天然氣管道閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)特征研究
通過理論分析的方法建立閥門內(nèi)漏過程中氣體體積泄漏率與聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)均方根(AERES)函數(shù)關(guān)系，利用研制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了閥門氣體內(nèi)漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，利用小波包變換方法分別對(duì)球閥和截止閥內(nèi)漏過程產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行頻譜特性分析研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過3層小波包分解后的信號(hào)能量主要集中在12.5～75kHz。且聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)均方根(AERES)能有效反映氣體體積泄漏率，因此可以利用聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)閥門是否內(nèi)漏并估算其泄漏率。
國內(nèi)對(duì)天然氣需求不斷增長促進(jìn)了天然氣管道行業(yè)的快速發(fā)展。按照相關(guān)規(guī)劃，到2015年，中國天然氣管道總長將達(dá)到6萬km。天然氣管道中，球閥是其重要組成部分，天然氣管道上的球閥要求具有很好的密封性，不能存在內(nèi)漏。因此如何了解天然氣管道閥門內(nèi)漏特征并開發(fā)出相應(yīng)的內(nèi)漏檢測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)、快速、精確檢測(cè)球閥是否發(fā)生內(nèi)漏，最大程度地減少泄漏，避免誘發(fā)重大安全事故的發(fā)生，將對(duì)天然氣管道安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。
國外從20世紀(jì)80年代起就開展了閥門內(nèi)漏聲場(chǎng)特征研究，閥門內(nèi)漏檢測(cè)比較困難，但是聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)作為一種新型的無損檢測(cè)技術(shù)被證明是一種有效的檢測(cè)手段。目前國內(nèi)在閥門內(nèi)漏聲場(chǎng)特性研究方面剛剛起步，值得一提的是我國學(xué)者在閥門內(nèi)漏實(shí)驗(yàn)和仿真研究方面也取得了一定的成果，戴光等以閘閥為研究對(duì)象，以水為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，對(duì)閘閥內(nèi)漏過程進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。張穎等以Lighthill氣動(dòng)力聲學(xué)方程作為控制方程，采用有限差分法，對(duì)不同內(nèi)漏程度和壓力差下球閥氣體內(nèi)漏噴流聲場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，由于聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)過程便捷、檢測(cè)范圍廣、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此更適用于天然氣管道閥門的內(nèi)漏檢測(cè)。
筆者分別以天然氣管道中常用的球閥和截止閥為研究對(duì)象，運(yùn)用聲發(fā)射理論和信號(hào)分析與處理方法探討不同閥門類型和泄漏率等工況下閥門內(nèi)漏聲音在頻域范圍內(nèi)和時(shí)域范圍內(nèi)聲場(chǎng)特征，針對(duì)閥門發(fā)生內(nèi)漏時(shí)其聲場(chǎng)特征比較復(fù)雜，影響聲發(fā)射信號(hào)的分析與處理等難點(diǎn)問題。采取小波包分析方法對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行降噪處理，表征真實(shí)管道閥門內(nèi)漏聲場(chǎng)特征參數(shù)，為天然氣輸送行業(yè)管道閥門內(nèi)漏檢測(cè)和天然氣管道泄漏檢測(cè)提供理論和技術(shù)支持。
1、球閥內(nèi)漏聲發(fā)射檢測(cè)基本理論
