基于聲發(fā)射的艦船管路閥門內(nèi)漏檢測(cè)技術(shù)研究

吳猛猛，董秀臣，孫 團(tuán)

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266199)

艦船上的管路縱橫交錯(cuò)，閥門成百上千，這些管路閥門的狀態(tài)是艦船各系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。一旦管路閥門發(fā)生泄漏，將會(huì)對(duì)設(shè)備及系統(tǒng)的正常運(yùn)行和指示帶來(lái)嚴(yán)重的危害，尤其是一些關(guān)鍵管路閥門(如蒸汽管路、核反應(yīng)堆管路、液壓管路、高壓氣管路等)。例如，美國(guó)三里島核事故的發(fā)生，其中一個(gè)很重要的原因就是穩(wěn)壓器的釋放閥內(nèi)漏。閥門的泄漏分為外漏和內(nèi)漏，其中內(nèi)漏更不容易檢測(cè)，因此，閥門內(nèi)漏檢測(cè)成為研究熱點(diǎn)。閥門泄漏的檢測(cè)方法包括氣泡測(cè)定法、質(zhì)量平衡法、溫度檢測(cè)法、負(fù)壓波法和聲發(fā)射法等，其中聲發(fā)射檢測(cè)方法具有在線、快速、動(dòng)態(tài)、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)(特別是針對(duì)一些高溫、輻射、不易接觸的管路閥門)等優(yōu)點(diǎn)，且不會(huì)破壞閥門的完整性。因此，聲發(fā)射檢測(cè)方法成為目前閥門內(nèi)漏檢測(cè)的主流方法和研究熱點(diǎn)。

國(guó)外從20世紀(jì)60年代起開展了利用聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)閥門泄漏的研究[2]，目前部分研究成果已經(jīng)得到了應(yīng)用。2010年，Kaewwaewnoi等[3-4]對(duì)聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)與泄漏率之間的關(guān)系進(jìn)行了研究；2012年，E.Mland等[5]對(duì)閥門內(nèi)漏的聲發(fā)射信號(hào)的處理方法進(jìn)行了研究。在國(guó)內(nèi)，戴光等[6-7]利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)閥門內(nèi)漏進(jìn)行了聲學(xué)檢測(cè)；楊晶等[8]在閥門泄漏故障的可視化方面做了探索；胡新等基于聲發(fā)射技術(shù)開發(fā)了閥門內(nèi)漏的在線檢測(cè)系統(tǒng)；高倩霞等[9-10]利用最小二乘法和自適應(yīng)濾波除噪對(duì)閥門泄漏的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理，并進(jìn)行了工程驗(yàn)證。然而，目前對(duì)于艦船管路閥門的內(nèi)漏尤其是微小內(nèi)漏還缺乏深入研究。因此，如何基于聲發(fā)射技術(shù)對(duì)艦船管路閥門內(nèi)漏進(jìn)行檢測(cè)亟待研究。

本文對(duì)閥門泄漏的聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)原理進(jìn)行了分析，在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建閥門泄漏聲發(fā)射檢測(cè)平臺(tái)，并對(duì)不同泄漏工況下的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集、處理和分析，得到閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)的特征參數(shù)，驗(yàn)證利用聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)閥門內(nèi)漏的可行性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)下一步艦船管路閥門的內(nèi)漏檢測(cè)工作提出了幾點(diǎn)建議。這對(duì)實(shí)現(xiàn)艦船管路閥門工作和運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)和無(wú)損監(jiān)測(cè)具有重要的參考價(jià)值。

1 閥門內(nèi)漏的聲發(fā)射檢測(cè)機(jī)理

聲發(fā)射(AE)是指材料中局域源能量快速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。材料在應(yīng)力作用下的變形和斷裂是主要的聲發(fā)射源。另一類與斷裂機(jī)制無(wú)直接關(guān)系的彈性波源(如流體泄漏、摩擦、撞擊、燃燒等)為二次聲發(fā)射源[11]。閥門泄漏聲發(fā)射信號(hào)屬于二次聲發(fā)射源，具有以下特點(diǎn)：① 閥門聲發(fā)射信號(hào)是由閥門泄漏時(shí)，管道內(nèi)輸送的介質(zhì)(氣、液、蒸汽等)在閥門泄漏處噴射，介質(zhì)撞擊管壁激發(fā)的彈性波，是一種連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)；② 泄漏聲發(fā)射信號(hào)與介質(zhì)種類、閥門類型、泄漏孔徑的大小形狀、閥門兩側(cè)的壓差及泄漏量等因素有關(guān)，屬于一種非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)。閥門泄漏的聲發(fā)射信號(hào)易受到艦船背景噪聲的干擾，因此對(duì)背景噪聲的抑制或消除、信號(hào)的處理和識(shí)別要求較高，同時(shí)對(duì)檢測(cè)設(shè)備也有很高的要求。

