油氣儲(chǔ)罐缺陷的聲發(fā)射無損檢測(cè)定位精度優(yōu)化

申林 侯東明 齊紅元

北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院

油氣儲(chǔ)罐作為液化石油氣的常用存儲(chǔ)設(shè)備，其對(duì)質(zhì)量的要求相當(dāng)高。液化石油氣儲(chǔ)罐多在易燃易爆、腐蝕性工況下工作，其罐體由于疲勞、泄漏、腐蝕、開裂等導(dǎo)致的安全事故在國(guó)內(nèi)外時(shí)有發(fā)生，因此如何進(jìn)行高效、精確的油氣儲(chǔ)罐檢測(cè)成為亟待解決的問題[1-4]。

早期罐體檢測(cè)方法有脈沖渦流探傷、漏磁檢測(cè)、探測(cè)球檢測(cè)、分段試壓及超聲層析成像檢測(cè)等[5-7]。隨著現(xiàn)代控制理論在工程上的應(yīng)用，出現(xiàn)了泄漏聲波法，負(fù)壓力法及頻率響應(yīng)法等[8-9]。脈沖渦流檢測(cè)易受溫度等外界因素的影響，且檢測(cè)儀器放置位置的遮擋也會(huì)影響測(cè)量精度；實(shí)際的罐體漏磁檢測(cè)數(shù)據(jù)采集量極大，對(duì)數(shù)據(jù)的篩選與分析十分困難；探測(cè)球雖然檢測(cè)精度高、適用性廣，但若壓差較小則難以識(shí)別；超聲層析成像技術(shù)檢測(cè)精度高，但需去除外部隔離層，保證罐體完全外漏，且檢測(cè)周期長(zhǎng)，操作不便。聲發(fā)射技術(shù)(Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱AE)作為一種在線的動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，可以利用來自缺陷本身的聲發(fā)射信號(hào)，對(duì)油氣儲(chǔ)罐損傷泄漏的存在狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提取反映損傷特征狀態(tài)的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)，可以分析疲勞損傷萌生的時(shí)間，探尋損傷隨時(shí)間擴(kuò)展的變化歷程[10-13]。

如何提高聲源的定位精度、最大限度地減少漏定位和偽定位,是聲發(fā)射檢測(cè)與評(píng)定結(jié)果的關(guān)鍵。通過對(duì)聲發(fā)射技術(shù)理論及實(shí)驗(yàn)研究成果、現(xiàn)場(chǎng)聲發(fā)射檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn),以油氣儲(chǔ)罐中部分區(qū)域作為研究對(duì)象，為分析計(jì)算方便，將其周向展開，并對(duì)聲發(fā)射檢測(cè)中的聲源定位問題進(jìn)行探討,并提出相應(yīng)的優(yōu)化方法。

1 聲發(fā)射源定位原理及誤差機(jī)理分析

1.1 定位原理

由于油氣儲(chǔ)罐為大半徑空心儲(chǔ)罐，故在分析時(shí)通常將其弧面展開，采用平面時(shí)差法定位，如圖 1 所示。在布置3個(gè)傳感器的平面聲發(fā)射源定位中，可以獲得3個(gè)傳感器接收到的聲發(fā)射信號(hào)及到達(dá)次序、到達(dá)時(shí)間，并計(jì)算得出兩組時(shí)差[14-16]，計(jì)算如式(1)～式(2)。

Δt2·v=r2-R

(1)

Δt1·v=r1-R

(2)

式(3)、式(4)表示經(jīng)過聲發(fā)射源的兩條雙曲線，其交點(diǎn)即為聲發(fā)射源所在位置,如圖2所示。

(3)

(4)

設(shè)由傳感器 S1、S3之間的時(shí)差Δtx所求雙曲線為1，由傳感器S2、S4之間的時(shí)差Δty所求雙曲線為2，且傳感器S1與S3、S2與S4之間的距離為分別為a、b，v為聲波在介質(zhì)中的傳播速度，則由幾何關(guān)系可知，聲發(fā)射源就位于雙曲線1、2的交點(diǎn)Q(x,y)。

表征損傷位置的聲發(fā)射源Q(x,y)可由式(5)～式(7)求得：

(5)

(6)

(7)

以上公式推導(dǎo)都是在理想均勻材質(zhì)條件下得出的，即聲波在均勻介質(zhì)中以恒定速度傳播，各個(gè)通道之間的時(shí)差準(zhǔn)確，根據(jù)解析幾何關(guān)系進(jìn)行推到得到的聲源位置。但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，源定位精度會(huì)受到各種外界因素的干擾。

1.2 誤差機(jī)理分析

通過對(duì)儲(chǔ)罐側(cè)面展開定位原理的公式推導(dǎo)，可以看出影響源定位精度的因素包括兩個(gè)方面，即波在介質(zhì)中的傳播速度和各個(gè)通道接收到的時(shí)差的準(zhǔn)確性[17]。針對(duì)這兩個(gè)方面，下面分別對(duì)各自的影響因素進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)源定位精度誤差分析。