聲發(fā)射現(xiàn)象是指材料中局部區(qū)域應(yīng)力集中，快速釋放并產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象(AcousticEmission，簡(jiǎn)稱AE)。聲發(fā)射信號(hào)攜帶著屬性變性、裂紋擴(kuò)展和斷裂等信息傳播到物體表面，通過安裝在物體表面的聲發(fā)射檢測(cè)儀拾取聲發(fā)射信號(hào)，就可以對(duì)材料應(yīng)力特征進(jìn)行分析。天然氣管道閥門內(nèi)漏過程中產(chǎn)生的聲信號(hào)嚴(yán)格意義上說不是聲發(fā)射現(xiàn)象，閥門在泄漏過程中不會(huì)產(chǎn)生能量，而是作為聲發(fā)射信號(hào)傳播的媒介。然而閥門在內(nèi)漏過程中由于上下壓差的影響在泄漏口處，泄漏氣體會(huì)產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，渦流不僅會(huì)擾動(dòng)氣體流動(dòng)而且會(huì)產(chǎn)生不同頻率范圍的應(yīng)力波，該應(yīng)力波攜帶著泄漏信息傳播到閥門表面。因此閥門內(nèi)漏可以稱之為非嚴(yán)格意義上的聲發(fā)射現(xiàn)象。
球閥泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)在時(shí)域上呈現(xiàn)出一種連續(xù)變化的類型，且伴隨大量的環(huán)境干擾噪聲，可以表征球閥內(nèi)漏特征的聲發(fā)射信號(hào)常常被淹沒在大量的干擾噪聲當(dāng)中。為了從檢測(cè)信號(hào)中提取可以表征球閥內(nèi)漏特征的信息，小波包變換作為有效的信號(hào)處理方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于平穩(wěn)信號(hào)和非平穩(wěn)信號(hào)分析和處理中。小波變換采用二進(jìn)變換的方法對(duì)每一層分解后的高頻段進(jìn)行再分解，彌補(bǔ)了小波變換中高頻段局部性分解差的局限。由于管道泄漏聲發(fā)射信號(hào)為一寬頻信號(hào)，因此采用小波包變換能夠更準(zhǔn)確的提取泄漏源信息。
小波包變換定義為：設(shè){hn｝n∈z是正交尺度函數(shù)μ0(t)=Φ(t)對(duì)應(yīng)的正交低通實(shí)系數(shù)濾波器，{gn｝n∈z是正交小波函數(shù)μ1(t)=φ(t)對(duì)應(yīng)的高通濾波器，其中g(shù)n=(-1)nh1-n，則他們滿足以下二尺度方程和小波方程：
(1)通過μ0、μ1、h、g在固定尺度下可定義一組稱為小波包的函數(shù)。為推廣二尺度方程，定義下列遞推關(guān)系：
(2)式中：當(dāng)n=0時(shí)，μ0(t)=Φ(t)，μ1(t)=φ(t)。以上定義的函數(shù)集合{μn(t)｝m∈z為由μ0(t)=Φ(t)所確定的小波包，由此，小波包{μn(t)｝n∈z是包括尺度函數(shù)μ0(t)和小波母函數(shù)μ1(t)在內(nèi)的一個(gè)具有一定聯(lián)系的函數(shù)集合。
聲發(fā)射傳感器檢測(cè)信號(hào)x(t)在子空間Unj+1上的投影(小波包)系數(shù)可以表示為：
(3)記x(t)在子空間U2nj和U2n+1j上的投影(小波包)系數(shù)分別為d2nj和d2n+1j，則可得：
小波包分解公式為：
(4)小波包重構(gòu)公式為：
(5)閥門內(nèi)漏過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)在時(shí)域范圍內(nèi)呈現(xiàn)出一種連續(xù)變化的類型，為了在時(shí)域范圍內(nèi)了解不同泄漏率下聲場(chǎng)特征，可以采用聲發(fā)射信號(hào)均方根(AERMS)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，例如一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)含有N個(gè)樣本，x[0]，x[1]，…，x[n-1]均方根的方程如下：
(6)同時(shí)通過頻域范圍內(nèi)的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)測(cè)量也可以表征球閥內(nèi)漏特征，例如功率譜密度(PSD)、頻率峰值、主頻率的相位值以及能量所集中的主要部分功率譜密度是指聲發(fā)射信號(hào)功率在頻譜圖上的分布情況，功率譜密度(PSD)可以由下式獲得：
(7)式中，P[k]是功率譜密度，X[k]是一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)的離散傅里葉變換，x[n]和T是樣本和周期。在以前的研究中得出球閥內(nèi)漏信號(hào)的聲功率直接近似等于泄漏信號(hào)的平均能量，這個(gè)關(guān)系可以簡(jiǎn)單的定義為：
