高壓管匯泄漏聲發(fā)射檢測(cè)研究

朱祥軍,李 麗，金 莉

（川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，四川 廣漢 618300）

0 引 言

高壓管匯的日常檢測(cè)，國(guó)內(nèi)目前主要采用的是水壓密封檢測(cè)，對(duì)于高壓管匯的泄漏檢測(cè)還沒有一套獨(dú)立的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和方法，而將聲發(fā)射技術(shù)運(yùn)用在高壓管匯泄漏檢測(cè)則更是個(gè)空白。

產(chǎn)生泄漏主要是因?yàn)樵O(shè)備材料腐蝕老化或其他外力作用產(chǎn)生裂紋或者腐蝕孔，亦或是設(shè)備密封部位密封不到位，設(shè)備內(nèi)外存在壓力差而使設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)向外泄漏。當(dāng)產(chǎn)生泄漏時(shí)，稱之為被動(dòng)聲發(fā)射，即泄漏聲發(fā)射信號(hào)[1]。

泄漏聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)弱與流體的速度、流量、設(shè)備壓力、設(shè)備壓降以及流體的物理性質(zhì)有關(guān)。通過試驗(yàn)可以看出，利用聲發(fā)射系統(tǒng)的高靈敏度特性和現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)能力，完全可以快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)高壓管匯產(chǎn)生微弱信號(hào)的泄漏現(xiàn)象。

1 高壓管匯泄漏的聲發(fā)射研究

1.1 衰減測(cè)試

高壓管匯中的直管、彎頭、三通、四通結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、配件少、尺寸小，在表面?zhèn)鞑サ穆暡ǎ涮匦耘c方向無關(guān)，可以將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為線性結(jié)構(gòu)，將傳感器布置在一端，以另一端為最遠(yuǎn)距離進(jìn)行測(cè)試，用HB鉛筆芯（與殼體表面成30°角）在測(cè)點(diǎn)處折斷作為聲發(fā)射信號(hào)源，將檢測(cè)出的信號(hào)幅度值一一記錄，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，彎頭是高壓管的一類，但是不同于高壓管匯，彎頭內(nèi)部的連接件較多且多為橡膠件，吸收能量大，因此造成彎頭的衰減量也大。而其彎頭中包括活動(dòng)接頭，造成聲波衰減不規(guī)則。

圖1 管線、彎頭、三通、四通表面聲發(fā)射信號(hào)衰減曲線

法蘭從結(jié)構(gòu)來看聲波經(jīng)管線、法蘭面、墊片及螺栓到達(dá)另一個(gè)法蘭面，因此衰減必然大；而閥門則結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聲波的傳播途徑無法掌握，這也必然會(huì)造成能量的散射衰減。法蘭和閥門的衰減測(cè)試如圖2所示。

圖2 法蘭、閥門表面聲發(fā)射信號(hào)衰減曲線

1.2 布點(diǎn)方案

從圖2看出法蘭和閥門表面衰減較大，10cm的距離衰減了6dB。但是從結(jié)構(gòu)來看，法蘭和閥門聲速雖然小，但由于體積小聲波很快就能傳遍整個(gè)設(shè)備表面，衰減雖然大，但是在短距離內(nèi)不受影響；因此，傳感器的布置方案為：將傳感器布置到閥體或法蘭體上，根據(jù)閥門或法蘭的大小增加傳感器的數(shù)量。

其他管件（除了高壓彎頭）都具備聲速高、衰減小的特點(diǎn)，高壓管線在100cm的距離內(nèi)衰減不到20dB，而且這些設(shè)備外形規(guī)則，檢測(cè)時(shí)可以簡(jiǎn)化為線性結(jié)構(gòu)；因此，泄漏檢測(cè)的方案為：將傳感器靠近泄漏的位置，參考衰減數(shù)據(jù)增加傳感器數(shù)量，當(dāng)三通或四通體積小時(shí)，可以利用1個(gè)傳感器放置在三通或四通殼體的中間部位，同時(shí)監(jiān)測(cè)幾個(gè)泄漏點(diǎn)。各部件傳感器布置位置見圖3。

