閥門內(nèi)漏聲發(fā)射監(jiān)測(cè)及其信號(hào)特征提取與分析

李海云，朱漢華，吳 潔，尹志生

（武漢理工大學(xué) 船海與能源動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063）

閥門在管路系統(tǒng)和許多工業(yè)裝置中是不可缺少的流體控制部件之一，它起著控制介質(zhì)輸送、調(diào)節(jié)壓力與流量等工藝參數(shù)及應(yīng)急保護(hù)系統(tǒng)故障等作用。然而，由于工作環(huán)境、操作方式、閥門自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素的影響，閥門泄漏尤其是閥門內(nèi)漏已經(jīng)成為閥門故障中普遍存在的現(xiàn)象。由于閥門內(nèi)漏在其故障前期不易被檢測(cè)，因此給管路系統(tǒng)和工業(yè)裝置的故障診斷和安全預(yù)警帶來障礙。研究閥門內(nèi)漏的特性和精確、便捷的閥門內(nèi)漏檢測(cè)方法成為急需解決的工程問題。

已有的閥門內(nèi)漏檢測(cè)方法有加壓檢測(cè)法、真空檢測(cè)法和氣泡法，由于其效率低、不能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)等缺點(diǎn)，已不能滿足閥門內(nèi)漏檢測(cè)的客觀需求。經(jīng)過國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)閥門泄漏檢測(cè)的多年研究，目前可用的方法得到充分發(fā)展，比如壓降法、振動(dòng)法、熱紅外法、超聲檢測(cè)法、聲發(fā)射檢測(cè)法等在線檢測(cè)技術(shù)。其中，聲發(fā)射檢測(cè)法因具有適用范圍廣、對(duì)線性缺陷敏感、適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，已得到長(zhǎng)足的發(fā)展。但聲發(fā)射檢測(cè)法仍存在局限性，如：未知因素過多、存在干擾信號(hào)、信號(hào)采樣頻率過高、對(duì)硬件設(shè)備要求高等[1]。

基于上述分析，本文在聲發(fā)射檢測(cè)法的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的聲發(fā)射檢測(cè)方法采集的信號(hào)有效頻率低，受環(huán)境噪聲和干擾的影響較小，信號(hào)采樣和處理速度大大提高。對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域特征分析與特征值提取，利用小波包分解對(duì)信號(hào)的能量分率進(jìn)行研究，探究其與閥門完全密封、閥門內(nèi)漏等工況的關(guān)系。

1 閥門內(nèi)漏聲波檢測(cè)方法

閥門泄漏可分為閥門外漏與閥門內(nèi)漏，產(chǎn)生閥門內(nèi)漏的原因較多，主要包括：閥門在生產(chǎn)時(shí)工藝缺陷，由此導(dǎo)致夾渣、砂眼等鑄造缺陷；現(xiàn)場(chǎng)施工、安裝質(zhì)量差，存在重視法蘭密封而輕視內(nèi)部密封的情況；介質(zhì)在運(yùn)輸中含有雜質(zhì)，導(dǎo)致閥門閥桿卡死，閥桿阻塞，不能完全關(guān)閉；閥門在使用過程中操作不規(guī)范，如：不按規(guī)定打開和關(guān)閉，容易造成閥桿變形及密封面損壞，導(dǎo)致閥門不能完全關(guān)閉；閥門密封面在開關(guān)過程中可能發(fā)生機(jī)械損失，使密封表面磨損或者產(chǎn)生壓痕；閥門工作環(huán)境惡劣，長(zhǎng)期處于溫度變化劇烈、壓力較大的環(huán)境中，對(duì)閥門密封件的影響很大，容易導(dǎo)致閥門加速老化和泄漏[2-5]。

