)［M］.濟(jì)南:山東科學(xué)技術(shù)出版社，1990.

［2］石志標(biāo)，陳向偉，張學(xué)軍.聲發(fā)射技術(shù)在閥門檢漏中的應(yīng)用［J］.無(wú)損檢測(cè)，2004，26(8):391 －401.

［3］張穎，戴光，韓波，等.利用聲學(xué)檢測(cè)方法估算氣體閥門的內(nèi)漏率［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，29(4):79－82.

［4］張艾萍，金建國(guó).聲發(fā)射檢漏儀在閥門密封性檢驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.閥門，2002，(4):39 －41.

［5］李善春，郭福平，王為松.壓力管道泄漏聲發(fā)射監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究［J］.無(wú)損檢測(cè)，2007，29(2):74 －79.

［6］MCSHANE J L，BORO C.System and method for valve monitoring using pipe-mounted ultrasonic transducers［P］.United States Patent:US005115672A，1992 －5 －26.

Monitoring for marine pipes and valves using acoustic emission

ZHANG Yan-min，LUO Li-qiang
(1.Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China;2.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China)

Based on the AE signal character because of the marine pipes and valves'leak and the open and close movement，this paper discourses upon the status surveillance method and the experimentation and research of AE for the marine pipes and valves.This paper introduces AE surveillance technology，in which transducers were fixed on the pipes or valves，thus in virtue of it we can realize the status of key valves'work and functions，realize the long-distance and real time and lossless and continual surveillance，especially for some key pipes and valves.

marine pipes and valves;acoustic emission;experimentation and research;status surveillance

TGl15.28

A

1672－7649(2011)12－0072－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.12.016

2010－10－11;

2011－02－14

張彥敏(1980－)，男，工程師，研究方向?yàn)樗曤娮庸こ獭?/p>