1.2.1時(shí)差測(cè)量誤差

計(jì)算各通道之間時(shí)差的關(guān)鍵就是要得到各個(gè)通道信號(hào)的達(dá)到時(shí)間，通常把首次超過閾值時(shí)間、峰值時(shí)間或n次振鈴時(shí)間等作為信號(hào)到達(dá)時(shí)間。在聲發(fā)射采集系統(tǒng)中，傳感器采集到聲發(fā)射源發(fā)出的脈沖信號(hào)如圖3所示。

影響時(shí)差準(zhǔn)確性的因素主要包括噪聲干擾、信號(hào)衰減、尺寸效應(yīng)、材料局部結(jié)構(gòu)缺陷等，而聲發(fā)射信號(hào)的衰減特性也在一定程度上影響了聲發(fā)射源定位的準(zhǔn)確度。如果存在噪聲干擾，或當(dāng)噪聲較大或者門檻較低時(shí)，聲發(fā)射系統(tǒng)也會(huì)把噪聲當(dāng)作有用的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理，從而給信號(hào)到達(dá)時(shí)間的判斷帶來誤差[18-20]。

1.2.2波速測(cè)量誤差

波的傳播速度與介質(zhì)的彈性模量和材料密度有關(guān)，在均勻介質(zhì)中，縱波與橫波的速度可分別用式(8)、式(9)計(jì)算：

(8)

(9)

式中：v1為縱波速度，m/s；vs為橫波速度，m/s；E為楊氏模量，MPa；G為切變模量，MPa；σ為泊松比；ρ為密度，g/m3。

各種類型的彈性波在不同傳播介質(zhì)中的傳播速度也各不相同，從式(8) 和式(9) 可看出，材料的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、各項(xiàng)異性和內(nèi)部介質(zhì)屬性等都會(huì)對(duì)彈性波的傳播速度產(chǎn)生一定的影響。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常通過多種原位測(cè)試手段，根據(jù)不同的測(cè)點(diǎn)間距來測(cè)量彈性波的實(shí)際傳播速度。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)裝置選擇

試驗(yàn)用聲發(fā)射設(shè)備為美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的PCI-E聲發(fā)射系統(tǒng)(見圖4)。主要由前置放大器、聲發(fā)射傳感器、聲發(fā)射卡、聲發(fā)射采集軟件(AE-win)4部分組成。聲發(fā)射系統(tǒng)的作用是把傳送到物體表面的彈性波變換成電信號(hào)，不同材料發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)的頻率相差很大，本試驗(yàn)選擇最適合儲(chǔ)罐材料的峰值頻率為30 kHz的R3a傳感器。為滿足信號(hào)處理的需要，本試驗(yàn)選擇增益為40 dB放大器，選擇20～400 kHz的濾波范圍。試驗(yàn)對(duì)象為油氣儲(chǔ)罐罐體部分區(qū)域，范圍為150 cm×150 cm，如圖5所示。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容及步驟

經(jīng)傳感器耦合質(zhì)量檢測(cè)確認(rèn)后，進(jìn)行波速值測(cè)量。首先通過設(shè)置不同門檻值，在罐壁試驗(yàn)區(qū)域中心位置進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)，測(cè)試噪聲對(duì)定位精度的影響；然后來通過更換傳感器的布置位置，探究信號(hào)衰減、尺寸效應(yīng)等因素對(duì)定位精度的影響；最后對(duì)儲(chǔ)罐壁進(jìn)行破壞，探究結(jié)構(gòu)缺陷、傳播方式對(duì)定位精度影響。在所選試驗(yàn)區(qū)域的3種傳感器布置方案如圖6所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

分析波速對(duì)定位精度的影響(布置方案1)。根據(jù)材料聲學(xué)矩陣測(cè)量結(jié)果，計(jì)算出波速在金屬儲(chǔ)罐中傳播的平均值為4 437 737.6 mm/s，并以測(cè)得的實(shí)際波速均值為系統(tǒng)定位設(shè)置波速，其比理論波速定位精度高，能夠在一定程度上避免由于材質(zhì)不均勻、結(jié)構(gòu)缺陷等造成的影響，進(jìn)一步提高定位精度。

分析傳感器布置對(duì)定位精度的影響(試驗(yàn)門檻45 dB)。本次試驗(yàn)分別以3種布置方案進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)，分別進(jìn)行5組試驗(yàn)，其測(cè)量結(jié)果見表1。

通過對(duì)比表1中3種傳感器布置方案下傳感器采集到脈沖信號(hào)的位置坐標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，布置方案1的誤差值較大，并且其誤差波動(dòng)也較大；而布置方案3試驗(yàn)結(jié)果則較為滿意，其偏差距離均小于布置方案1 的最小值0.98 cm，且其定位精度也較為理想，5組試驗(yàn)中最小偏差距離僅為0.36 cm。說明不同布置方案的傳感器得到脈沖信號(hào)的定位精度也各不相同，各傳感器與信號(hào)源距離越遠(yuǎn)，信號(hào)衰減越大，則定位精度越差；傳感器越靠近邊緣，定位精度相應(yīng)地也會(huì)變差，合理的傳感器布置位置可以在一定程度上克服信號(hào)衰減、尺寸效應(yīng)等因素對(duì)定位準(zhǔn)確性的影響。

