夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏聲發(fā)射檢測(cè)

龍飛飛，董劍男，沈書(shū)乾，李　莉，張佳艷

(1.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 大慶 163318;2.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院 茂名特檢院， 茂名 525000)

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夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏聲發(fā)射檢測(cè)

龍飛飛1，董劍男1，沈書(shū)乾2，李莉1，張佳艷1

(1.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 大慶 163318;2.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院 茂名特檢院， 茂名 525000)

針對(duì)夾套結(jié)構(gòu)泄漏的問(wèn)題，研究當(dāng)夾套內(nèi)介質(zhì)為氣體時(shí)，內(nèi)管出現(xiàn)泄漏的情況下，用聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)時(shí)聲發(fā)射信號(hào)幅度與泄漏壓力之間的變化關(guān)系以及單孔泄漏與多孔泄漏之間的幅度變化的區(qū)別。結(jié)果表明:隨著內(nèi)管壓力的增大,各傳感器接收到的聲發(fā)射信號(hào)幅度也增大。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)作為一種動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，可對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)夾套結(jié)構(gòu)泄漏的監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏位置并初步判斷嚴(yán)重程度。

夾套結(jié)構(gòu)；泄漏試驗(yàn)；聲發(fā)射；信號(hào)分析

夾套結(jié)構(gòu)一般由兩個(gè)壓力室構(gòu)成，即主體和夾套[1]。夾套設(shè)備的主體在運(yùn)行過(guò)程中通常盛裝高腐蝕性、高溫或低溫介質(zhì)，在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生環(huán)境腐蝕、磨損、疲勞、老化、斷裂、介質(zhì)腐蝕等缺陷，這些都會(huì)導(dǎo)致主體內(nèi)部流體的泄漏。夾套結(jié)構(gòu)的泄漏，特別是內(nèi)管的泄漏一般很難發(fā)現(xiàn)，如果不進(jìn)行有效檢測(cè)，一旦發(fā)生事故就會(huì)產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)損失及人身傷害[2]。

霍臻在實(shí)驗(yàn)室建立了管道泄漏的聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證聲發(fā)射檢測(cè)對(duì)管道內(nèi)介質(zhì)為氣體和液體時(shí)的靈敏度[3]。李善春博士對(duì)充氣管道泄漏進(jìn)行聲發(fā)射的研究，通過(guò)選用幅值、能量、頻譜等參數(shù)的分析，研究出不同試驗(yàn)條件下的聲發(fā)射信號(hào)變化規(guī)律[4]。劉鵬等通過(guò)研究聲發(fā)射信號(hào)的波形、幅值和不同頻帶能量的分布規(guī)律對(duì)管式夾套容器的內(nèi)管泄漏進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)[5]。另外，還有國(guó)內(nèi)學(xué)者在聲發(fā)射信號(hào)的能量分析，頻譜分析方面針對(duì)泄漏定位進(jìn)行了研究分析[6]。國(guó)外學(xué)者對(duì)于這方面也有很多研究，已經(jīng)有學(xué)者根據(jù)小波分析來(lái)計(jì)算泄漏聲發(fā)射信號(hào)從發(fā)生到傳播至傳感器的時(shí)間，從而準(zhǔn)確定位泄漏位置[7-8]。然而，至今尚無(wú)針對(duì)夾套結(jié)構(gòu)泄漏的聲發(fā)射研究。筆者針對(duì)夾套結(jié)構(gòu)泄漏的問(wèn)題，以?shī)A套鋼管為研究對(duì)象，夾套內(nèi)介質(zhì)為氣體，在內(nèi)管出現(xiàn)單孔、多孔泄漏的情況下，研究聲發(fā)射信號(hào)幅度變化與泄漏壓力的關(guān)系，可以為工業(yè)夾套結(jié)構(gòu)的完整性檢測(cè)提供幫助。

1　試驗(yàn)系統(tǒng)及設(shè)備

圖1為夾套結(jié)構(gòu)壓力管道泄漏聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)。根據(jù)無(wú)縫鋼管尺寸標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試驗(yàn)管道選用外管內(nèi)徑90 mm、壁厚6 mm、長(zhǎng)度4 750 mm和內(nèi)管外徑60 mm、壁厚3 mm、長(zhǎng)度2 430 mm的無(wú)縫鋼管，內(nèi)管和外管采用法蘭連接，用橡膠墊片密封。試驗(yàn)采用的聲發(fā)射采集系統(tǒng)為美國(guó)PAC公司的PCI-8系統(tǒng)，傳感器選用R3α諧振傳感器(Mistras，USA)，采用2/4/6前置放大器[9]。