本文選用聲發(fā)射（AE）方法檢測(cè)閥門內(nèi)漏，聲發(fā)射是指材料或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形或斷裂時(shí)，以彈性波的形式迅速釋放能量的現(xiàn)象[6-7]，當(dāng)閥門出現(xiàn)裂縫或漏孔時(shí)，閥門上下游存在的壓力差使得介質(zhì)從泄漏處高速噴射而出，由于沒有邊壁的限制，噴射出的介質(zhì)會(huì)在泄漏處擴(kuò)散流動(dòng)繼而形成湍性射流，引起閥門下游壓力波動(dòng)，形成聲波，同時(shí)由于閥門上游介質(zhì)異常流失，同樣會(huì)造成上游壓力波動(dòng)形成聲波。因此，通過傳感器將閥門內(nèi)漏產(chǎn)生的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行特征分析，可以實(shí)現(xiàn)閥門內(nèi)漏的監(jiān)測(cè)。閥門內(nèi)漏檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。如果閥門發(fā)生內(nèi)漏，介質(zhì)流入下游產(chǎn)生聲波，下游的傳感器能檢測(cè)到明顯的異常信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征提取與小波包能量分率的研究可以有效區(qū)分閥門內(nèi)漏與閥門完全密封、閥門正常開啟、閥門正常關(guān)閉、外部敲擊管道等工況。

圖1 閥門內(nèi)漏檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2 閥門內(nèi)漏試驗(yàn)檢測(cè)方案

液體介質(zhì)閥門內(nèi)漏模擬裝置包括水箱、離心泵組、管道、壓力表、流量計(jì)、閥門等。該裝置可通過調(diào)節(jié)8 個(gè)離心泵組成的4 個(gè)泵組，進(jìn)而提供0.2～1.2 MPa 的管道進(jìn)口壓力。被測(cè)閥門的尺寸為DN40，可手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度并有具體數(shù)值顯示。內(nèi)漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)包括三相振動(dòng)加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡NI9234 和計(jì)算機(jī)等，試驗(yàn)所用的三相振動(dòng)加速度傳感器在X、Y、Z3個(gè)方向的頻率響應(yīng)范圍為0.3～10.0 kHz，靈敏度為1 mv/ms-2，傳感器可黏在底座或用砂紙打磨后的管道上。數(shù)據(jù)采集卡NI9234 為4 通道動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊，動(dòng)態(tài)范圍為102 dB，廣泛應(yīng)用于加速度傳感器和聲信號(hào)傳感器。試驗(yàn)時(shí)，通過離心泵組將閥門進(jìn)口壓力增加至0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa、1.0 MPa、1.1 MPa、1.2 MPa，壓力穩(wěn)定后，分別采集閥門開度為5%、7.5%、10%、12.5%、15%、17.5%、20%的內(nèi)漏信號(hào)，并對(duì)流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)[8]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 內(nèi)漏信號(hào)時(shí)頻域特征分析

通過提取3 個(gè)傳感器所采集的信號(hào)特征值，決定采用1#傳感器的數(shù)據(jù)。閥門完全密封及內(nèi)漏工況的時(shí)域圖如圖2所示。圖2（a）為閥門完全密封工況，圖2（b）為內(nèi)漏工況（進(jìn)口壓力0.4 MPa、閥門開度為15%）。

圖2 閥門完全密封及內(nèi)漏工況的時(shí)域圖

由圖2 可知，在閥門正常及內(nèi)漏工況下，其聲波信號(hào)為隨機(jī)分布狀態(tài)，閥門內(nèi)漏時(shí)，其信號(hào)幅值明顯增大。閥門完全密封及內(nèi)漏工況的頻域圖如圖3 所示。由圖3 可知，閥門未發(fā)生內(nèi)漏時(shí)，其信號(hào)大多集中在低頻段，且頻譜能量大部分較低，個(gè)別頻率幅值突出，而閥門發(fā)生內(nèi)漏時(shí)，信號(hào)集中在中高頻段，頻譜能量高于正常工況，在正常工況下幅值突出的個(gè)別頻率在內(nèi)漏工況下依然存在，大部分幅值在0.5（m·s-2）2/Hz 以下。因此，根據(jù)信號(hào)的時(shí)域圖和頻域圖可以判斷閥門處于正常狀態(tài)或內(nèi)漏狀態(tài)。

