基于聲發(fā)射技術(shù)的閥門泄漏在線檢測系統(tǒng)

胡 新 紀(jì)鵬飛

(1.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系,浙江 溫州 325000；2.中國船舶重工集團公司第七一一研究所,上海 200090)

基于聲發(fā)射技術(shù)的閥門泄漏在線檢測系統(tǒng)

胡 新1紀(jì)鵬飛2

(1.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系,浙江 溫州 325000；2.中國船舶重工集團公司第七一一研究所,上海 200090)

設(shè)計了一種基于聲發(fā)射技術(shù)的閥門泄漏在線檢測系統(tǒng)。介紹聲發(fā)射泄漏檢測技術(shù)的基本理論和特點，分析閥門泄漏聲發(fā)射信號的產(chǎn)生機理、信號特征和泄漏率與聲發(fā)射信號特征參數(shù)的關(guān)聯(lián)。給出系統(tǒng)的硬件平臺，并在LabVIEW平臺上開發(fā)了系統(tǒng)的軟件功能。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)基于聲發(fā)射信號均方根值能夠?qū)崿F(xiàn)不同工況下閥門泄漏率的定量計算和分級報警。

閥門泄漏 聲發(fā)射技術(shù) 在線檢測 閥門泄漏率 報警

閥門廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)中的各行各業(yè)，是不可或缺的流體控制設(shè)備。閥門泄漏故障會對設(shè)備的安全性造成威脅進而影響企業(yè)的經(jīng)濟效益，尤其在石化、礦業(yè)、電力及國防軍工等領(lǐng)域，閥門一旦出現(xiàn)內(nèi)漏，將引發(fā)嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故。而傳統(tǒng)的閥門定期檢修方法由于缺乏針對性，會造成人力、財力和物力浪費，同時在拆卸檢修過程中還可能造成一些人為損壞[1]。據(jù)統(tǒng)計，在大修時50%以上的閥門都是不需要被解體拆修的[2]。因此，使用無損檢測方法，及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)閥門泄漏，對避免重大安全事故、保證安全生產(chǎn)、節(jié)省維修費用具有重要意義。

聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種新興的動態(tài)無損檢測方法，近年來廣泛應(yīng)用于石油化工、天然氣及核能等領(lǐng)域。聲發(fā)射檢測技術(shù)作為一種完整性評價方法，適用于閥門泄漏故障的在線連續(xù)檢測，其結(jié)果直觀、操作方便[3]。筆者基于聲發(fā)射泄漏檢測技術(shù)，設(shè)計了一套閥門泄漏在線檢測系統(tǒng)，并在LabVIEW平臺上開發(fā)閥門泄漏在線檢測系統(tǒng)的各項功能，實現(xiàn)閥門泄漏的實時在線檢測和預(yù)測報警。

1 聲發(fā)射泄漏檢測技術(shù)①

物體受到外力作用或形變時迅速釋放彈性應(yīng)力波的物理現(xiàn)象稱為聲發(fā)射[4]。與材料變形或發(fā)生斷裂沒有直接關(guān)系的瞬態(tài)彈性波稱之為二次聲發(fā)射源，如物體撞擊、燃燒、流體泄漏及機械摩擦等。閥門泄漏也屬于二次聲發(fā)射源。聲發(fā)射檢測技術(shù)就是利用聲發(fā)射信號來判斷材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部活動缺陷位置、變化程度和發(fā)展趨勢的無損檢測方法。聲發(fā)射信號根據(jù)其時間間隔和信號區(qū)分的難易程度可分為突發(fā)型聲發(fā)射信號和連續(xù)型聲發(fā)射信號(圖1)。閥門泄漏則屬于連續(xù)型聲發(fā)射信號。

圖1 兩類聲發(fā)射信號

相比于傳統(tǒng)的閥門泄漏檢測方法，聲發(fā)射技術(shù)在閥門泄漏檢測中的優(yōu)點主要表現(xiàn)為以下幾方面：

a. 無需拆卸閥門，可實現(xiàn)閥門泄漏的在線檢測，能預(yù)測閥門早期泄漏故障；

b. 可實現(xiàn)惡劣工作環(huán)境下閥門的遠程檢測，保障工作人員的安全；

c. 檢測速度快、靈敏度高且檢測結(jié)果直觀可靠；

d. 對閥門種類適用性廣、成本低且操作簡單。

2 閥門泄漏聲發(fā)射信號的特征

2.1機理

當(dāng)閥門因密封較差而發(fā)生泄漏時，在泄漏口會有氣或水形成高速射流噴射而出，射流與閥門管壁相互沖擊進而激發(fā)彈性波，產(chǎn)生連續(xù)型聲發(fā)射信號，其頻率范圍在30～50kHz，屬于超聲波頻帶。將聲發(fā)射傳感器置于閥體或閥門附近，便可檢測出閥門是否泄漏以及泄漏程度[5]。閥門泄漏的聲發(fā)射信號主要受環(huán)境噪聲和電氣噪聲干擾，聲發(fā)射泄漏檢測中，除了需要選擇合適的聲發(fā)射傳感器降低頻帶外的噪聲響應(yīng)之外，還需要采用帶通濾波器、差動電路及軟件自適應(yīng)濾波等手段來提高信噪比。

