應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究地面儲(chǔ)罐罐底聲發(fā)射檢測(cè)中滲漏信號(hào)與腐蝕信號(hào)的差異

編譯:常向東 趙麗新 (后勤工程學(xué)院軍事供油工程系)

審校:李發(fā)榮 (大慶油田工程有限公司)

應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究地面儲(chǔ)罐罐底聲發(fā)射檢測(cè)中滲漏信號(hào)與腐蝕信號(hào)的差異

編譯:常向東 趙麗新 (后勤工程學(xué)院軍事供油工程系)

審校:李發(fā)榮 (大慶油田工程有限公司)

聲發(fā)射技術(shù)是地面儲(chǔ)油罐罐底檢測(cè)的良好方法,可作為一種預(yù)防性工具,能有效確定地面儲(chǔ)罐的維修時(shí)間。而對(duì)某些高敏感性物的檢測(cè),更能體現(xiàn)出它的這種性能。在實(shí)驗(yàn)室建起一個(gè)小型仿真油罐,用來模擬各種相似工況。實(shí)驗(yàn)提供了大量數(shù)據(jù)以及判別聲波信號(hào)的方法。做了油罐腐蝕的模擬實(shí)驗(yàn)。在煉油廠地面儲(chǔ)油罐上安裝的聲發(fā)射器用來收集數(shù)據(jù),并與從實(shí)驗(yàn)室中獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合分析以區(qū)別出滲漏和腐蝕信號(hào)的不同之處。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)被測(cè)油罐進(jìn)行了分類。

地面儲(chǔ)油罐 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 腐蝕滲漏 聲發(fā)射檢測(cè)

1 引言

為加強(qiáng)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用,人們做了大量的研究。高壓容器、管道、反應(yīng)器、地面儲(chǔ)油罐、換熱器、棧橋等多種工業(yè)設(shè)備或設(shè)施都可以利用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。聲發(fā)射技術(shù)在儲(chǔ)油罐罐底檢測(cè)中的應(yīng)用是在20世紀(jì)80年代后期由英國佛利煉油廠首次提出并加以討論的。隨后,英國和德國的20家公司組成了一個(gè)研究小組,在煉油廠的不同設(shè)備或設(shè)施上進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)并加以研究。從此,這個(gè)研究小組相繼研究出多達(dá)500余種聲發(fā)射技術(shù)。

上世紀(jì)90年代,另一個(gè)由Erick G.Eckert領(lǐng)導(dǎo)的研究小組重復(fù)進(jìn)行了聲發(fā)射技術(shù)的部分測(cè)試,用來規(guī)范使用規(guī)則。美國石油組織隨后也根據(jù)其工程項(xiàng)目先后在得克薩斯州的三個(gè)煉油廠的地面儲(chǔ)罐上進(jìn)行了類似的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果以數(shù)篇技術(shù)報(bào)道的形式發(fā)表,其中包含著分析和改進(jìn)建議。

在歐洲,歐共體在地面儲(chǔ)油罐上也做了相關(guān)檢測(cè),用來及時(shí)發(fā)現(xiàn)罐底的滲漏和腐蝕。利用場(chǎng)頻程序技術(shù)來區(qū)別不同聲音信號(hào)、波源以及類型。在歐共體的研究中,數(shù)據(jù)被提取以辨別能標(biāo)示腐蝕和滲漏部位的信號(hào)。通過更換含有1～3 mm不同直徑孔的油罐底板來進(jìn)行油罐滲漏測(cè)試。

專家們用特性曲線判別法來區(qū)分不同信號(hào)。其首要目的是將信號(hào)加以歸類以滿足不同用途。Mao在他的一篇論文中首次全面而細(xì)致地闡述和討論了這種方法。

Mao的研究目的是為了將成熟科學(xué)理論和實(shí)際應(yīng)用前景做一個(gè)概括性的比較。關(guān)于特性曲線判別法的科學(xué)性和實(shí)用性的報(bào)道很多,這也證明了它的重要性。部分使用方法通過模擬人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加以應(yīng)用,其中“前饋”法更是被用來區(qū)分不同的信號(hào)。

近年來,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)日益受到重視并被認(rèn)為是進(jìn)行信號(hào)處理和分類的強(qiáng)有力工具。Baily和Mathew利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了一個(gè)用于診斷滾珠缺陷的模型。同樣基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),Tadej Kosel發(fā)明了聲發(fā)射的智能探測(cè)源。他的理論建立在實(shí)驗(yàn)室專業(yè)資料基礎(chǔ)上。實(shí)驗(yàn)中,Kosel對(duì)數(shù)種信號(hào)進(jìn)行了處理。這項(xiàng)研究的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)就是明確了信號(hào)的特征性質(zhì)。他指出,當(dāng)不同的源發(fā)射信號(hào)時(shí),不同模式的信號(hào)產(chǎn)生交叉。Kosel以此申請(qǐng)了一個(gè)代碼為“BSS13”的專項(xiàng)分析方法。

