基于聲發(fā)射的天然氣管道閥門(mén)內(nèi)漏檢測(cè)技術(shù)

劉海松

(北京市公用事業(yè)科學(xué)研究所，北京 100011)

1 概述

近幾年，燃?xì)馐鹿蕰r(shí)有發(fā)生。僅2022年第3季度，全國(guó)(不含港澳臺(tái))燃?xì)馐鹿使舶l(fā)生216起，造成17人死亡、136人受傷，其中較大事故2起。

對(duì)天然氣管道閥門(mén)進(jìn)行內(nèi)漏檢測(cè)，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是一種十分有效的技術(shù)手段。通過(guò)該技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)閥門(mén)內(nèi)漏在線檢測(cè)，具有檢測(cè)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、操作便捷等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)不會(huì)對(duì)管道閥門(mén)產(chǎn)生不利影響，確保天然氣輸配質(zhì)量與安全。

2 閥門(mén)內(nèi)漏聲源特征

① 噴流噪聲

如果閥門(mén)泄漏口較小，高速天然氣經(jīng)泄漏口噴射到下游管道過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生噴流噪聲。天然氣管道大多是高壓管道，內(nèi)漏時(shí)天然氣具有很高的流速，因此噴流過(guò)程主要是湍流，并對(duì)周邊天然氣產(chǎn)生卷吸效應(yīng)，高頻噪聲由此產(chǎn)生。通過(guò)大量實(shí)踐分析發(fā)現(xiàn)，噴流噪聲是最常見(jiàn)的內(nèi)漏聲源。

② 阻塞噴注噪聲

如果閥門(mén)前后壓力比超過(guò)1.893，受泄漏口影響產(chǎn)生的沖擊波會(huì)沿軸線產(chǎn)生一系列沖擊波室。當(dāng)泄漏天然氣形成的渦流從沖擊波室穿過(guò)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)相互干擾，此時(shí)產(chǎn)生的噪聲就是阻塞噴注噪聲。

③ 渦流噪聲

如果天然氣從障礙物通過(guò)的過(guò)程中不斷有渦流形成、脫落，因壓力脈動(dòng)形成的應(yīng)力波就會(huì)在障礙物表面發(fā)生作用，此時(shí)伴隨產(chǎn)生的噪聲就是渦流噪聲。這種噪聲大多出現(xiàn)在閥門(mén)泄漏口位置，因閥門(mén)閥芯損傷或密封圈損傷所致。

3 閥門(mén)內(nèi)漏聲發(fā)射檢測(cè)機(jī)理

聲發(fā)射屬于物理現(xiàn)象，它指在物體自身形變或受到外部作用情況下，因彈性能量迅速釋放而引發(fā)的瞬態(tài)應(yīng)力波產(chǎn)生。如果材料中出現(xiàn)了聲發(fā)射現(xiàn)象，聲源發(fā)射出的各個(gè)信號(hào)所涵蓋的信息可對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、狀態(tài)變化和缺陷性質(zhì)造成干擾。因此，借助靈敏度足夠的儀器設(shè)備對(duì)這些發(fā)射信號(hào)進(jìn)行接收和處理，再對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行特征參數(shù)的研究與分析，便可實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)、內(nèi)部缺陷、發(fā)展趨勢(shì)和變化程度等的推斷。

在天然氣管道運(yùn)輸中，如果閥門(mén)出現(xiàn)內(nèi)漏，泄漏口處會(huì)在閥門(mén)壓差作用下形成噴流，不僅會(huì)擾亂天然氣的穩(wěn)定流動(dòng)，而且會(huì)使閥門(mén)與天然氣產(chǎn)生相互作用，閥壁上會(huì)有高頻應(yīng)力波產(chǎn)生，并向外進(jìn)行能量輻射。應(yīng)力波包含泄漏口位置、泄漏強(qiáng)度等信息，它會(huì)沿著閥體傳播到兩側(cè)天然氣管道，這樣聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)在天然氣管道閥門(mén)泄漏口位置及附近檢測(cè)到該應(yīng)力波和噴流噪聲。通過(guò)對(duì)噴流噪聲信號(hào)進(jìn)行處理，可有效判斷出泄漏位置與泄漏強(qiáng)度等信息，為后續(xù)維修提供科學(xué)準(zhǔn)確的依據(jù)。

聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行天然氣管道內(nèi)漏噴流噪聲檢測(cè)的工作原理是以晶體元件為基礎(chǔ)的壓電效應(yīng)。應(yīng)力波的傳播形式是質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，包括縱波、橫波和表面波等。當(dāng)這些應(yīng)力波質(zhì)點(diǎn)傳遞到聲發(fā)射傳感器接觸面(接觸面是壓電陶瓷晶片)上時(shí)，會(huì)帶動(dòng)接觸面上的質(zhì)子運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使壓電陶瓷產(chǎn)生拉伸和壓縮效果，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)力波到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。聲發(fā)射傳感器將電信號(hào)輸送到聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器中。在接收到電信號(hào)后，聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)對(duì)其進(jìn)一步處理，以數(shù)字信號(hào)形式輸出。

4 聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)

聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)主要包括檢測(cè)裝置、信號(hào)分析方法和軟件。

① 檢測(cè)裝置

檢測(cè)裝置主要包含硬件和軟件，硬件主要包括聲發(fā)射傳感器(簡(jiǎn)稱傳感器)、前置放大器、數(shù)據(jù)采集器。硬件主要作用是對(duì)閥門(mén)內(nèi)漏中聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集、傳輸和放大。軟件主要作用是對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析和處理，對(duì)內(nèi)漏程度進(jìn)行確定，對(duì)內(nèi)漏分析結(jié)果進(jìn)行顯示、儲(chǔ)存和打印。

a.傳感器

閥門(mén)內(nèi)漏產(chǎn)生的噴流產(chǎn)生非常微弱的聲發(fā)射信號(hào)，加之環(huán)境噪聲比較強(qiáng)，為實(shí)現(xiàn)泄漏準(zhǔn)確檢測(cè)，應(yīng)用SR10型諧振聲發(fā)射傳感器，其諧振頻率是40 kHz，頻率檢測(cè)范圍是15～70 kHz[1]。具體應(yīng)用中，通過(guò)耦合劑將該傳感器的接觸面和被測(cè)管道表面耦合，通過(guò)磁性?shī)A具做好固定，這樣可使內(nèi)漏閥門(mén)中的聲發(fā)射信號(hào)通過(guò)閥壁以及耦合劑時(shí)損失最小，能有效傳輸至壓電陶瓷晶片。

b.前置放大器

因?yàn)閴弘娞沾删a(chǎn)生的電荷量非常小，且阻抗很高，所以在具體應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷晶片微弱信號(hào)的輸出，將具有較高阻抗的前置放大器安裝到傳感器后端，使其對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大處理。選擇的前置放大器主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 選擇的前置放大器主要技術(shù)參數(shù)

c.數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器可對(duì)放大后的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，使其成為二進(jìn)制形式的數(shù)字信號(hào)，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析和處理。選用的數(shù)字采集器主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 選用的數(shù)字采集器主要技術(shù)參數(shù)

② 信號(hào)分析方法

閥門(mén)內(nèi)漏的聲發(fā)射信號(hào)具有多樣性和不確定性，且環(huán)境因素對(duì)其產(chǎn)生很大干擾。因此聲發(fā)射信號(hào)的分析和處理成為影響閥門(mén)內(nèi)漏檢測(cè)準(zhǔn)確性的一個(gè)主要因素。基于此，在聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)中，通過(guò)小波分析法對(duì)閥門(mén)內(nèi)漏檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行變時(shí)窗分析，即通過(guò)較寬時(shí)窗對(duì)信號(hào)含有的低頻分量進(jìn)行分析，通過(guò)較窄時(shí)窗對(duì)信號(hào)含有的高頻分量進(jìn)行分析，并對(duì)各種頻率范圍內(nèi)的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行頻域特性參數(shù)以及時(shí)域特性參數(shù)的提取。具體分析中，將聲發(fā)射信號(hào)用4層小波法分解成5個(gè)頻帶，分別對(duì)各頻帶的信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，使其轉(zhuǎn)變成原始信號(hào)形式，然后在頻域范圍中對(duì)其進(jìn)行頻域峰值的提取，在時(shí)域范圍中對(duì)其進(jìn)行均方根的提取。將提取出來(lái)的各種特性參數(shù)和內(nèi)漏率進(jìn)行對(duì)比分析，最后建立相應(yīng)的關(guān)系模型。

