基于聲發(fā)射理論的安全閥氣體內漏信號特征研究

(北京航天動力研究所,北京 100076)

0 引言

安全閥是一種自動閥門，利用介質本身的壓力來排出額定數(shù)量的流體，防止鍋爐、壓力容器或壓力管道等承壓裝置和設備內壓力超過預定安全值，發(fā)生超壓而破壞，以保證設備的正常運行和人員安全[1-3]。但安全閥容易發(fā)生內漏，引起介質流失浪費，嚴重的可引發(fā)安全事故。

安全閥內漏主要有以下幾種原因。

(1)密封面損傷：蒸汽沖蝕閥瓣產(chǎn)生劃痕，腐蝕性介質的侵蝕，高速介質沖刷劃痕。

(2)密封面材質不良:維修多年，密封面研磨過低，硬度和密封性能下降。

(3)硬質物卡在密封面上:研磨磨料清除不干凈，臟污水垢積存。

(4)密封面研磨質量差。

(5)安全閥零件同軸度損壞。

具體案例如圖1，2所示。

圖1 閥瓣密封面損傷圖片

圖2 閥瓣密封面銹蝕劃傷圖片

傳統(tǒng)檢測方法需要經(jīng)驗豐富的技術人員聽聲判斷或將安全閥從管路上拆下進行離線檢測，費時費力，不能及時掌握安全閥的內漏情況。聲發(fā)射檢測技術是一種動態(tài)無損檢測方法，具有檢測方便、無需停產(chǎn)、成本低等優(yōu)點[4-9]。采用該技術可監(jiān)測安全閥內漏情況，以便能及時維修更換受損安全閥，防止介質浪費，減小安全事故發(fā)生的概率，具有重要的研究意義。

1 安全閥內漏聲信號檢測基本理論

1.1 聲發(fā)射理論

圖3 聲發(fā)射原理示意

聲發(fā)射是指物體或材料在受到形變或外力作用時，因迅速釋放彈性能量而產(chǎn)生瞬態(tài)應力波的一種物理現(xiàn)象[10]，如圖3所示。安全閥內漏聲發(fā)射屬于廣義聲發(fā)射現(xiàn)象，當安全閥發(fā)生內漏時，流體從閥座與閥瓣縫隙中噴出，產(chǎn)生應力波聲發(fā)射信號，其中包含了安全閥內漏特征，因此，可以采用靈敏的儀器來接收和處理聲發(fā)射信號，通過對聲發(fā)射源特征參數(shù)的分析和研究，推斷出安全閥內漏位置、泄漏程度和發(fā)展趨勢等。

1.2 安全閥內漏聲發(fā)射信號時頻特征

安全閥內漏聲發(fā)射信號屬于連續(xù)型聲發(fā)射信號，為了從聲發(fā)射時域信號中提取表征安全閥內漏特征的信息，需要采用信號特征平均值而非瞬時值，平均信號電平ASL表示采樣時間內信號電平的均值，可將其作為安全閥內漏判別標準[11]。平均信號電平ASL表示如下:

(1)

式中ASL——聲發(fā)射信號平均信號電平，dB；

RMS——有效值電壓，mV；

pre——前置放大器放大倍數(shù)。

有效值電壓RMS表示采樣時間內信號的均方根值，對于離散聲發(fā)射信號，其中含有N個樣本，分別為x[0]，x[1],x[2]，…，x[n-1],均方根值方程可表示為：

(2)

內漏聲發(fā)射信號可以估算安全閥泄漏率，需要借助聲功率作為中間變量。對于安全閥來說，內漏信號的聲功率近似等于泄漏信號的平均能量，兩者關系簡單定義如下[12]：

P∝RMS2

(3)

式中P——聲功率，W。

而聲功率的對數(shù)與泄漏率的對數(shù)呈線性關系[13]，即有：

lgRMS=blgQ+c

(4)