(8)聲功率的指數(shù)與內(nèi)漏率的指數(shù)成線性關(guān)系，即：
(9)2、閥門內(nèi)漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)
閥門內(nèi)漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)主要由閥門泄漏平臺(tái)和聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。閥門氣體泄漏實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用氮?dú)馄孔鳛闅庠矗瑴p壓閥范圍為0～2.5MPa，DN50球閥和截止閥為待檢測(cè)對(duì)象，流經(jīng)閥門的氣體體積泄漏率由玻璃浮子流量計(jì)測(cè)量，測(cè)量范圍為0.125～2.5m3/h，準(zhǔn)確度等級(jí)為2.5級(jí)。
圖1 閥門內(nèi)漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)示意圖
聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)包括聲發(fā)射傳感器、信號(hào)放大器、調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集器和電腦存儲(chǔ)器。聲發(fā)射傳感器采用北京華聲科技公司生產(chǎn)SR150N聲發(fā)射傳感器，中心頻率150kHz，工作頻率為22～220kHz，放大器增益為40dB±1dB;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為研華公司的USB-4716，數(shù)據(jù)采樣頻率為200kHz，16bit的A/D轉(zhuǎn)換。
球閥內(nèi)漏檢測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用刀具分別將DN50球閥和截止閥密封圈處進(jìn)行劃傷，劃痕橫截面積為0.5mm×0.5mm，再將待測(cè)球閥和截止閥安裝在管道上。連接球閥內(nèi)漏檢測(cè)系統(tǒng)，然后利用夾具將聲發(fā)射傳感器固定在閥門上。當(dāng)檢測(cè)球閥時(shí)，關(guān)閉球閥，開啟截止閥;檢測(cè)截止閥時(shí)，關(guān)閉截止閥，開啟球閥。
打開氮?dú)馄�，調(diào)節(jié)減壓閥控制球閥兩端壓差，待下游玻璃浮子流量計(jì)浮子穩(wěn)定后記錄閥門泄漏率(分別為0.375，0.500，0.625，…，1.125m3/h)。利用聲發(fā)射傳感器檢測(cè)內(nèi)漏信號(hào)，通過放大器對(duì)微弱的內(nèi)漏信號(hào)進(jìn)行放大，數(shù)據(jù)采集卡將放大后的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)絇C機(jī)上，利用內(nèi)漏檢測(cè)軟件提取信號(hào)的特征值。每組泄漏率下重復(fù)檢測(cè)5組數(shù)據(jù)并求取平均值作為檢測(cè)結(jié)果。
3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
閥門內(nèi)漏過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)在傳播過程中存在著不確定性、突發(fā)瞬態(tài)性、多樣性及環(huán)境噪聲大等特點(diǎn)，導(dǎo)致泄漏聲發(fā)射原始信號(hào)被淹沒在噪聲之中，圖2(a)為球閥泄漏產(chǎn)生的波形，在圖2(a)中很難得到有用信息，需要對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行降噪。采用的小波包降噪選用db4小波基，降噪后的內(nèi)漏信號(hào)如圖2(b)所示。圖2(b)為原始發(fā)射信號(hào)進(jìn)行FFT變換后的頻域波形圖，從圖中可以看出閥門內(nèi)漏過程產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)為一寬頻范圍信號(hào)。
圖2 閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)
將降噪后的信號(hào)進(jìn)行3層小波分解，將頻率為100kHz的信號(hào)分成8個(gè)頻帶，第一個(gè)頻帶[3.0]的頻率范圍為0～12.5kHz，最后一個(gè)頻帶[3.7]的頻率范圍為87.5～100kHz，將分解后的信號(hào)再進(jìn)行單支重構(gòu)，并求其功率譜密度(PSD)，如圖3所示。
圖3 單支信號(hào)功率譜密度
