數(shù)字化聲發(fā)射技術在潛水器管道泄漏監(jiān)測中的應用研究

韋朋余，岳亞霖，張 煒，陳 穎，李盛華

（中國船舶科學研究中心，無錫 214082）

1 引 言

潛水器體現(xiàn)一個國家的綜合技術力量，是海洋技術開發(fā)的前沿與制高點，可以用于援潛救生、海洋資源勘探和海洋平臺支持作業(yè)等領域。特別是近年伴隨著海洋油氣資源的大規(guī)模開發(fā)已建造了大量的海洋石油開采平臺。一旦平臺出現(xiàn)故障，就需要潛器下潛排除故障提供支持作業(yè)能力。潛水器在下潛過程中用來保證主壓載水艙注水或排水以消除或恢復潛水器儲備浮力的設備和管路，我們稱之為潛浮系統(tǒng)[1]。在過去的潛器下潛過程中曾遇到因潛浮系統(tǒng)管道泄漏導致潛器被迫緊急上浮、維修中斷，帶來了巨大的經濟損失[2]。因此如何及時準確地對泄漏漏點進行檢測和預報，保障潛水器正常作業(yè)就顯得非常重要。潛水器潛浮系統(tǒng)發(fā)生管道泄漏時，泄漏點處由于管內外壓差，管內的高壓流體由裂縫處向外噴射，在泄漏處形成多相湍射流，一方面與管道及周圍介質相互作用向外輻射能量，在管壁上產生彈性波；另一方面從泄漏點向外噴射的高速流體對壁面產生激勵作用和摩擦，在管壁上也產生彈性波。該彈性波攜帶泄漏源信息（如泄漏部位、泄漏速率以及泄漏孔大小等）沿管壁向四周傳播，形成聲發(fā)射源。利用聲發(fā)射傳感器拾取管壁上的聲波信號，并對其進行分析處理，進而獲得管道泄漏信息，實現(xiàn)聲發(fā)射泄漏檢測的目的[3]。

本文建立了管道泄漏聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，確定了應用于潛水器管道泄漏的聲發(fā)射通道采集控制參數(shù)，進而對潛水器管道泄漏現(xiàn)象進行了試驗研究，驗證了系統(tǒng)的實用性和有效性；通過研究獲得了泄漏聲發(fā)射信號的RMS、ASL、能量及頻譜隨壓力、傳播距離的變化規(guī)律，為在潛水器服役過程中進行聲發(fā)射實時監(jiān)測提供物質基礎和技術支撐。

2 潛水器管道泄漏聲發(fā)射檢測系統(tǒng)

2.1 試驗系統(tǒng)

本文根據(jù)潛水器潛浮系統(tǒng)結構特征和聲發(fā)射檢測技術內在要求，建立了管道泄漏聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，具體包括管道泄漏裝置、聲發(fā)射檢測系統(tǒng)及加壓系統(tǒng)，如圖1所示。管道泄漏裝置包含管道泄漏模型、封頭、開孔螺釘、銅墊圈、球閥以及法蘭等。其中管道泄漏模型材料選用紫銅管（潛水器管道通用材料），具體尺寸為外徑170 mm，壁厚10 mm，長度分別為3 m和6 m，中間采用法蘭或球閥連接，兩端自由支撐，無外包層。在長度為6 m的紫銅管上加工含有內螺紋的孔，通過擰上開有模擬泄漏孔的螺釘來實現(xiàn)泄漏模擬[4]。聲發(fā)射檢測系統(tǒng)包括信號處理器、傳感器、信號線以及耦合劑等。試驗信號處理器采用美國引進的PCI-2數(shù)字化聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，可實現(xiàn)數(shù)字信號處理，傳感器選用WDI，其頻響范圍100～1000 kHz，以黃油作為耦合劑。加壓系統(tǒng)包含壓力變送器、電動試壓泵、壓力表、連接管以及閥門等。目前南海和東海的采油平臺所處海域的最大水深達到332 m，因此試驗時，管道內部壓力取0.5～3 MPa。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 The sketch map of experiment system

2.2 設備參數(shù)配置

聲發(fā)射傳感器能否成功捕捉到有效信號，采集通道參數(shù)的設置是一個關鍵因素。特別是潛水器管道泄漏信號是連續(xù)型信號，且目前國內外暫無關于潛水器管道（紫銅管）泄漏聲發(fā)射檢測文獻的相關報道，因此如何找到適合紫銅管泄漏的聲發(fā)射技術參數(shù)將是試驗前要解決的第一個問題。試驗前利用Fieldcal聲發(fā)射校準儀在紫銅管上產生連續(xù)型正弦信號對PCI-2聲發(fā)射檢測系統(tǒng)通道參數(shù)進行多次調試，獲得最優(yōu)參數(shù)設定如下:采樣率1MSPS、采樣長度1 k、模擬濾波范圍1 kHz～3 MHz、預觸發(fā)時間256 usec、壓力參數(shù)通道倍數(shù)1.25和偏差-1.28。