2.2特征參數(shù)

如圖2所示，描述閥門泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的時域概率統(tǒng)計參數(shù)主要有振鈴計數(shù)、幅度、能量、上升時間、持續(xù)時間和有效(RMS)電壓值，各參數(shù)定義見表1。

圖2 聲發(fā)射信號的時域特征參數(shù)

參數(shù)定義振鈴計數(shù)超過門檻電壓的振蕩次數(shù)幅度信號波形的最大幅值能量信號波形包絡(luò)線下的面積上升時間信號第一次越過門檻電壓至最大振幅所經(jīng)歷的時間間隔持續(xù)時間一個聲發(fā)射事件持續(xù)的時間RMS電壓值采樣時間內(nèi)信號的均方根值

閥門泄漏所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(振鈴計數(shù)、能量值、幅值和RMS電壓值)均隨著閥門入口流體壓力的增大呈上升趨勢。其中，閥門泄漏時氣體體積泄漏率Q與泄漏聲發(fā)射信號均方根ERMS之間的對應(yīng)關(guān)系如下[6]：

式中C1——簡化的流體變量函數(shù)；

Cf——閥門阻尼孔系數(shù)；

D——閥門公稱直徑；

p1——閥門進口壓力；

Δp——閥門進、出口壓差；

α——聲音在流體中的傳播速度；

ρ——閥門泄口處的流體密度。

對于同一種型號的閥門，可在實驗室條件下測得不同泄漏率閥門的聲發(fā)射信號，并計算分析得到聲發(fā)射信號的均方根值，然后通過數(shù)據(jù)擬合算法建立閥門泄漏率與聲發(fā)射信號均方根值之間的數(shù)學(xué)模型，最后根據(jù)此模型即可實現(xiàn)閥門泄漏故障的聲發(fā)射在線檢測。

3 基于聲發(fā)射技術(shù)的閥門泄漏在線檢測系統(tǒng)

3.1硬件組成

圖3為閥門泄漏在線檢測系統(tǒng)的原理示意圖，測試系統(tǒng)由聲發(fā)射傳感器、聲發(fā)射前置放大器、28V(DC)電源、高速數(shù)據(jù)采集卡和安裝有實驗數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)軟件的工控機組成。其中，聲發(fā)射傳感器為SR150型聲發(fā)射傳感器，工作頻率范圍22～220kHz，聲發(fā)射信號采集卡為PCI-6133數(shù)據(jù)采集卡，采樣率設(shè)置為1MHz。聲發(fā)射傳感器以磁吸附的方式固定在閥門壁外，聲發(fā)射傳感器將由應(yīng)力波引起的測點處的表面振動轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)前置放大器放大后進入接線盒的調(diào)理電路，再進入數(shù)據(jù)采集卡對信號進行采集，最后在工控機中編制LabVIEW程序?qū)Σ杉男盘栠M行分析、處理和顯示，并完成閥門狀態(tài)的診斷與泄漏率的計算與顯示。

圖3 閥門泄漏在線檢測系統(tǒng)示意圖

3.2軟件功能

筆者采用圖形化編程語言LabVIEW平臺開發(fā)系統(tǒng)軟件，主要采用最新的面向?qū)ο缶幊獭⒍嗑€程編程、定時循環(huán)及隊列狀態(tài)機等技術(shù)[7]。如圖4所示，系統(tǒng)功能主要有用戶登錄、系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)采集、信號處理及泄漏診斷等功能模塊。用戶登錄系統(tǒng)后，需配置相關(guān)測試參數(shù)，如閥門選型、閥門參數(shù)、通道配置和采樣設(shè)置，數(shù)據(jù)采集模塊完成對聲發(fā)射信號的采集，數(shù)據(jù)進入隊列同步完成信號處理，并將處理結(jié)果以圖表和數(shù)值形式實時顯示在主界面上，用戶可以通過離線分析功能對保存的歷史數(shù)據(jù)進行查看分析。泄漏診斷模塊完成泄漏率的計算和閥門泄漏狀態(tài)的分級報警，并給出相應(yīng)的檢修意見。