2 研究方法

從以往的研究情況來看,這項(xiàng)研究有兩種方法:第一種研究方式是像AEDSP32/15涉及的那樣通過實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù);另一種則是用實(shí)際可行的機(jī)械儀器在德黑蘭煉油廠的地面儲(chǔ)罐上進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量。

通過第一種即實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的方法,必須解決以下問題:

◇如何在容器無滲漏的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以便在實(shí)際類似情況下能檢測(cè)到干擾型聲音信號(hào)?

◇如何根據(jù)滲漏的不同程度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?

◇如何確定傳感器的位置?

◇如何根據(jù)不同直徑安裝噴嘴,以便能根據(jù)不同直徑的噴嘴來對(duì)不同滲漏情況進(jìn)行比較分析?

研究者們用于這項(xiàng)研究的測(cè)量設(shè)備包括:一個(gè)滲漏的液體 (水)容器、傳感系統(tǒng)、聲發(fā)射傳感系統(tǒng)。各部分之間的關(guān)系見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)室中聲發(fā)射系統(tǒng)各部分裝置

試驗(yàn)容器高1.6 m、直徑4 m、壁厚6.5 mm。實(shí)驗(yàn)者根據(jù)DIN2391/C標(biāo)準(zhǔn)用3304號(hào)鋼 (AISI/ SAE標(biāo)準(zhǔn))制成了這個(gè)圓柱型容器,其底板有依照實(shí)驗(yàn)需要而設(shè)計(jì)的滲漏孔。制造這個(gè)容器最重要的一點(diǎn)是如何掌握底板上的小孔直徑以滿足設(shè)計(jì)滲漏需求。為達(dá)到這個(gè)要求,在長(zhǎng)度為2 cm的鋼螺釘上鉆了不同直徑的小孔,并通過更換這些螺釘來改變滲漏直徑。小孔的基本構(gòu)造見圖2。

圖2 聲發(fā)射 (AE)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的滲漏管嘴

在從油罐外底接入上述螺釘時(shí)并不使用墊圈,是為了防止墊圈可能對(duì)信號(hào)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。為解決這一矛盾,實(shí)驗(yàn)者在容器底部焊上一個(gè)螺帽:為不影響實(shí)驗(yàn),螺帽恰好嵌在底板中而不外露。隨后,螺帽中就可以裝上含有不同孔徑的螺釘。滲漏孔是用激光制作的。

實(shí)驗(yàn)室中使用了4個(gè)型號(hào)的管嘴用于滲漏測(cè)試。這四種管嘴的直徑分別為1、1.5、2、3 mm。首先進(jìn)行的是無滲漏情況下的信號(hào)測(cè)試,這種情況下測(cè)到的信號(hào)均為干擾信號(hào) (機(jī)械、電等方面)。這一階段的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴谷藗兦宄鴾?zhǔn)確地辨別出實(shí)際中存在的干擾信號(hào)。通過控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),便可以得到排除實(shí)際滲漏檢測(cè)中干擾信號(hào)的方法。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)是在有準(zhǔn)確的傳感器系統(tǒng)情況下進(jìn)行的。每輪實(shí)驗(yàn)的前20 s設(shè)定為無滲漏狀態(tài)。操作人員在第21 s時(shí)打開滲漏孔,使其瞬間產(chǎn)生滲漏,并由此開始記錄數(shù)據(jù)。

每輪實(shí)驗(yàn)時(shí)間雖然因滲漏管嘴直徑不同而有所改變,但總體都在2 min左右。然而,由上述可知,每輪實(shí)驗(yàn)的后100 s測(cè)得的數(shù)據(jù)才是有效數(shù)據(jù)。在總共4個(gè)型號(hào)的管嘴實(shí)驗(yàn)下,每次距滲漏點(diǎn)分別為20、60、100 cm處都各做了兩次聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

數(shù)據(jù)的收集和記錄工作也是依照AEDSP32/15標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。一些腐蝕性金屬如鋼板以及純度超過99.6%的銅被制成標(biāo)準(zhǔn)樣品用于實(shí)驗(yàn)。每塊樣品為2 mm×15 cm×15 cm。

這些樣品被用作實(shí)驗(yàn)中電化學(xué)腐蝕部分的電偶極子,用以檢測(cè)腐蝕信號(hào)。為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,所有樣品均用丙酮進(jìn)行了脫脂清潔處理。實(shí)驗(yàn)中所用的腐蝕物均為氯化酰。另外,為加快腐蝕過程,陰陽極之間被通以電流。