聲發(fā)射(AE)檢測(cè)方法就是通過(guò)對(duì)閥門泄漏所發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)的采集、記錄和處理，進(jìn)而判斷閥門的泄漏狀態(tài)或用于量化評(píng)價(jià)閥門的泄漏量(率)，如圖1所示。在閥門泄漏率量化方面，一般通過(guò)閥門泄漏聲發(fā)射信號(hào)的特征參數(shù)進(jìn)行估算，主要特征參數(shù)包括有效值電壓(AERMS)和平均信號(hào)電平(ASL)等。AERMS是指采樣時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)的均方根值，單位為V，計(jì)算公式為

(1)

式中:T為采樣時(shí)間，對(duì)于泄漏檢測(cè)，一般為0.5～5 s；V(t)為與時(shí)間有關(guān)的電壓值。

圖1 聲發(fā)射檢測(cè)閥門內(nèi)漏原理

ASL為采樣時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)電平的平均值，單位為dB，計(jì)算公式為

(2)

式中，Pre為前置放大的增益，單位為dB。

研究表明，有效值電壓(AERMS)和平均信號(hào)電平(ASL)與閥門內(nèi)漏的泄漏率相關(guān)，估算公式[3]為

(3)

由于偶極子和四極子聲源是射流紊流場(chǎng)的主要噪聲場(chǎng)，將偶極子聲源引入式(3)，得到閥門的泄漏聲發(fā)射均方根值A(chǔ)ERMS的計(jì)算公式為

(4)

式中:C1表示AE傳感器、閥門材料、信號(hào)增益等影響的流體參數(shù)；α為流體內(nèi)的聲速；ρ為流體密度；D為閥門尺寸；Q表示體積流速；ΔP表示通過(guò)閥門的壓降；P1表示進(jìn)口壓力；Cv表示閥門的流動(dòng)系數(shù)；S表示流體的特定黏度。

2 閥門內(nèi)漏檢測(cè)模擬及聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

圖2為閥門泄漏模擬及聲發(fā)射檢測(cè)裝置示意圖。該裝置主要由閥門泄漏模擬系統(tǒng)和泄漏信號(hào)檢測(cè)裝置兩部分組成。其中，閥門泄漏模擬系統(tǒng)主要由水箱、水泵(手動(dòng)泵、電動(dòng)管道泵)、蓄壓器、閥門等組成；泄漏信號(hào)檢測(cè)裝置主要由聲發(fā)射傳感器、前置放大器、信號(hào)采集卡以及計(jì)算機(jī)等組成。

圖2 閥門泄漏模擬及檢測(cè)裝置示意圖

2.1 閥門泄漏模擬系統(tǒng)

閥門泄漏模擬系統(tǒng)的基本原理是通過(guò)將管路內(nèi)充滿水，提高水的壓力以模擬不同壓力下閥門的泄漏。同時(shí)，在待測(cè)閥門的在閥芯密合面加工一定深度的劃痕，對(duì)于不同的劃痕深度，閥門的內(nèi)漏量是不同的，從而模擬不同泄漏量情況下聲發(fā)射信號(hào)的變化。

本系統(tǒng)采用手動(dòng)泵作為管道的增壓設(shè)備，其最高工作壓力為4 MPa，實(shí)驗(yàn)壓力從1～3 MPa變化，模擬不同壓力下閥門泄漏聲發(fā)射信號(hào)的變化。電動(dòng)管道泵用于預(yù)先為裝置內(nèi)的管路內(nèi)充滿水，排出其內(nèi)空氣，管道泵工作電壓為220 V，采用防水開關(guān)控制其啟動(dòng)和停止。蓄壓器用于保持管路內(nèi)的壓力穩(wěn)定，減小壓力波動(dòng)。蓄壓器采用囊式蓄壓器下部與裝置管路連接，容積為2.5 L，最高可承受壓力為10 MPa。蓄壓器內(nèi)預(yù)先充入2.5 MPa的氮?dú)?，以縮短泵壓時(shí)間。待測(cè)截止閥以J41H- 40C國(guó)標(biāo)截止閥為基礎(chǔ)改造而成，通徑為DN50，閥芯改為銅制。裝置內(nèi)的管路采用無(wú)縫鋼管焊接而成，連接處采用鋼制法蘭連接。截止閥兩側(cè)管路采用DN50，其余管路直徑為DN20，管路直徑變化處采用錐面過(guò)渡處理。

