聲發(fā)射技術(shù)在管道泄漏監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

吳錚

摘? ?要：本文主要研究聲發(fā)射檢測(cè)在螺栓法蘭接頭（BFJ）連接的管路系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)閥門(mén)泄漏監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，研究模擬不同工況下（泄漏量、閥門(mén)內(nèi)漏）聲發(fā)射泄漏信號(hào)的特性參數(shù)的規(guī)律，以便更好地指導(dǎo)該技術(shù)在日常檢驗(yàn)、監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。通過(guò)在搭建的試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行的一系列試驗(yàn)可以得出通過(guò)監(jiān)測(cè)聲發(fā)射幅值、平均信號(hào)電平（ASL）、有效值電壓（RMS）等數(shù)值的規(guī)律能比較靈敏地應(yīng)用于監(jiān)測(cè)BFJ連接系統(tǒng)泄漏和閥門(mén)的內(nèi)漏中。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射? 管道;閥門(mén)? 泄漏

中圖分類號(hào)：TP274.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）03（b）-0033-03

Abstract： This paper mainly studies the application of acoustic emission detection in pipeline system connected by bolted-flange-joint（BFJ）and monitoring valve leakage monitoring， and studies the rule of characteristic parameters of acoustic emission leakage signal under different working conditions （leakage rate ， valve leakage）， so as to better guide the application of this technology in daily inspection and monitoring.Through a series of tests conducted on the built test platform， it can be concluded that BFJ connection system leakage and internal leakage of valve can be detected sensitively by monitoring the law of acoustic emission amplitude， average signal level （ASL）， RMS and so on.

Key Words： Acoustic emission; The pipe; The valve; Leakage

管道泄漏的起因主要由閥門(mén)的泄漏、BFJ連接系統(tǒng)和焊縫處制造缺陷引起。這三部分組成的管道廣泛應(yīng)用于石化行業(yè)的廠內(nèi)壓力容器和工藝管道的連接中，管道的泄漏導(dǎo)致的事故時(shí)有發(fā)生，特別是近年來(lái)引起了使用單位特別是相關(guān)監(jiān)管部門(mén)的高度重視，并逐漸推廣對(duì)未經(jīng)投用前檢驗(yàn)的管道進(jìn)行定期檢驗(yàn)，通過(guò)現(xiàn)有的檢驗(yàn)技術(shù)針對(duì)管道開(kāi)展的常規(guī)檢驗(yàn)項(xiàng)目主要有宏觀檢驗(yàn)、壁厚檢測(cè)、探傷抽查和耐壓試驗(yàn)等，這些檢測(cè)手段能有效地檢測(cè)出母材和焊縫的制造缺陷，但是BFJ連接系統(tǒng)和閥門(mén)在運(yùn)行時(shí)受到操作溫度、介質(zhì)壓力和管路自重產(chǎn)生的附加彎矩、軸向力等載荷作用下，易發(fā)生泄漏事故。通過(guò)管道定檢的常規(guī)檢驗(yàn)不能有效地檢測(cè)、監(jiān)測(cè)，造成漏檢的風(fēng)險(xiǎn)，降低了檢驗(yàn)工作的可靠性。目前針對(duì)管道泄漏有效的檢測(cè)手段有直接檢漏和間接檢漏兩種方式[1]。而聲發(fā)射在管道直接檢漏的應(yīng)用還比較少，現(xiàn)在還處在實(shí)驗(yàn)室階段。需要通過(guò)大量的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該檢測(cè)方法的有效性，因此本實(shí)驗(yàn)室搭建了一個(gè)模擬不同工況的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)對(duì)聲發(fā)射在管道不同部位中的監(jiān)測(cè)應(yīng)用進(jìn)行研究，以便更好地指導(dǎo)該技術(shù)在日常檢驗(yàn)、監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

1? 管道泄漏監(jiān)測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 管道泄漏監(jiān)測(cè)的主要方法