為明確樣品在腐蝕過程中所損失的質(zhì)量,所有樣品在放入溶劑的前后均用超高精度天平 (可精確到0.000 01 g)進(jìn)行稱量。實(shí)驗(yàn)中,由于溶劑濃度會(huì)影響腐蝕量,所以必須確定金屬受腐蝕的表面。基于這種考慮,所有暴露在溶劑中的表面都被確定并保持原樣,而在空氣中的面則被涂以某種聚合泡沫材料以防止腐蝕 (圖3)。暴露在空氣中的面能順利地向聲波傳感器傳遞信息。鋼和銅組成的陰陽電極則被非金屬夾固定在溶劑中。實(shí)驗(yàn)中要保證電極間無金屬性接觸,各儀器正常工作,且實(shí)驗(yàn)中不出現(xiàn)震動(dòng)或搖擺的情況。

圖3 實(shí)驗(yàn)塊結(jié)構(gòu)

電流的接通能保證反應(yīng)的正常進(jìn)行。正因如此,實(shí)驗(yàn)者用夾子夾住電極,并將用于通電的金屬絲焊在夾子上,以保證各部分接觸良好。為保證傳感器與試驗(yàn)樣品的良好接觸,操作人員使用了動(dòng)物油脂進(jìn)行粘接,同時(shí)這也避免了二者之間存在殘留空氣。樣品與電腦之間用單個(gè)傳感器連接起來。這主要是為了防止傳感器處理器同時(shí)接入兩個(gè)信號(hào)。鑒于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的電流有可能損壞電腦硬件,所以每次只使用一個(gè)傳感器。

實(shí)驗(yàn)中所有有關(guān)數(shù)據(jù)記錄的工作都是按照AEDSP32/15標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行的。電腦軟、硬件上使用的調(diào)節(jié)器規(guī)格如下:

◇前端揚(yáng)聲器:60 dB

在多方共同努力下，云南省小微企業(yè)融資難題得到有效改善，單戶授信500萬元以下的小微企業(yè)貸款明顯增長(zhǎng)，云南省小微企業(yè)貸款持續(xù)增長(zhǎng)，截至9月末，單戶授信500萬元以下的小微型企業(yè)貸款余額203.05億元，較年初新增7.6億元，同比增長(zhǎng)11.2%，漲幅較二季度末擴(kuò)大7.1個(gè)百分點(diǎn)。小微企業(yè)貸款利率有所下降，第三季度，云南省累計(jì)發(fā)放小微型企業(yè)貸款426.95億元，貸款加權(quán)平均利率6.127%，利率較二季度下降0.026個(gè)百分點(diǎn)。

◇雜音最低分辨大小:30 dB

◇揚(yáng)聲器:60 dB

◇取樣頻率:4 MHz

◇最低通過值:100 kHz

◇最高通過值:400 kHz

研究的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量部分是在煉油廠里儲(chǔ)存原油的地面儲(chǔ)罐上進(jìn)行的。研究人員將一種36通道的聲發(fā)射檢測(cè)儀安裝在直徑分別為36、38、45 m的油罐上。其主要實(shí)驗(yàn)步驟如下:

◇在儲(chǔ)油罐上進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn);

◇數(shù)據(jù)的整理、分析及實(shí)驗(yàn)報(bào)告準(zhǔn)備工作。

油罐上的所有檢測(cè)工作都是依據(jù)ASTME-121標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。油罐的直徑以及每個(gè)傳感器的傳感覆蓋能力決定了實(shí)驗(yàn)中傳感器個(gè)數(shù)。所以,傳感器的安裝距離也是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一個(gè)因素,這里定為15 m。例如,直徑為38 m的油罐上需安裝8個(gè)傳感器,這是因?yàn)橛凸拗荛L(zhǎng)為38×3.14=119.34 m,再除以15就約等于8。研究人員事先讓德黑蘭煉油廠以及其他部分商業(yè)公司的維修人員安裝了傳感器。

傳感器安裝時(shí)為等距離 (15 m)且高出罐底面1 m,以便能夠獲得正確的分析數(shù)據(jù)。根據(jù)之前的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),也有人建議在此排傳感器上方1.5 m處再另裝一排,此排傳感器用于獲取罐內(nèi)液面上數(shù)據(jù)。罐頂上滴落的凝聚液也能產(chǎn)生干擾信號(hào)并對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響。此時(shí),上面一排傳感器能夠收集到液面上的信號(hào),只要排除這部分干擾信號(hào)便能使檢測(cè)更加精確。