式中Q——泄漏率，ml/min；

b,c——系數(shù)，其值與安全閥類型、漏孔類型、泄漏孔徑大小、入口壓力、泄放介質類型以及安全閥閥體尺寸等因素有關。

由式(1)，(4)可得：

ASL=blgQ+d

(5)

式中d——系數(shù)，由公式(1)，(4)推導后所得。

安全閥內漏聲發(fā)射頻域信號中的特征頻率、頻率峰值等特征值，同樣能提供安全閥內漏特征，這些特征值可通過對安全閥內漏聲發(fā)射時域信號進行傅里葉變換(FFT)得到。

2 試驗裝置與檢測系統(tǒng)

安全閥內漏檢測系統(tǒng)[14]由安全閥內漏模擬試驗臺和安全閥內漏信號聲發(fā)射檢測系統(tǒng)兩部分組成,如圖4所示。

圖4 安全閥內漏檢測系統(tǒng)

安全閥內漏模擬試驗臺由氮氣氣源、壓力調節(jié)閥、壓力表、流量計和安全閥內漏模擬樣機組成，如圖5,6所示。安全閥內漏模擬樣機選用規(guī)格為3K4的HTO系列彈簧載荷式安全閥，入口公稱壓力600磅。為了模擬安全閥不同泄漏狀態(tài)，對安全閥閥瓣進行加工處理。試驗用閥瓣共有4個，其中3個進行了開槽處理，尺寸分別為：0.15 mm×0.5 mm，0.3 mm×0.5 mm、雙槽0.15 mm×0.5 mm×2，用來模擬密封面出現(xiàn)單個和多個漏孔的情況；另外一個通過砂紙在密封面上進行了手工打磨、模擬密封面劃傷。由于安全閥內漏氣體泄漏率很小，所以氣體體積泄漏率采用皂膜流量計進行測量。

圖5 安全閥內漏模擬樣機

安全閥內漏信號聲發(fā)射檢測系統(tǒng)采用美國某公司生產(chǎn)的聲發(fā)射系統(tǒng)，包括：傳感器、前置放大器、聲發(fā)射采集卡及配套的聲發(fā)射軟件。聲發(fā)射傳感器為寬帶傳感器，頻率范圍15 Hz～40 kHz，諧振頻率為30 kHz。前置放大器增益為40 dB。

圖6 安全閥內漏模擬試驗臺

3 試驗結果分析

安全閥內漏檢測試驗時，首先將安全閥內漏模擬樣機固定在安全閥內漏模擬試驗臺上，連接安全閥內漏檢測系統(tǒng)；接著，打開氣源，調節(jié)樣機入口處壓力，控制氣體流量，待泄漏穩(wěn)定后，通過皂膜流量計測量流量，并通過聲發(fā)射系統(tǒng)記錄安全閥內漏聲發(fā)射信號；然后，改變安全閥入口壓力(分別為0.01，0.02，…,0.1 MPa)，對不同泄漏狀態(tài)進行測量試驗；最后，通過安全閥內漏信號聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，將信號進行采集放大濾波等處理，提取需要的信號特征值。更換不同類型、不同尺寸的安全閥漏孔，重復上述試驗過程。

3.1 安全閥內漏聲發(fā)射信號時域與頻域特征

選用不同類型、不同口徑安全閥漏孔在不同壓力下進行安全閥內漏模擬試驗，采集內漏聲發(fā)射時域頻域信號，并對信號進行對比分析。通過分析安全閥內漏聲發(fā)射時域頻域信號，可以初步判斷安全閥是否處于內漏狀態(tài)。由于漏孔類型不同，試驗所需入口壓力會相應變化，以圖7～9幾種情況為例(其中，左圖為時域波形圖，右圖為頻譜圖)，選取內漏聲發(fā)射信號時域波形圖及頻譜圖，對安全閥內漏聲發(fā)射信號進行對比分析。