圖1　夾套結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)示意

2　試驗(yàn)過(guò)程

夾套結(jié)構(gòu)壓力管道內(nèi)管泄漏時(shí)，管道中的聲發(fā)射信號(hào)幅度分布與泄漏孔數(shù)量、管道內(nèi)部的壓力以及夾套內(nèi)介質(zhì)等因素有關(guān)。筆者針對(duì)夾套內(nèi)介質(zhì)為氣體的管道，通過(guò)改變泄漏孔數(shù)量以及內(nèi)管壓力，進(jìn)行管道聲發(fā)射泄漏檢測(cè)試驗(yàn)。

(1) 如圖1所示，單孔泄漏試驗(yàn)采用1*泄漏孔，位置為距法蘭1 300 mm處，兩孔泄漏試驗(yàn)采用1*和2*泄漏孔，2*泄漏孔位置為距法蘭1 800 mm處，三孔泄漏試驗(yàn)采用1*、2*和3*泄漏孔，3*泄漏孔位置為距法蘭2 300 mm處，泄漏孔直徑均為1.2 mm。

(2) 將傳感器布置在夾套管外壁，如圖1所示，2#、3#、4#傳感器分別與1*、2*、3*泄漏孔位置相對(duì)應(yīng)，1#、5#、6#傳感器位置如圖中標(biāo)注的尺寸所示。用砂紙對(duì)夾套外壁表面1#～6#處(傳感器所在位置)進(jìn)行拋光打磨，去除表面油漆以及細(xì)小裂紋，以消除試驗(yàn)中壁面變形可能帶來(lái)的噪聲源。連接聲發(fā)射采集系統(tǒng)，進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，對(duì)傳感器的靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保傳感器能夠正常使用。

(3) 用壓縮機(jī)加壓到試驗(yàn)預(yù)定壓力(0.5，0.4，0.3，0.2，0.1 MPa)后，按照試驗(yàn)方案改變氣體壓力，出口處閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)。采集聲發(fā)射信號(hào)直到壓力穩(wěn)定，保存文件。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1單孔泄漏聲發(fā)射信號(hào)試驗(yàn)

圖2為當(dāng)內(nèi)管壓力為0.1 MPa時(shí)，單孔泄漏情況下，夾套管泄漏處聲發(fā)射信號(hào)幅度-時(shí)間關(guān)系圖。

從圖2可以看出，隨著時(shí)間的變化，每個(gè)傳感器接收到的聲發(fā)射信號(hào)的幅度開(kāi)始會(huì)有一個(gè)突發(fā)型信號(hào)，之后信號(hào)會(huì)有一個(gè)較小值，并且隨著時(shí)間的推移逐漸增大，上升到一個(gè)極大值，然后會(huì)有所下降，最后達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。3個(gè)傳感器聲發(fā)射信號(hào)幅度規(guī)律相同，表明此規(guī)律具有一致性。

圖2　0.1 MPa下單孔泄漏聲發(fā)射信號(hào)幅度-時(shí)間關(guān)系

由于夾套結(jié)構(gòu)的內(nèi)管和外管為法蘭連接，并且通過(guò)橡膠墊片密封，如果在內(nèi)管泄漏處產(chǎn)生聲發(fā)射源，經(jīng)過(guò)內(nèi)管、法蘭、橡膠墊片以及外管的傳播到達(dá)外管壁的傳感器時(shí)，由于傳播距離為2 m以上以及橡膠墊片聲阻大的原因，聲發(fā)射信號(hào)會(huì)有極大程度的衰減，幅值不會(huì)在80 dB以上，所以傳感器檢測(cè)到的AE信號(hào)來(lái)自外管壁。因此產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因?yàn)?在泄漏孔處由于壓力差瞬間突破泄漏孔，內(nèi)管氣體對(duì)外管壁產(chǎn)生瞬間沖擊，形成一個(gè)突發(fā)型信號(hào)，但內(nèi)管氣體屬于不完全膨脹氣體,在泄漏孔的噴射邊緣存在氣體剪切層,由于氣體不斷泄漏,剪切層不斷增大,當(dāng)不完全膨脹氣體注入夾套時(shí),形成典型的振蕩形為[10],造成信號(hào)的衰減，得到一個(gè)較小值。由于氣體流場(chǎng)的可壓縮性，氣體不斷進(jìn)入，信號(hào)幅度逐漸變大，最后因?yàn)閮?nèi)外管壓力趨于平衡，所得信號(hào)幅度隨時(shí)間變化趨于平穩(wěn)。對(duì)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，選取每個(gè)壓力下第一個(gè)泄漏孔對(duì)應(yīng)的2#傳感器的泄漏信號(hào)幅值,該幅值達(dá)到最大值時(shí)所采集到的信號(hào)如表1所示。