圖3 閥門完全密封及內(nèi)漏工況的頻域圖

為排除閥門在工作時(shí)的各種干擾對(duì)信號(hào)的影響，試驗(yàn)采集了閥門正常開啟、正常關(guān)閉和外部敲擊管道3 種工況，并對(duì)其信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域分析。干擾信號(hào)的時(shí)域圖如圖4所示，干擾信號(hào)的頻域圖如圖5所示。

圖4 干擾信號(hào)的時(shí)域圖

圖5 干擾信號(hào)的頻域圖

對(duì)比圖2 與圖4，閥門在正常開啟時(shí)，信號(hào)幅值在某一時(shí)間點(diǎn)發(fā)生突變，隨著開啟角度的增大，幅值隨之先增大后減小，最后信號(hào)趨于平穩(wěn)，呈現(xiàn)為隨機(jī)分布狀態(tài)，且此時(shí)幅值大于初始時(shí)的幅值；閥門正常關(guān)閉的信號(hào)波形在初始時(shí)為隨機(jī)信號(hào)，由于閥門關(guān)閉，信號(hào)幅值先增大后減小，且在某一時(shí)間點(diǎn)突變，最后亦發(fā)展為隨機(jī)信號(hào)，且此時(shí)幅值小于初始時(shí)的幅值；管道受到外部敲擊時(shí)，信號(hào)幅值發(fā)生突變，其余時(shí)間均呈現(xiàn)隨機(jī)分布狀態(tài)。對(duì)比圖3 與圖5，閥門正常開啟與正常關(guān)閉的頻域波形與泄漏的頻域波形較為類似，但在分布上，閥門正常開啟與關(guān)閉的頻率集中在2 000～8 000 Hz，在其余頻率分布較少，且閥門開啟的幅值大于關(guān)閉時(shí)的幅值，而閥門內(nèi)漏的信號(hào)在2 000～12 000 Hz 上分布較為均勻；管道在受到敲擊時(shí)，信號(hào)幅值更為突出且大多集中在低頻段。因此，通過時(shí)頻域圖像的特征差別可以判斷閥門內(nèi)漏、完全密封、正常啟停泵和外部敲擊等工況。

3.2 閥門內(nèi)漏信號(hào)特征值提取

通過對(duì)采集的內(nèi)漏信號(hào)進(jìn)行特征值提取，可以提取信號(hào)的有效信息，便于閥門是否發(fā)生泄漏及泄漏量的判斷。以試驗(yàn)的進(jìn)口壓力為0.4 MPa、閥門開度為15%的數(shù)據(jù)為參考，對(duì)其特征參數(shù)與進(jìn)口壓力、泄漏速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行探究。部分特征參數(shù)與閥門進(jìn)口壓力、泄漏速率的定量關(guān)系如圖6所示。

圖6 部分特征參數(shù)與閥門進(jìn)口壓力、泄漏速率的定量關(guān)系

由圖6 可知，由于閥門進(jìn)口壓力與泄漏速率的增大，聲源活性增強(qiáng)，因此信號(hào)的各個(gè)特征參數(shù)也隨之增大。振動(dòng)加速度aRMS值的增加與泄漏速率的增加為近似線性關(guān)系。

信號(hào)的幅值與泄漏速率、進(jìn)口壓力正相關(guān)，且在壓力、泄漏速率較低時(shí)增加速度較快，在其較高時(shí)增速緩慢；信號(hào)的能量值增加幅度大，數(shù)量級(jí)由105增至108，增速則與幅值相反。