1.3 噪聲信號(hào)分析

為了研究泄漏信號(hào)的參數(shù)特性，制作一個(gè)試驗(yàn)件，試驗(yàn)件以密封螺絲控制泄漏大小，試驗(yàn)的時(shí)候試驗(yàn)件會(huì)發(fā)出兩種信號(hào)：（1）承壓件擠壓造成受力不均勻變形的噪聲；（2）泄漏時(shí)產(chǎn)生的泄漏信號(hào)。當(dāng)讓試驗(yàn)件不發(fā)生泄漏時(shí)，采集到的就是影響泄漏判斷的干擾信號(hào)。

圖3 管匯泄漏檢測(cè)傳感器布置圖

將試驗(yàn)件的螺絲擰緊，不讓泄漏發(fā)生，進(jìn)行兩次30MPa密封試驗(yàn)。兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)都有很大的相似，試驗(yàn)過程的聲發(fā)射信號(hào)特征如圖4所示。

圖4 無泄漏聲發(fā)射試驗(yàn)圖

對(duì)兩次采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)出試驗(yàn)件中的干擾信號(hào)特征：

（1）在升壓階段信號(hào)非常明顯，開始穩(wěn)壓后信號(hào)量逐漸減少，1min后處于穩(wěn)定階段。

（2）試驗(yàn)中產(chǎn)生的信號(hào)不多，而且信號(hào)能量值97%在10以下，為承壓件變形信號(hào)，另外3%的信號(hào)數(shù)據(jù)相對(duì)較大，為螺絲受力和承壓件之間摩擦引起信號(hào)。

（3）試驗(yàn)時(shí)觀察圖中ASL參數(shù)，很直接地反映了傳感器接受到信號(hào)的活躍程度，當(dāng)聲發(fā)射信號(hào)不再產(chǎn)生，振鈴技術(shù)曲線在穩(wěn)壓階段已經(jīng)完全穩(wěn)定時(shí)，ASL仍然有輕微波動(dòng)，說明ASL參數(shù)在反映傳感器接受信號(hào)的活躍性的能力要大于其他參數(shù)。

1.4 泄漏信號(hào)分析

松動(dòng)泄漏調(diào)節(jié)螺釘，使得泄漏更加容易產(chǎn)生。重復(fù)試驗(yàn)步驟，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)和對(duì)比分析，采集的數(shù)據(jù)見圖5。

圖5 泄漏信號(hào)采集試驗(yàn)

整個(gè)試驗(yàn)有3類信號(hào)發(fā)生，在升壓過程及穩(wěn)壓開始半分鐘內(nèi)出現(xiàn)第1種信號(hào)，這些信號(hào)上升時(shí)間＞10 000 μs，持續(xù)時(shí)間＞100 000 μs，能量＞1 000，振鈴計(jì)數(shù)＞8 000個(gè)，幅度高達(dá) 60～80 dB，ASL也在40～50dB范圍內(nèi)。

隨著泄漏的繼續(xù)，相應(yīng)的泄漏量也在逐步減弱，隨之而變化的是泄漏的信號(hào)也在逐步變?nèi)?，上升時(shí)間在 1000～8000μs之間，持續(xù)時(shí)間在 4000～80000μs之間，能量在10～500之間，幅度降至40～60dB之間，ASL也降到30～40dB之間。這些信號(hào)和平時(shí)檢測(cè)中遇到的金屬摩擦信號(hào)及裂紋擴(kuò)展信號(hào)非常相似。

穩(wěn)壓10min后，泄漏已經(jīng)非常微弱，這類信號(hào)各種特征參數(shù)都很小，和平時(shí)檢測(cè)中的輕微干擾信號(hào)非常類似，因此對(duì)這類信號(hào)也不容易識(shí)別。

利用常規(guī)的聲發(fā)射檢測(cè)分析方法來分析這3類出現(xiàn)的信號(hào)非常困難，大多金屬壓力容器泄漏產(chǎn)生的是持續(xù)彈性波信號(hào)，屬于連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)，高壓管匯也不例外。在此理論[2-5]的基礎(chǔ)上經(jīng)過大量試驗(yàn)和分析，最后總結(jié)出以下3種分析方法。