分別對(duì)球閥和截止閥泄漏過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行小波包分解并且進(jìn)行能量分析，對(duì)不同泄漏率(分別為0.375，0.500，0.625，…，1.125m3/h)下聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行三層小波包分解，共分解成8個(gè)頻帶，對(duì)每一個(gè)頻帶上的小波包系數(shù)求取能量，如圖4和圖5所示。從圖4和圖5中可以看出，球閥和截止閥在發(fā)生泄漏過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的能量主要集中在2，3，4，5，6頻帶上，也就是其頻率范圍為12.5～75.0kHz。
圖4 球閥在不同壓差下各頻帶能量分布
圖5 截止閥在不同壓差下各頻帶能量分布
設(shè)置帶通濾波帶通頻率為12.5～75kHz，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)過程，并提取不同泄漏率下聲發(fā)射信號(hào)值，球閥和截止閥內(nèi)漏聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：內(nèi)漏過程產(chǎn)生的噴流與閥壁相互作用而產(chǎn)生高頻應(yīng)力波，該應(yīng)力波強(qiáng)度隨氣體泄漏率增加而增大，但是由于球閥和截止閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，聲發(fā)射信號(hào)從泄漏源傳播到球閥外壁檢測(cè)傳感器探頭過程中傳播路徑和距離不同，信號(hào)的衰減程度也不同，因此在同一泄漏率處兩者的AERMS有所不同。將球閥和截止閥不同泄漏率下檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)AERMS值帶入到等式(9)，計(jì)算求得閥門內(nèi)漏率聲發(fā)射信號(hào)AERMS和體積泄漏率(Q)的雙對(duì)數(shù)關(guān)系曲線longAERMS=blogQ+c，利用Matlab對(duì)二者進(jìn)行擬合(見圖7)，求得球閥和截止閥泄漏過程中雙對(duì)數(shù)系數(shù)為b=0.3443、c=0.916和b=0.3713、c=1.293。從圖7可以看出，2種結(jié)構(gòu)形式的閥門在內(nèi)漏過程中聲發(fā)射信號(hào)隨泄漏率變化規(guī)律基本保持一致，其雙對(duì)數(shù)曲線斜率基本一致，由于2種閥門結(jié)構(gòu)不同，聲發(fā)射信號(hào)在傳播過程中衰減程度不同，導(dǎo)致在同一泄漏率下對(duì)數(shù)值不同。
圖6 聲發(fā)射信號(hào)AERMS與泄漏率對(duì)應(yīng)關(guān)系
圖7 聲發(fā)射信號(hào)AERMS與泄漏率的雙對(duì)數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系
4、結(jié)論
利用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)閥門氣體體積泄漏率檢測(cè)分析表明，閥門內(nèi)漏過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)為一寬頻范圍，球閥和截止閥在密封圈劃傷寬度0.5mm、深度0.5mm時(shí)，其主要能量分布的頻率范圍為12.5～75kHz;泄漏過程中氣體泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)均方根(AERMS)與氣體泄漏率有關(guān)，且隨泄漏率增大而增大;通過實(shí)驗(yàn)研究確定DN50球閥和截止閥密封圈處發(fā)生內(nèi)漏時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)值與內(nèi)漏率的雙對(duì)數(shù)關(guān)系logAERMS=blogQ+c中系數(shù)分別為：b=0.3443、c=0.916和b=0.3713、c=1.293，因此可以采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)閥門內(nèi)漏進(jìn)行無損檢測(cè)。
在分析閥門內(nèi)漏過程中氣體體積泄漏率與聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)均方根(AERMS)函數(shù)關(guān)系時(shí)，選取了有代表性的球閥和截止閥作為研究對(duì)象，由于不同種類閥門結(jié)構(gòu)不同，在一定程度上不能完全分析出其對(duì)應(yīng)關(guān)系，故在以后的工作中選取更多的閥門如閘閥、針閥等作為研究對(duì)象，以便使分析結(jié)果更為準(zhǔn)確。