表1　單孔泄漏聲發(fā)射信號(hào)幅值　dB

從表1可以看出，各個(gè)通道聲發(fā)射信號(hào)幅值均隨壓力增大(0.1 MPa～0.5 MPa)而增大，其中泄漏孔所在位置(2#傳感器位置)采集到的信號(hào)幅度均高于其他5個(gè)位置采集到的信號(hào)幅度，1#傳感器的信號(hào)幅度低于2#傳感器2～3 dB，3～6通道的信號(hào)幅度隨距離的增大依次減小，符合聲信號(hào)衰減規(guī)律。3.2兩孔泄漏聲發(fā)射信號(hào)試驗(yàn)

圖3為兩孔泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)位置聲發(fā)射信號(hào)幅度隨時(shí)間的變化關(guān)系。對(duì)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，選取每個(gè)壓力下第二個(gè)泄漏孔所對(duì)應(yīng)的3#傳感器的泄漏幅值,該幅值達(dá)到最大值時(shí)所采集到的信號(hào)如表2所示。

表2　兩孔泄漏聲發(fā)射信號(hào)幅值　dB

圖3　0.1 MPa下兩孔泄漏聲發(fā)射信號(hào)幅值-時(shí)間關(guān)系

從圖3可以看出，隨著壓力的變化，每個(gè)傳感器接收的信號(hào)幅度的變化規(guī)律與圖2中表現(xiàn)的相同，表明該規(guī)律的一致性。

從表2可以看出，隨著壓力的增大，6個(gè)通道所采集到的聲發(fā)射信號(hào)幅值均隨壓力增大而增大，其中泄漏孔所在位置(2#傳感器和3#傳感器位置)采集到的聲發(fā)射信號(hào)幅度相比其他4個(gè)位置較大，3#傳感器接收到的聲發(fā)射信號(hào)幅度比2#傳感器位置接收的聲發(fā)射信號(hào)幅度高1～2 dB，而從圖3橫軸上的時(shí)間也可以看出，當(dāng)3#傳感器的信號(hào)幅度達(dá)到最大值時(shí),2#傳感器的信號(hào)幅度已呈下降趨勢(shì)。4#～6#傳感器的信號(hào)幅度隨距離的增大依次減小，1#傳感器位置接收到的信號(hào)明顯比3#傳感器的信號(hào)幅度低10～11 dB。

3.3三孔泄漏聲發(fā)射信號(hào)試驗(yàn)

圖4為三孔泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)位置聲發(fā)射信號(hào)幅值隨時(shí)間的變化關(guān)系，選取每個(gè)壓力下第三個(gè)泄漏孔所對(duì)應(yīng)4#傳感器泄漏幅度達(dá)到最大值時(shí)的信號(hào)幅度,見(jiàn)表3。

從圖4可以看出，隨著壓力的變化，每個(gè)傳感器接收的信號(hào)幅度的變化規(guī)律與圖2和圖3中表現(xiàn)的規(guī)律相同，這更進(jìn)一步證明該規(guī)律的一致性。

表3　三孔泄漏聲發(fā)射信號(hào)幅值　dB

圖4　0.1 MPa下三孔泄漏聲發(fā)射信號(hào)幅值-時(shí)間關(guān)系

從表3可以看出，隨著壓力的增大，六個(gè)通道所采集到的信號(hào)均隨壓力增大而增大，其中泄漏孔所在位置(2#、3#和4#傳感器位置)采集到的信號(hào)相比其他三個(gè)位置較大，4#、3#和2#傳感器位置接收的聲發(fā)射信號(hào)幅度依次減小，而且依次減小1～2 dB，從圖4的橫軸上的時(shí)間可以看出，當(dāng)4#傳感器的信號(hào)幅度達(dá)到最大值時(shí),2#和3#傳感器的信號(hào)幅度已呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。5～6通道的信號(hào)幅度依次減小，1#傳感器位置接收到的信號(hào)明顯低于4#傳感器的信號(hào)幅度7～10 dB。