③ 軟件

利用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)軟件。在聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中，主要有數(shù)據(jù)采集、時(shí)域分析、頻域分析、結(jié)果顯示、結(jié)果儲(chǔ)存和打印等模塊。每個(gè)模塊都可以獨(dú)立運(yùn)行，但是各模塊之間又形成一種良好的協(xié)調(diào)合作關(guān)系，以此來(lái)完成閥門(mén)內(nèi)漏數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示、儲(chǔ)存、管理和打印。

5 聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用試驗(yàn)

① 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

某D580×8天然氣管道上有1個(gè)內(nèi)漏閥門(mén)，閥門(mén)上游壓力為2.5 MPa，將該閥門(mén)上游的調(diào)壓閥關(guān)閉，在該閥門(mén)關(guān)閉且內(nèi)漏情況下進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)采集，將傳感器設(shè)置在閥門(mén)附近。閥門(mén)泄漏口近似為矩形，尺寸為7 cm×0.7 cm。采集中，每間隔1 s進(jìn)行1次聲發(fā)射信號(hào)的4層小波法分解和重構(gòu)，然后對(duì)每個(gè)頻帶中的頻域峰值和時(shí)域均方根進(jìn)行提取，最后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)內(nèi)漏率和聲發(fā)射特性參數(shù)進(jìn)行曲線擬合。

② 試驗(yàn)結(jié)果

a.閥門(mén)內(nèi)漏率隨閥門(mén)壓差的變化

閥門(mén)內(nèi)漏率隨閥門(mén)壓差的變化曲線見(jiàn)圖1，圖1展示了數(shù)據(jù)點(diǎn)、擬合曲線。

圖1 閥門(mén)內(nèi)漏率隨閥門(mén)壓差的變化曲線

由圖1可以看出，在閥門(mén)上游的調(diào)壓閥關(guān)閉之后，閥門(mén)內(nèi)漏屬于泄壓過(guò)程，隨著壓差逐漸降低，內(nèi)漏率也呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。即在泄漏口尺寸不變的情況下，閥門(mén)內(nèi)漏率與壓差成線性關(guān)系[2]。

b. 時(shí)域均方根與閥門(mén)內(nèi)漏率的關(guān)系

通過(guò)4層小波法將聲發(fā)射信號(hào)分解成5個(gè)頻帶，見(jiàn)表3。分解之后再對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，并對(duì)其時(shí)域信號(hào)進(jìn)行均方根提取。時(shí)域均方根隨閥門(mén)內(nèi)漏率的變化曲線見(jiàn)圖2。

表3 通過(guò)4層小波法將聲發(fā)射信號(hào)分解成的5個(gè)頻帶

續(xù)表3

圖2 時(shí)域均方根隨閥門(mén)內(nèi)漏率的變化曲線

c. 頻域峰值與閥門(mén)內(nèi)漏率的關(guān)系

通過(guò)4層小波法將聲發(fā)射信號(hào)分解后，各頻帶的頻域峰值與閥門(mén)內(nèi)漏率的關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。

圖3 頻域峰值與閥門(mén)內(nèi)漏率的關(guān)系曲線

由圖3可見(jiàn)，在閥門(mén)內(nèi)漏時(shí)，伴隨著內(nèi)漏程度加大，頻域峰值也越來(lái)越高，A4頻帶和D4頻帶的頻域峰值變化尤其明顯。因此在檢測(cè)過(guò)程中，可以將頻域峰值作為內(nèi)漏程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，頻域峰值變化越明顯，說(shuō)明閥門(mén)內(nèi)漏越嚴(yán)重。

6 結(jié)論

對(duì)基于聲發(fā)射的天然氣管道閥門(mén)內(nèi)漏檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行探討。介紹閥門(mén)內(nèi)漏聲源特征和閥門(mén)內(nèi)漏聲發(fā)射檢測(cè)機(jī)理，闡述聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的組成和功能，進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：閥門(mén)內(nèi)漏率與閥門(mén)壓差成線性關(guān)系；可以將時(shí)域均方根作為內(nèi)漏程度判斷標(biāo)準(zhǔn)，時(shí)域均方根變化幅度越大，說(shuō)明閥門(mén)內(nèi)漏越嚴(yán)重；可以將頻域峰值作為內(nèi)漏程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，頻域峰值變化越明顯，說(shuō)明閥門(mén)內(nèi)漏越嚴(yán)重。