2.2 閥門泄漏檢測(cè)裝置

閥門泄漏檢測(cè)裝置的工作原理是通過(guò)聲發(fā)射傳感器將閥門發(fā)出的機(jī)械波信號(hào)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的電信號(hào)，并通過(guò)前置放大器將這一電信號(hào)放大后傳輸給檢測(cè)裝置的主處理器，經(jīng)處理、存儲(chǔ)后等待后續(xù)的信號(hào)顯示、處理和分析。

本實(shí)驗(yàn)采用的檢測(cè)裝置為美國(guó)聲學(xué)公司PAC生產(chǎn)的聲發(fā)射檢測(cè)儀器，其中，傳感器為R15a型傳感器，固定在待測(cè)閥門的中間位置；前置放大器為20/40/60 dB類型放大器，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的20/40/60 dB三種增益；信號(hào)采集卡為PCI-2雙通道數(shù)字采集處理板，其具有低噪聲、40 MHz/18-bit實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)AE特征提取、內(nèi)置波形處理、內(nèi)置AE數(shù)據(jù)流等特點(diǎn)。采集后的信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，可由AEwinTM軟件進(jìn)行AE信號(hào)和波形的處理、顯示、快速儲(chǔ)存和重放，并可選擇和查看多個(gè)2-D或3-D的實(shí)時(shí)AE特征以及繪制活動(dòng)波形曲線。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3給出了測(cè)得的內(nèi)漏閥門聲發(fā)射信號(hào)，可見閥門泄漏的聲發(fā)射信號(hào)具有如下特點(diǎn)：① 泄漏的聲發(fā)射波的頻譜具有很陡的尖峰，為檢測(cè)泄漏提供了有利條件；② 泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)比較大，且大小隨著泄漏率的增大而增大；③ 閥門泄漏的聲發(fā)射信號(hào)為連續(xù)型的非平穩(wěn)信號(hào)。

圖3 閥門泄漏的聲發(fā)射信號(hào)特征

圖4給出了經(jīng)小波分析處理后的聲發(fā)射信號(hào)，圖中可見小波分析方法是目前處理閥門內(nèi)漏聲場(chǎng)信號(hào)的有效方法。經(jīng)過(guò)分析后的閥門的內(nèi)漏聲場(chǎng)特征比較明顯，可以顯示出閥門的泄漏狀態(tài)，并且閥門存在2次截流點(diǎn)，形成2處噴流噪聲源。

圖4 小波變換處理后的泄漏信號(hào)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要分析了基于聲發(fā)射技術(shù)閥門內(nèi)漏檢測(cè)的方法機(jī)理，綜述了國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究進(jìn)展，并在實(shí)驗(yàn)室條件下，實(shí)際測(cè)量了閥門內(nèi)漏的聲發(fā)射信號(hào)，用小波分析的方法獲取了閥門內(nèi)漏的特征。為將聲發(fā)射技術(shù)推廣應(yīng)用于艦船閥門的在線檢測(cè)中，筆者建議開展如下幾項(xiàng)工作：

1)出臺(tái)閥門內(nèi)漏聲發(fā)射檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)內(nèi)外雖然有聲發(fā)射檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但閥門內(nèi)漏的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)還主要是以氣泡法為主，因此閥門內(nèi)漏聲發(fā)射檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)亟待出臺(tái)，這對(duì)于艦船管路閥門的內(nèi)漏檢測(cè)具有指導(dǎo)作用。

2)對(duì)閥門泄漏信號(hào)的分析與特征提取方法進(jìn)行深入研究，尤其是復(fù)雜背景噪聲下閥門的微量?jī)?nèi)漏。下一步應(yīng)結(jié)合艦船閥門的實(shí)際類型、使用工況、布置環(huán)境等因素進(jìn)行綜合分析，探索在艦船艙內(nèi)復(fù)雜背景噪聲下如何提取有效的聲發(fā)射信號(hào)特征。

3)開展大量實(shí)驗(yàn)和實(shí)艇測(cè)試，建立閥門內(nèi)漏聲發(fā)射檢測(cè)特征參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合數(shù)據(jù)融合、人工智能等技術(shù)，研制艦船管路閥門內(nèi)漏的便攜式智能聲發(fā)射檢測(cè)儀或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)儀，這對(duì)于艦船管路閥門泄漏監(jiān)測(cè)、閥門故障的預(yù)防性維修以及保障艦船運(yùn)行的安全性和戰(zhàn)斗力具有重要意義。