在試驗過程中，會受到機械噪聲、電磁噪聲以及水流聲干擾，因此信號背景噪聲的排除成為要解決的第二個問題。預試驗發(fā)現(xiàn)通過調整幅度門檻值可以有效地減少噪聲信號，但是幅值門檻過高容易漏檢有效聲信號，門檻過低不能完全地排除噪聲。通過斷鉛試驗模擬聲信號來調整門檻值的方法，進行多次反復試驗，得到適用于紫銅管的門檻參數(shù):門檻值30 dB、浮動門寬6 dB。

3 潛水器潛浮系統(tǒng)管道泄漏聲發(fā)射信號特性研究

3.1 泄漏聲發(fā)射信號隨傳播距離的衰減特性研究

聲發(fā)射信號在不同介質中傳播時，其信號頻率、幅度等特性與傳播介質密切相關，而聲發(fā)射信號頻率、幅度等參數(shù)的傳播衰減特性直接影響聲源定位時參考標準的選取[5]。因此本文首先對管道泄漏聲發(fā)射信號沿紫銅管傳播時其RMS、ASL、能量以及頻率等參數(shù)隨傳播距離的衰減特性進行研究。

本文對采集到的管道泄漏聲發(fā)射信號進行了統(tǒng)計分析。圖2為聲發(fā)射信號有效值電壓RMS在泄漏速率為10 mL/s、壓力為2.5 MPa下隨傳播距離變化的衰減曲線，圖3為聲發(fā)射信號平均信號電平ASL在泄漏速率為10 mL/s、壓力為2.5 MPa下隨傳播距離變化的衰減曲線，圖4為聲發(fā)射信號能量計數(shù)在泄漏速率為10 mL/s、壓力為2.5 MPa下隨傳播距離變化的衰減曲線。從圖2至圖4中可以看出:靠近泄漏源的傳感器比遠離時的傳感器所接受的信號更加強烈；隨著傳播距離的增大，泄漏所激發(fā)的聲發(fā)射信號RMS、ASL和能量計數(shù)值越來越小，都呈衰減趨勢；RMS和能量計數(shù)的衰減曲線呈以自然對數(shù)為底的負指數(shù)形式衰減，ASL的衰減曲線呈以線性形式衰減。通過重復試驗發(fā)現(xiàn)在不同壓力不同泄漏速率下ASL隨傳播距離呈以線性方式衰減，且傳感器距泄漏源2 m之內具有較高的靈敏度；而RMS和能量計數(shù)則都呈以自然對數(shù)為底的負指數(shù)形式衰減，不過RMS在距泄漏源2 m之內具有較高的靈敏度，而能量計數(shù)的靈敏度在距泄漏源1 m之內較高。

圖2 RMS隨傳播距離變化的衰減曲線Fig.2 The attenuation curve of RMS with propagation distance

圖3 ASL隨傳播距離變化的衰減曲線Fig.3 The attenuation curve of ASL with propagation distance

圖4 能量計數(shù)隨傳播距離變化的衰減曲線Fig.4 The attenuation curve of energy count with propagation distance

圖5為距泄漏源500 mm、800 mm、1000 mm、2000 mm處的聲發(fā)射信號頻譜對比圖。從圖5中可以看出:潛水器潛浮系統(tǒng)管道泄漏所激發(fā)的聲發(fā)射信號的頻譜在60 kHz附近有很陡的尖峰；泄漏聲發(fā)射信號的頻譜范圍為0～500 kHz，靠近泄漏源的聲信號中含有較多的300～500 kHz高頻成分，遠離泄漏源的聲信號頻譜逐漸集中到0～100 kHz低頻段范圍內；隨著傳播距離的增大，泄漏聲信號的頻譜幅值在整個頻率范圍內都呈衰減趨勢，且高頻成分衰減速度比低頻成分要快[6]。

圖5 頻譜對比圖Fig.5 The frequency spectrum contrast diagram

3.2 泄漏聲發(fā)射信號隨壓力的變化特性研究

當管道內部壓力改變，泄漏孔處液體的流速會發(fā)生變化，最終會導致泄漏孔處的聲發(fā)射信號隨之改變。因此本文通過詳細研究，創(chuàng)建了一套壓力信號轉換成電信號的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過壓力變送器將管道內部壓力這一外部參數(shù)輸入到PCI-2聲發(fā)射采集系統(tǒng)，研究泄漏聲發(fā)射信號沿紫銅管傳播時其RMS、ASL、能量以及頻率等參數(shù)隨管道內部壓力的變化關系。