（1）參數(shù)法。聲發(fā)射檢測(cè)的第1階段是升壓，泄漏量大時(shí)，泄漏信號(hào)的各項(xiàng)聲發(fā)射特征參數(shù)都非常大，而且這種信號(hào)會(huì)連續(xù)出現(xiàn)，與正常的聲發(fā)射檢測(cè)相比這類信號(hào)非常突出，這個(gè)方法可以貫穿整個(gè)檢測(cè)過程，穩(wěn)壓階段也適用。

（2）ASL曲線觀察法。ASL對(duì)幅度動(dòng)態(tài)范圍要求高而對(duì)時(shí)間分辨率要求不高的連續(xù)型信號(hào)尤為有用。當(dāng)檢測(cè)程序進(jìn)入穩(wěn)壓階段，觀察每個(gè)聲發(fā)射傳感器有無連續(xù)不斷的ASL信號(hào)來判斷泄漏，這是最直觀最簡(jiǎn)單的方式。

（3）波形分析法。利用聲發(fā)射信號(hào)的原始波形圖像，直觀地反映出信號(hào)波的圖像信息來進(jìn)行判讀。

2 實(shí)際應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為美國(guó)PAC聲發(fā)射系統(tǒng)，傳感器中心頻率為100kHz，放大器增益為40dB，門檻值為40dB。對(duì)一組節(jié)流壓井管匯進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)，做到第3組密封實(shí)驗(yàn)時(shí)，穩(wěn)壓階段，其他傳感器都很平穩(wěn)，但有一個(gè)閥上的兩個(gè)傳感器不間斷地接受到信號(hào)，外觀檢查沒有看到存在漏水，因此可利用聲發(fā)射來檢測(cè)是否有泄漏。

將其他閥上的傳感器取下來，只留下該閥上的6號(hào)傳感器和鄰近閥上的7號(hào)傳感器做對(duì)比觀察，檢測(cè)數(shù)據(jù)見圖6。檢測(cè)開始，升壓階段沒有出現(xiàn)異常信號(hào)，6、7號(hào)傳感器接受的信號(hào)特征相似，穩(wěn)壓后隨著聲發(fā)射信號(hào)的逐步穩(wěn)定，在ASL圖中6號(hào)傳感器的ASL數(shù)據(jù)一直都處于高位，如果是裂紋擴(kuò)展絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)這種情況，因此可以判定是6號(hào)傳感器所在的閥內(nèi)漏。該閥經(jīng)返廠檢修后再次檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)正常。

圖6 節(jié)流管匯泄漏檢測(cè)圖

3 結(jié)束語

通過對(duì)高壓管匯一系列的聲發(fā)射研究測(cè)試，分析出聲發(fā)射信號(hào)在管匯表面中傳播的特征，完整地給出高壓管匯泄漏檢測(cè)的傳感器布置方案，系統(tǒng)地總結(jié)出管匯泄漏的聲發(fā)射信號(hào)特征，確定管匯聲發(fā)射泄漏檢測(cè)及結(jié)果評(píng)價(jià)方法，將幾種不同的分析方式綜合利用，逐步完成泄漏分析。

此外，聲發(fā)射信號(hào)特征和泄漏量的大小、泄漏孔徑的尺寸及外形、泄漏的介質(zhì)、設(shè)備的壓力等因素有關(guān)，如何建立相關(guān)物理和數(shù)學(xué)模型需要進(jìn)一步研究。

[1]焦敬品，何存富，吳斌，等.管道聲發(fā)射泄漏檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J].無損檢測(cè)，2003，25（10）：519-523.

[2]沈功田，耿榮生，劉時(shí)風(fēng).聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)分析方法[J].無損檢測(cè)，2002，24（2）：72-78.

[3]沈功田，耿榮生，劉時(shí)風(fēng).聲發(fā)射信號(hào)處理和分析技術(shù)[J].無損檢測(cè)，2002，24（1）：23-28.

[4]朱祥軍.石油高壓管匯聲發(fā)射特性的研究[J].中國(guó)測(cè)試，2010，36（4）：21-24.

[5]耿榮生，沈功田，劉時(shí)風(fēng).基于波形分析的聲發(fā)射信號(hào)處理技術(shù)[J].無損檢測(cè)，2002，24（6）：257-261.