通過對以上各類型漏孔在不同入口壓力下的內漏聲發(fā)射信號圖形分析，得出如下結論。

(1)安全閥內漏聲發(fā)射信號為連續(xù)型信號，通過觀察聲發(fā)射頻域信號是否具有頻域峰值，可初步判斷安全閥是否發(fā)生內漏。

(2)峰值頻率處于超聲頻段范圍為20～30 kHz，對于單個漏孔內漏，峰值頻率在20 kHz附近，對于密封面劃傷，峰值頻率在30 kHz附近，損傷越小，峰值頻率越大。

(3)對于同類型漏孔，入口壓力越大，泄漏率越大，安全閥內漏信號峰值頻率隨孔徑減小而增大，隨泄漏率增大而增大，但是影響很小、變化不明顯，幅值隨泄漏率增大而增大。

(a)入口壓力0 MPa

(b)入口壓力0.03 MPa

(c)入口壓力0.05 Pa圖7 0.15 mm×0.5 mm方形漏孔在不同入口壓力時的 聲發(fā)射信號及頻譜

圖8 0.3 mm×0.5 mm方形漏孔在入口壓力為 0.03 MPa時聲發(fā)射信號及頻譜

圖9 手工打磨漏孔在入口壓力為4.5 MPa時 聲發(fā)射信號及頻譜

3.2 單個漏孔內漏聲發(fā)射信號的影響及泄漏率量化分析

3.2.1 單個漏孔內漏聲發(fā)射信號的影響

安全閥單個漏孔內漏情況下，泄漏率和漏孔大小會對聲發(fā)射信號產(chǎn)生影響。平均信號電平ASL表示采樣時間內信號電平的均值，可將其作為安全閥內漏聲發(fā)射信號強度判別標準。判斷泄漏率大小對于安全閥內漏聲發(fā)射信號的影響，需要在相同漏孔的情況下進行比較；而判斷泄漏孔大小對于安全閥內漏聲發(fā)射信號的影響，需要在相同泄漏率的情況下進行比較。由式(5)可知，泄漏率Q的對數(shù)與平均信號電平ASL呈線性關系，為便于觀察對比，擬合圖像時，圖像橫坐標選取為泄漏率的對數(shù)。以0.15 mm×0.5 mm和0.3 mm×0.5 mm方形漏孔為例進行試驗，擬合泄漏率與平均信號電平ASL的曲線，如圖10所示。

圖10 0.15 mm×0.5 mm和0.3 mm×0.5 mm 方形漏孔ASL隨泄漏率的變化曲線

由圖10可以看出，對于單個漏孔內漏，在同一漏孔條件下，泄漏率越大，泄漏聲信號平均信號電平ASL值越大，這是由于泄漏率越大，泄漏流速越大，氣體與閥瓣閥座的沖擊作用越劇烈，造成的聲發(fā)射信號強度越大；在相同泄漏率條件下，泄漏孔越小，泄漏聲信號平均信號電平ASL值越大，信號強度越高，越容易檢測到。這是因為在相同泄漏率的條件下，漏孔越小，氣體噴流流速越快，氣體與閥瓣閥座的沖擊作用越劇烈，造成的聲發(fā)射信號強度越大。所以對于單個漏孔安全閥內漏來說，在同一漏孔的條件下，泄漏越大越容易被檢測到；在相同泄漏率的條件下，小漏孔的泄漏更容易被檢測到。

3.2.2 單個漏孔內漏泄漏率量化分析

如能根據(jù)安全閥內漏聲發(fā)射信號特征值計算出安全閥內漏泄漏率，則可以更直接地判斷安全閥的內漏程度或密封面損傷程度。根據(jù)式(5)可知，對于單個漏孔內漏，安全閥泄漏聲發(fā)射信號ASL值與泄漏率的對數(shù)符合線性關系，由此，可通過測得安全閥內漏聲發(fā)射信號ASL值，估算出安全閥內漏率。以0.15 mm×0.5 mm方形漏孔為例，通過采集不同泄漏率下的聲發(fā)射信號ASL值，利用origin對兩者進行一次線性擬合，擬合出的曲線,如圖11所示。