圖6為泄漏時管道內部壓力隨時間變化曲線，圖7為聲發(fā)射信號有效值電壓RMS在泄漏孔徑一定、距聲源500 mm處隨壓力的變化曲線（圖中虛線為擬合曲線），圖8為聲發(fā)射信號平均信號電平ASL在相同泄漏孔徑下、距聲源500 mm處隨壓力的變化曲線（圖中虛線為擬合曲線），圖9為聲發(fā)射信號能量計數(shù)在相同泄漏孔徑下、距聲源500 mm處隨壓力的變化曲線（圖中虛線為擬合曲線），從圖6至圖9中可以看出:高壓狀態(tài)下所產生的泄漏聲發(fā)射信號比低壓狀態(tài)下產生的聲信號更加明顯；隨著管道內部壓力降低，泄漏所激發(fā)的聲發(fā)射信號RMS、ASL和能量計數(shù)值越來越小，都呈衰減趨勢；當壓力較高時，聲發(fā)射信號的RMS、ASL和能量計數(shù)值等衰減趨勢較為平緩，但隨著壓力的逐步減小，RMS、ASL和能量計數(shù)值的衰減趨勢趨于明顯[7]。通過重復試驗發(fā)現(xiàn)在壓力高于0.5 MPa時，潛水器潛浮系統(tǒng)管道泄漏聲發(fā)射檢測具有較高的靈敏度。

圖6 泄漏時管道內部壓力隨時間變化曲線Fig.6 The pipeline internal pressure change curve with time at leakage

圖7 RMS隨壓力變化曲線（虛線為擬合曲線）Fig.7 RMS change curve with pressure(The dotted line is a fitting curve)

圖10 3.0 MPa時信號頻譜Fig.10 The signal frequency spectrum at 3.0 MPa

為了研究泄漏聲發(fā)射信號隨壓力變化的頻譜特性，本文在保證泄漏孔徑不變的情況下、分別采集3.0 MPa、2.5 MPa、2.0 MPa、1.5 MPa、1.0 MPa 和 0.5 MPa 時距泄漏源 500 mm 處的聲發(fā)射信號，并將其時域波形進行快速傅里葉變換得到頻譜圖，如圖10至圖15所示。從圖10至圖15中可以看出:泄漏聲發(fā)射信號的頻譜范圍較寬，涵蓋0～500 kHz；當壓力較高時聲信號中含有較多的300～500 kHz高頻成分，當壓力較低時聲信號頻譜逐漸集中到0～200 kHz的低頻段范圍內；泄漏所激發(fā)的聲發(fā)射信號的頻譜在60 kHz附近有很陡的尖峰；隨著管道內部壓力的降低，泄漏聲信號的頻譜幅值在整個頻率范圍內都呈衰減趨勢[8]。

圖11 2.5 MPa時信號頻譜Fig.11 The signal frequency spectrum at 2.5 MPa

圖12 2.0 MPa時信號頻譜Fig.12 The signal frequency spectrum at 2.0 MPa

圖13 1.5 MPa時信號頻譜Fig.13 The signal frequency spectrum at 1.5 MPa

圖14 1.0 MPa時信號頻譜Fig.14 The signal frequency spectrum at 1.0 MPa

圖15 0.5 MPa時信號頻譜Fig.15 The signal frequency spectrum at 0.5 MPa

4 結 論

首先創(chuàng)建了管道泄漏聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，在此基礎上，對潛水器管道泄漏問題開展了系統(tǒng)的研究，得到以下結論:

（1）所建立的潛水器管道泄漏聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，不僅可以動態(tài)跟蹤管道內部壓力變化，實時顯示聲發(fā)射信號參數(shù)隨壓力的變化過程，而且測量簡便有效、適用性廣，可以應用于其它管道泄漏檢測。

（2）通過模擬信號試驗研究，獲得了利用聲發(fā)射檢測系統(tǒng)監(jiān)測潛水器管道泄漏時應配置的最佳通道采集控制參數(shù)。該控制參數(shù)的設置可以高保真地采集泄漏聲發(fā)射信號，避免有效信號漏檢。

（3）通過對管道泄漏聲發(fā)射信號參數(shù)的統(tǒng)計分析和傅里葉變換，獲得了潛水器管道泄漏聲發(fā)射信號的RMS、ASL、能量以及頻率等幅頻響應特性隨傳播距離和管道內部壓力的變化規(guī)律，為在潛水器服役過程中進行聲發(fā)射檢測時定位方法的選擇、定位參數(shù)的設定、傳感器的布置以及危險等級的劃分提供基礎數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

（4）本文研究表明:利用數(shù)字化聲發(fā)射技術監(jiān)測潛水器管道泄漏是可行的，且在距泄漏源2 m之內、壓力高于0.5 MPa時具有較高的檢測靈敏度。

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