分析結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)定位精度的影響(布置方案1，試驗(yàn)門檻45 dB)。本次試驗(yàn)選擇同一儲(chǔ)罐罐壁已知損傷區(qū)域(腐蝕)來研究其結(jié)構(gòu)變化對(duì)定位精度的影響,分別以完好罐壁區(qū)域、同樣大小的損傷罐壁區(qū)域進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)，設(shè)損傷罐壁試驗(yàn)為定位組1，參照完好罐壁試驗(yàn)為定位組2，其測(cè)量結(jié)果見表2。

由于儲(chǔ)罐損傷部位范圍較大，故采用布置方案1中傳感器位置作為對(duì)照試驗(yàn)。從表2可以看出，罐壁在被破壞后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也發(fā)生了相應(yīng)的改變，則其定位精度就大大降低。破壞后的儲(chǔ)罐失去了其原有的性能，由于罐壁的不均勻變形，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定的殘余內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致彈性波在罐壁中的傳播路徑及傳播速度發(fā)生改變，使得波速場(chǎng)定位產(chǎn)生諸多干擾因素，導(dǎo)致定位誤差增大。

表1 不同布置方案定位精度比對(duì)Table 1 Location accuracy comparison of different layout schemescm編號(hào)斷鉛位置布置方案1偏差距離1布置方案2偏差距離2布置方案3偏差距離31(75,75)(76.2,75.7)1.39(75.7,75.1)0.71(75.2,75.3)0.362(75,75)(75.7,75.9)1.14(75.7,75.7)0.99(75.6,75.1)0.613(75,75)(76.9,74.4)1.99(74.9,73.9)1.10(75.4,74.8)0.634(75,75)(74.6,74.1)0.98(74.5,75.6)0.78(74.6,74.4)0.575(75,75)(76.1,75.2)1.12(75.8,75.7)1.06(75.5,75.6)0.78

表2 損傷區(qū)域與完好區(qū)域定位精度比對(duì)Table 2 Location accuracy comparison between intact area and damaged areacm編號(hào)斷鉛位置定位組 1偏差距離1定位組 2偏差距離21(75,75)(79.7, 82.6)8.94(76.2, 75.7)1.392(75,75)(83.7, 72.9)8.95(75.7, 75.9)1.143(75,75)(77.7, 68.7)6.95(76.9, 74.4)1.994(75,75)(68.8, 71.8)6.98(74.6, 74.1)0.985(75,75)(79.3, 78.7)5.67(76.1, 75.2)1.12

試驗(yàn)說明在金屬材料中進(jìn)行聲發(fā)射定位時(shí)，為保證定位精度，應(yīng)盡可能地保持材料的完整性及均勻性。在后續(xù)的試驗(yàn)中，可以探尋不同損傷位置和損傷大小對(duì)定位精度的影響，為已破損金屬部件損傷位置精確定位提供幫助。

4 結(jié) 論

通過對(duì)油氣儲(chǔ)罐的聲發(fā)射源定位原理及誤差機(jī)理分析，得到影響聲發(fā)射源定位精度的主要參數(shù)，對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行分析后，得出影響參數(shù)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素，然后通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)，完成試驗(yàn)驗(yàn)證，最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得出提高油氣儲(chǔ)罐聲發(fā)射無損檢測(cè)定位精度的優(yōu)化方法。本次研究主要結(jié)論如下：

(1) 通過合理門檻值的設(shè)置來提高各通道時(shí)差的準(zhǔn)確性。能夠在一定程度上克服門檻值過低導(dǎo)致噪聲影響時(shí)差準(zhǔn)確性以及門檻過高導(dǎo)致由于信號(hào)較弱而錯(cuò)漏的情況，從而提高時(shí)差計(jì)算的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)定位精度優(yōu)化。

(2) 通過合理布置傳感器的位置及數(shù)量來優(yōu)化定位精度。合理的傳感器布置位置可以在一定程度上克服信號(hào)衰減、尺寸效應(yīng)等因素對(duì)定位準(zhǔn)確性的影響，合適的傳感器個(gè)數(shù)可以減小偽信號(hào)源對(duì)定位位置分析的干擾，并最大限度地節(jié)約成本，從而提高時(shí)差計(jì)算的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)定位優(yōu)化。

(3) 試驗(yàn)材質(zhì)的完好性也是影響定位精度非常重要的因素，所以在實(shí)驗(yàn)室研究前一定要檢查材質(zhì)質(zhì)量，以及在試驗(yàn)過程中保持試驗(yàn)材質(zhì)的完好性，從而提高時(shí)差計(jì)算的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)定位優(yōu)化。