管道系統(tǒng)泄漏監(jiān)測(cè)的方法主要分為硬件和軟件兩種方法和技術(shù)[2]?；谟布姆椒ㄓ新暟l(fā)射檢測(cè)——通過(guò)貼在管道外壁上的傳感器采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)直接監(jiān)測(cè)泄漏點(diǎn)。也有現(xiàn)場(chǎng)的氣體探測(cè)器直接檢測(cè)泄漏到外面的氣體等方法;軟件法主要是通過(guò)上述硬件技術(shù)采集管道內(nèi)介質(zhì)的壓力、溫度、流量等相關(guān)參數(shù)的變化。有基于物質(zhì)平衡的檢測(cè)方法，基于模型的檢測(cè)方法和基于信號(hào)處理的等方法[4]。通過(guò)數(shù)學(xué)建模對(duì)管道數(shù)據(jù)的并結(jié)合管道內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏的檢測(cè)及定位。其中基于軟件的管道檢漏方法是通過(guò)與其對(duì)應(yīng)的硬件技術(shù)相結(jié)合共同實(shí)現(xiàn)的。

1.2 管道泄漏監(jiān)測(cè)及研究現(xiàn)狀

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)大部分的石化工廠對(duì)管道的泄漏監(jiān)測(cè)主要停留在現(xiàn)場(chǎng)的巡檢和定期檢修階段，沒(méi)有很好地推廣應(yīng)用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的檢驗(yàn)方法。管理比較好的企業(yè)會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)配備一定數(shù)量的氣體檢測(cè)儀器，但都是停留在被動(dòng)檢測(cè)。不能很好地對(duì)關(guān)鍵部位管道的泄漏缺陷進(jìn)行提前預(yù)防和監(jiān)測(cè)。管道的在線監(jiān)測(cè)已逐漸成為研究的熱點(diǎn)。李振林等基于閥門(mén)氣體體積泄漏率與聲發(fā)射信號(hào)均方根定量關(guān)系的聲發(fā)射技術(shù)對(duì)閥門(mén)泄漏率的誤差可以控制在10%以內(nèi)[5];張鵬林等通過(guò)互相關(guān)分析法對(duì)泄漏管道進(jìn)行了定位[6];王永濤等利用DSP技術(shù)進(jìn)行譜分析，并將泄漏譜在頻域相減，實(shí)現(xiàn)了弱小泄漏的有效檢測(cè)。然而聲發(fā)射在管道的檢測(cè)中的應(yīng)用難點(diǎn)——對(duì)于大流量的管道，背景噪音會(huì)把泄漏的聲發(fā)射信號(hào)淹沒(méi);聲發(fā)射技術(shù)在管道泄漏技術(shù)的檢測(cè)泄漏的準(zhǔn)確性和定位精度與其他技術(shù)相比還具有一定的誤差。因此，如何基于聲發(fā)射技術(shù)對(duì)管道進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

2? 管道泄漏的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)原理及試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

管道的泄漏主要由閥門(mén)和BFJ連接系統(tǒng)的泄漏引起的。介質(zhì)在泄漏過(guò)程中伴隨著與管道壁的摩擦沖擊，產(chǎn)生的彈性波沿著壁面?zhèn)鞑サ铰暟l(fā)射傳感器使得其產(chǎn)生表面位移，這些傳感器將壁面的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后被放大、處理和記錄。根據(jù)不同傳感器接收到信號(hào)的時(shí)間差及接收到信號(hào)的能量大小，可以定性以及定量出泄漏的位置。試驗(yàn)室為研究管道BFJ連接系統(tǒng)和閥門(mén)的泄漏特搭建了一個(gè)檢測(cè)平臺(tái)（見(jiàn)圖1），來(lái)采集泄漏信號(hào)進(jìn)行分析。

3? 試驗(yàn)方案

3.1 聲發(fā)射檢測(cè)參數(shù)

檢測(cè)儀器：SAMOS PCI-8 48通道聲發(fā)射檢查系統(tǒng);傳感器信號(hào)：R3I-AST;檢測(cè)頻率：20～100kHz;增益：40dB;門(mén)檻電平：40dB;檢測(cè)參考標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 33643-2017《無(wú)損檢測(cè) 聲發(fā)射泄漏檢測(cè)方法》[6]。