圖11 0.15 mm×0.5 mm方形漏孔ASL隨泄漏率的變化曲線

3.3 多個漏孔內漏下聲發(fā)射信號的影響因素

當安全閥發(fā)生內漏時，有時會產(chǎn)生不止一個漏孔，當多個漏孔都產(chǎn)生泄漏導致介質流失時，由于每個漏孔的泄漏率占總泄漏率的百分比未知，此時泄漏率就無法與聲發(fā)射信號相對應，無法根據(jù)單孔內漏的情況進行分析,所以有必要對多孔內漏情況下的安全閥內漏聲發(fā)射信號進行探究。對此，本試驗設計了一個雙漏孔結構，兩個漏孔類型尺寸均為0.15 mm×0.5 mm的方形開槽漏孔。同時，用一個0.15 mm×0.5 mm方形開槽單漏孔結構作為對比，分析漏孔數(shù)量對于聲發(fā)射信號ASL值的影響,如圖12,13所示(圖中Q為安全閥內漏泄漏率)。

圖12 ASL隨單漏孔和雙漏孔泄漏率的變化曲線

圖13 ASL隨單漏孔泄漏率和雙漏孔一半泄漏率的 變化曲線

由圖12,13可以看出，在相同ASL值條件下，雙漏孔的泄漏率近似等于單漏孔泄漏率的2倍。而雙漏孔結構中每個漏孔尺寸完全相同，每個漏孔的泄漏率相同，則雙漏孔結構每個漏孔的泄漏率與單漏孔的泄漏率一樣。說明對于多孔泄漏的情況，聲發(fā)射信號的ASL值與單個漏孔的信號ASL值有關，并不會因為漏孔數(shù)量多而產(chǎn)生信號疊加的情況。綜上可知，在安全閥多漏孔內漏情況下，聲發(fā)射信號ASL值與單個漏孔的泄漏率有關，而與總泄漏率無關。

4 結論

針對石油天然氣儲運行業(yè)中的安全閥，基于理論分析和試驗研究的方法，模擬了安全閥密封面劃傷、密封面出現(xiàn)單個漏孔、密封面出現(xiàn)多個漏孔等內漏情況，并研究了這些情況下聲發(fā)射信號的頻譜特征，泄漏率對于聲發(fā)射信號特征參數(shù)平均信號電平ASL的影響，以及泄漏率與平均信號電平之間的量化關系，得出如下結論。

(1)首次將聲發(fā)射技術應用在安全閥的內漏檢測中，利用聲發(fā)射技術能夠有效檢測安全閥的內漏狀態(tài)，為安全閥內漏檢測提供了一種新的方法。

(2)安全閥內漏峰值頻率范圍為20～30 kHz。對于單個漏孔內漏情況，峰值頻率在20 kHz附近；對于密封面劃傷內漏情況，峰值頻率在30 kHz附近。安全閥內漏峰值頻率隨孔徑減小而增大，隨入口壓力增大而增大，但是影響很小,變化不明顯。

(3)安全閥單個漏孔內漏情況，在同一漏孔的條件下，泄漏越大越容易被檢測到，在相同泄漏率的條件下，小漏孔的泄漏更容易被檢測到?？筛鶕?jù)公式ASL=blgQ+d對泄漏率Q和平均信號電平ASL進行擬合;通過測量內漏聲發(fā)射信號平均信號電平ASL值即可估算安全閥內漏泄漏率,確認了后期在線監(jiān)測安全閥內漏、估算泄漏率的可行性。

(4)安全閥多漏孔內漏情況下，聲發(fā)射信號的ASL值與單個漏孔泄漏率有關，與總泄漏率無關，并不會產(chǎn)生各漏孔聲發(fā)射信號疊加的情況。