圖4 系統(tǒng)軟件功能框圖

基于聲發(fā)射技術(shù)的閥門泄漏在線檢測系統(tǒng)主界面(圖5)主要由按鈕操作區(qū)和圖表顯示區(qū)兩部分組成。按鈕操作區(qū)放置了系統(tǒng)主要的功能按鈕，如通道設(shè)置、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)保存、離線分析及采集控制等，進行系統(tǒng)狀態(tài)指示和常見操作命令；圖表顯示區(qū)是主界面的核心內(nèi)容，包括聲發(fā)射信號時域波形圖、頻譜圖和處理后的聲發(fā)射信號各特征參數(shù)顯示，用戶可形象直觀地在線查看閥門聲發(fā)射信號波形及其特征。界面右下角為閥門泄漏狀態(tài)診斷區(qū)，用表盤、刻度表及指示燈等顯示閥門的進口壓力、泄漏率及泄漏等級等信息。

3.3泄漏率計算與報警模塊

閥門泄漏率與泄漏聲發(fā)射信號RMS電壓值的回歸方程為：

根據(jù)在實驗室條件下測得的不同工況下閥門泄漏率與聲發(fā)射信號RMS電壓值之間的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，采用廣義最小二乘法進行曲線擬合來確定回歸方程中的系數(shù)。擬合時所選基函數(shù)為φ(x)=(1,x,x2,x3)，最佳多項式擬合算法使用householder矩陣。一般來說，取前三階就可以滿足閥門泄漏檢測精度的要求。

報警模塊將閥門泄漏率分成3個等級：輕微、中等和嚴(yán)重泄漏?？蓞⒄認(rèn)B/T 9092-1999中閥門最大允許泄漏量檢測標(biāo)準(zhǔn)值A(chǔ)和閥門的經(jīng)驗允許泄漏率B來判斷被測閥門所處的泄漏等級[8]，并在主界面上以不同的報警指示燈顏色顯示。各泄漏等級的報警判據(jù)和診斷結(jié)論見表2。

圖5 基于聲發(fā)射技術(shù)的閥門泄漏在線檢測系統(tǒng)主界面

泄漏等級報警判據(jù)指示燈顏色診斷結(jié)論輕微泄漏AB紅色閥門需馬上維修或更換

4 結(jié)束語

筆者分析了聲發(fā)射信號特征參數(shù)與閥門泄漏率之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，搭建了閥門泄漏聲發(fā)射信號的硬件測試平臺，并在LabVIEW平臺上設(shè)計開發(fā)了閥門泄漏聲發(fā)射在線檢測系統(tǒng)的各項功能，為閥門泄漏故障的在線檢測和泄漏率的測定奠定了基礎(chǔ)。由于聲發(fā)射技術(shù)在閥門泄漏檢測中有著獨特的優(yōu)勢，已逐步成為最重要的閥門泄漏檢測手段之一。根據(jù)實踐經(jīng)驗，用聲發(fā)射技術(shù)實現(xiàn)閥門泄漏的在線檢測可減少25%不必要的浪費，可見聲發(fā)射技術(shù)在閥門泄漏在線檢測領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。

[1] 方學(xué)鋒,梁華,夏志敏,等.基于聲發(fā)射技術(shù)的閥門泄漏在線檢測方法[J].化工機械,2007,34(1):52～54.

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

[3] 蔣鵬,李偉,賈鑫,等.基于小波包的閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號特征研究[J].化工機械,2015,42(4):464～467.

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[5] 楊晶.基于聲發(fā)射檢測的閥門泄漏可視化診斷技術(shù)研究[D].長沙:長沙理工大學(xué),2013.

[6] 高倩霞,李錄平,饒洪德,等.閥門泄漏率的聲發(fā)射測定技術(shù)研究[J].動力工程學(xué)報,2012,32(1):42～46.

[7] 韓雙連,隋青美,姜明順.聲發(fā)射信號分析及其軟件實現(xiàn)[J].化工自動化及儀表,2014,41(8):930～934.

[8] JB/T 9092-1999,閥門的檢驗與試驗[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999.

On-lineDetectionSystemforValveLeakageBasedonAcousticEmission

HU Xin1, JI Peng-fei2

(1.DepartmentofMechanicalEngineering,WenzhouVocationalandTechnicalCollege,Wenzhou325000,China;2.ShanghaiMarineDieselEngineResearchInstitute,Shanghai200090,China)

An acoustic emission-based on-line detection system for the valve leakage was designed and both basic theory and characteristics of this detection technology was described, including analysis of both generation mechanism and signal characteristics of valve leakage acoustic emission signals as well as the correlation between the valve leakage rate and parameters of acoustic emission signals. The hardware platform of on-line leakage detection system was set up and the software functions were developed at the virtual instrument platform to achieve quantitative calculation of the valve leakage rate and hierarchy alarm in different conditions based on acoustic emission RMS value.

valve leakage, acoustic emission technology, on-line monitoring, valve leakage rate, alarm

2015-12-24(修改稿)

TQ055.8+1

A

1000-3932(2016)07-0690-05