3.3 閥門內(nèi)漏信號(hào)的能量分布

為進(jìn)一步確定閥門內(nèi)漏信號(hào)的頻率范圍和實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效識(shí)別，將內(nèi)漏信號(hào)進(jìn)行小波包能譜分析。由于小波分解在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì)，是目前聲發(fā)射信號(hào)處理中應(yīng)用最廣泛的方法之一[9]。將信號(hào)進(jìn)行3 層小波包分解，得到[3，0]、[3，1]、[3，2]、[3，3]、…、[3，7]共8 個(gè)小波包，每個(gè)小波包的頻帶為1 600 Hz，頻率范圍為0～12 800 Hz。閥門內(nèi)漏信號(hào)各頻段能量占比與閥門進(jìn)口壓力、泄漏速率的關(guān)系如圖7 所示；進(jìn)口壓力為0.4 MPa、閥門開度為15%時(shí)，其余工況的各頻段能量分布如圖8所示。

圖7 閥門內(nèi)漏信號(hào)各頻段能量占比與閥門進(jìn)口壓力、泄漏速率的關(guān)系

圖8 進(jìn)口壓力為0.4 MPa、閥門開度為15%時(shí)，其余工況的各頻段能量分布

閥門在開度為15%時(shí)，內(nèi)漏信號(hào)能量集中在2#～5#子帶，對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率為3 200～8 000 Hz，閥門進(jìn)口壓力由0.2 MPa 增至1.2 MPa 時(shí)，其能量占比由63.52%增至95.04%，高頻段（8 000～12 800 Hz）在壓力較低時(shí)有一定的能量占比，但壓力增大后所占比重則迅速下降；閥門進(jìn)口壓力一定時(shí)，不同閥門開度的能量信號(hào)各子帶的能量占比與固定閥門開度時(shí)的規(guī)律大致一致，大部分仍集中在2#～5#子帶，且以3#子帶所占能量最多。

對(duì)比圖7 與圖8，可以看出閥門正常啟閉時(shí)的各頻段能量占比與閥門發(fā)生內(nèi)漏時(shí)的特征較為類似，均在3#子帶占比最多，且大部分集中在2#～5#子帶，因此均可將其歸類為閥門關(guān)閉不嚴(yán)時(shí)的信號(hào)，根據(jù)其時(shí)頻域特征可對(duì)閥門狀態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步區(qū)分；閥門完全密封與外部敲擊管道的能量分率與閥門關(guān)閉不嚴(yán)信號(hào)的能量分率完全不同，完全密封與外部敲擊管道均有約90%的能量位于1#子帶（0～1 600 Hz），其余子帶所占能量極少，也可根據(jù)信號(hào)的時(shí)頻域特征對(duì)這2種工況加以區(qū)分。

4 結(jié)束語

本文通過液體介質(zhì)閥門內(nèi)漏的模擬試驗(yàn)，采集了不同工況下的信號(hào)，通過分析閥門在不同進(jìn)口壓力、不同開度及其他工況下信號(hào)的特性，得到以下結(jié)論。

1）利用三相振動(dòng)加速度傳感器對(duì)閥門內(nèi)漏信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，內(nèi)漏信號(hào)頻率范圍較寬且為連續(xù)型波形。內(nèi)漏信號(hào)的特征參數(shù)與閥門進(jìn)口壓力、泄漏速率為正相關(guān)關(guān)系，且aRMS值與泄漏速率近似線性相關(guān)。

2）進(jìn)行工況信號(hào)的時(shí)頻域和小波包能量等分析，能夠有效區(qū)分閥門完全密封、發(fā)生內(nèi)漏、受到外界干擾等工況。閥門發(fā)生內(nèi)漏時(shí)信號(hào)幅值較大，頻率范圍較寬，且信號(hào)的能量主要集中在2#～5#子帶（3 200～8 000 Hz），該區(qū)間單個(gè)子帶最高能量占比可達(dá)48.299 9%，該區(qū)間能量占比之和最高可達(dá)95.04%。該結(jié)論可為后續(xù)的閥門內(nèi)漏診斷建模提供依據(jù)。