3.2 傳感器的布置

對(duì)于BFJ連接系統(tǒng)和閥門(mén)的內(nèi)泄漏工況，傳感器布置在連接系統(tǒng)法蘭和儲(chǔ)罐底部的排放閥門(mén)的外表面，采用單傳感器如圖1所示。

3.3 試驗(yàn)步驟

（1）將設(shè)備內(nèi)通入氮?dú)?壓縮空氣靜置，關(guān)閉設(shè)備與其相連的閥門(mén)。

（2）如圖1布置傳感器，對(duì)通道進(jìn)行模擬源聲發(fā)射幅度值靈敏度校準(zhǔn)，靈敏度不低于85dB。

（3）背景噪聲測(cè)試，設(shè)置門(mén)檻值。

（4）運(yùn)行聲發(fā)射檢測(cè)儀，檢測(cè)時(shí)通過(guò)人為的擰動(dòng)螺母和控制閥門(mén)的開(kāi)合度大小，來(lái)模擬BFJ連接系統(tǒng)、閥門(mén)的不同泄漏量，記錄聲發(fā)射信號(hào)，檢測(cè)結(jié)束后，再次按2）進(jìn)行通道靈敏度校準(zhǔn)。

（5）檢測(cè)結(jié)束后，提取出有用的參數(shù)進(jìn)行分析，觀察泄漏信號(hào)的特征和規(guī)律。

4? 管道泄漏的信號(hào)分析

4.1 BFJ連接系統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)分析

采用聲發(fā)射單通道ASL、RMS采集模式，通過(guò)力矩扳手松動(dòng)BFJ連接系統(tǒng)中的單個(gè)螺母來(lái)模擬系統(tǒng)的泄漏，通過(guò)聲發(fā)射幅值-時(shí)間，ASL-時(shí)間的數(shù)據(jù)采集如圖2，從數(shù)據(jù)表1可以得出信號(hào)的大小隨著螺母的開(kāi)合度增大而增大，幅值、RMS、ASL值和能量值也隨著泄漏的增加而增大。

4.2 閥門(mén)泄漏在線檢測(cè)信號(hào)分析

采用聲發(fā)射單通道ASL、RMS采集模式，針對(duì)閥門(mén)內(nèi)漏的模擬信號(hào)采集聲發(fā)射幅值-時(shí)間，ASL-時(shí)間的數(shù)據(jù)采集如圖3，等數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，通過(guò)2組控制閥門(mén)開(kāi)合度大小模擬閥門(mén)內(nèi)漏的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)表2的規(guī)律可得隨著閥門(mén)開(kāi)度的減小，閥門(mén)內(nèi)漏信號(hào)的幅值、RMS、ASL和能量逐漸降低。

5? 結(jié)語(yǔ)

（1）在壓力不變的情況下，通過(guò)調(diào)整BFJ連接系統(tǒng)中個(gè)別螺母的松緊來(lái)模擬系統(tǒng)的泄漏，通過(guò)對(duì)單通道聲發(fā)射信號(hào)的監(jiān)測(cè)，信號(hào)的幅值和ASL等數(shù)據(jù)隨泄漏率程規(guī)律變化，可作為泄漏監(jiān)測(cè)的依據(jù)。

（2）在壓力不變的情況下，通過(guò)控制閥門(mén)的開(kāi)合度大小來(lái)模擬泄漏，隨著模擬泄漏率從大到小觀察其聲發(fā)射信號(hào)的規(guī)律可知信號(hào)的幅度和ASL值也由大變小，呈一定規(guī)律，可以很好地運(yùn)用在閥門(mén)內(nèi)漏的監(jiān)測(cè)中。

（3）試驗(yàn)難點(diǎn)：對(duì)微小泄漏的聲發(fā)射強(qiáng)度極其微弱，檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的背景噪音可能將泄漏的信號(hào)淹沒(méi)，需要使用兩個(gè)傳感器，一個(gè)檢測(cè)泄漏信號(hào)，另一個(gè)檢測(cè)背景噪聲并將其過(guò)濾，同時(shí)在數(shù)據(jù)采集時(shí)要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波設(shè)置，以濾除泄漏信號(hào)頻譜以外的疊加信號(hào)[3];連續(xù)泄漏的定位精度不高，需要后期進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

參考文獻(xiàn)

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