從圖2～4和表1～3可以看出，對(duì)比2#、3#和4#通道所對(duì)應(yīng)傳感器接收到的聲發(fā)射信號(hào)幅度，單孔泄漏時(shí)，泄漏位置2#傳感器的聲發(fā)射信號(hào)幅度的最大值均高于其他位置傳感器的聲發(fā)射信號(hào)幅度的最大值。當(dāng)多孔泄漏時(shí)，泄漏位置的聲發(fā)射信號(hào)幅度的最大值均高于非泄漏位置的聲發(fā)射信號(hào)幅度的最大值，而且泄漏位置的信號(hào)幅度的最大值相等。氣體在泄漏的過(guò)程中，由于泄漏位置的距離關(guān)系，當(dāng)距離法蘭較遠(yuǎn)側(cè)的泄漏位置的聲發(fā)射信號(hào)幅度達(dá)到最大時(shí)，距離較近的泄漏位置的信號(hào)幅度已率先達(dá)到最大值并且呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。例如，三孔泄漏時(shí)，2#、3#、4#傳感器位置的信號(hào)幅度的最大值相等，當(dāng)4#位置信號(hào)幅度達(dá)到最大值時(shí)，2#、3#位置的信號(hào)幅度已經(jīng)超過(guò)最大值并呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

4　結(jié)論

(1) 在夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏時(shí)，通過(guò)外管布置傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在試驗(yàn)壓力和泄漏孔徑范圍內(nèi)，傳感器響應(yīng)幅度分布在73～99 dB，高于工業(yè)條件下的環(huán)境噪聲，表明此技術(shù)可以應(yīng)用于工程監(jiān)測(cè)。

(2) 管道開(kāi)始進(jìn)氣時(shí)，由于氣體從內(nèi)管泄漏孔噴出沖擊管壁，泄漏處對(duì)應(yīng)的傳感器接收到的聲發(fā)射信號(hào)幅度逐漸上升，達(dá)到某一最大值后，又因?yàn)楣艿纼?nèi)部壓力趨于平衡，所以接收到的信號(hào)幅度逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。

(3) 隨著內(nèi)管壓力的增大，各傳感器接收到的聲發(fā)射信號(hào)幅度會(huì)隨著壓力增大而增大。

(4) 內(nèi)管壓力一定時(shí)，除泄漏孔對(duì)應(yīng)的傳感器外，各傳感器接收到的聲發(fā)射信號(hào)幅度隨著傳播距離的增大而逐漸減小。

(5) 多孔泄漏時(shí)，無(wú)論是兩孔泄漏還是三孔泄漏，由于時(shí)間原因，當(dāng)距離法蘭較遠(yuǎn)側(cè)泄漏點(diǎn)信號(hào)達(dá)到最高幅度時(shí)，距離較近位置泄漏點(diǎn)的信號(hào)幅度已低于最高幅度。對(duì)比三種泄漏情況，根據(jù)泄漏位置的聲發(fā)射信號(hào)幅度的最大值和各傳感器接收的信號(hào)幅度之間的衰減情況，可判斷工業(yè)檢測(cè)中是否存在多孔泄漏。

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Acoustic Emission Testing of the Inner-Pipe Leakage of Jacketed Structure

LONG Fei-fei1, DONG Jian-nan1, SHEN Shu-qian2, LI Li1, ZHANG Jia-yan1

(1.Mechanical Science and Engineering College, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;2.Maoming Branch, Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research, Maoming 525000, China)

Jacketed structure equipment is common in chemical industry, all kinds of problems such as corrosion will cause its damage and particularly cause the leakage of the inner shell, resulting possibly very serious consequence. As a kind of dynamic detection method, acoustic emission testing technology can detect mechanical wave and test the equipment at real-time, so with this technology, one can monitor the leakage of the jacketed equipment and can also find leakage location in time and determine the severity preliminarily. In this paper, for the leakage of jacketed equipment, we will study the changing relationship between acoustic emission signal and leakage pressure and the difference of the changes in amplitude between single-hole leakage and porous leakage when the jacketed media is gas and the inner pipe has leakage problem, thus laying the foundation for industrial application.

Jacketed structure; Leakage experiment; Acoustic emission; Signal analyzing

2015-10-21

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014QK159)

龍飛飛(1978-),男,博士,副教授,主要從事現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)及評(píng)價(jià)和現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)研究工作。

董劍男(1990-),男,碩士研究生,E-mail: 243657161@qq.com。

10.11973/wsjc201607005

TG115.28

A

1000-6656(2016)07-0021-04