實(shí)驗(yàn)前還必須先考慮到另一些重要因素,其中一點(diǎn)就是要關(guān)閉實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所工作的回轉(zhuǎn)機(jī)械。在正式實(shí)驗(yàn)前24 h必須關(guān)閉油罐所有出入接口,以便介質(zhì)達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的穩(wěn)定狀態(tài)。另外,油罐周圍的泵及其他機(jī)械也要關(guān)閉。最后,在實(shí)驗(yàn)前再用一個(gè)微音測(cè)量?jī)x檢查一下油罐周圍是否還存在干擾信號(hào)。這種便攜式檢測(cè)裝置配備有監(jiān)聽器和頭掛聽筒,能夠檢測(cè)到連續(xù)或間斷的頻率從20 kHz到100 kHz的聲音信號(hào),它能測(cè)到油罐滲漏甚至是腐蝕的聲音。

3 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用電腦識(shí)別程序?qū)悠返淖畛跣盘?hào)進(jìn)行分類。這個(gè)程序是在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (ANN)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)的。研究中優(yōu)先使用ANN技術(shù)最重要的原因是利用它強(qiáng)大的知識(shí)庫能很好地分析出入接口數(shù)據(jù)間的非線性關(guān)系。另外,這種網(wǎng)狀系統(tǒng)能很好地適應(yīng)各種數(shù)據(jù)。問題被簡(jiǎn)單歸為4個(gè)控制因子,然后用MATLAB軟件進(jìn)行模擬分析和編程設(shè)計(jì)。這些主要影響因子可組成一個(gè)1×4矩陣。它們是振幅、持續(xù)時(shí)間、脈沖前沿和頻率。

表1 程序輸出端代碼所表示的信號(hào)類型

被定義為一個(gè)2×1矩陣,分別用01、10、11、00這4個(gè)兩位二進(jìn)制數(shù)來表示4種狀態(tài)。這4種狀態(tài)表現(xiàn)為4種不同的信號(hào)。研究人員首先將實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)加以歸類,隨后用網(wǎng)絡(luò)識(shí)別程序進(jìn)行分析。表1說明了實(shí)驗(yàn)出口數(shù)據(jù)的種類。表中第一到第三行數(shù)據(jù)表示實(shí)驗(yàn)中獲得的代表腐蝕的數(shù)據(jù),而第四行的代碼“11”所包含的數(shù)據(jù)則代表了滲漏狀態(tài)。用于判別這4種狀態(tài)的程序具有很高的靈敏度。研究使用的網(wǎng)狀系統(tǒng)為4─15─15─2系列并具有兩個(gè)隱蔽層。使用這一系列的原因是四迭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層 (連接出入口)更能有效分析信號(hào)種類。15條件下的隱蔽層能在最短時(shí)間內(nèi)提供實(shí)驗(yàn)所需的最佳答案。設(shè)計(jì)這種網(wǎng)絡(luò)層往往只需最少的可能時(shí)間。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中使用的是rp訓(xùn)練法。這種方法通常用來進(jìn)行分類工作。研究中所有分析識(shí)別工作都是用MATLAB軟件和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱完成的。對(duì)于某個(gè)問題想找出能最快得到相關(guān)分析結(jié)果的方法是相當(dāng)困難的。眾多因素如問題中錯(cuò)綜復(fù)雜的數(shù)據(jù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的權(quán)數(shù)以及可接受的誤差范圍都左右著實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這一階段實(shí)驗(yàn)的允許誤差范圍被定為0.001(圖4)。誤差定得越小,實(shí)驗(yàn)結(jié)果越精確。定義誤差范圍的意義是,當(dāng)精確度達(dá)到此值時(shí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)停止循環(huán)分析。例如,在分析一部分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí),在循環(huán)380次之后達(dá)到了0.001的精確度。圖4簡(jiǎn)單說明了這個(gè)實(shí)例。

圖4 利用ANN系統(tǒng)分析均方誤差

4 結(jié)論

油罐相關(guān)數(shù)據(jù)的電腦程序輸出結(jié)果如表2所示。由于這項(xiàng)研究的主要目的是區(qū)分滲漏信號(hào)和腐蝕信號(hào)的不同,所以到此研究基本完成。可見,電腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序系統(tǒng)可以很好地解決非線性問題。研究中數(shù)據(jù)的收集工作都是利用4─15─15─2型號(hào)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來完成的。MATLAB軟件用來配合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行工作。地面儲(chǔ)罐上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為:只有百分之一的信號(hào)顯示油罐處于滲漏狀態(tài)。這表明油罐處在一個(gè)安全的工作狀態(tài)下,發(fā)生滲漏的可能性很小。

表2 電腦歸類結(jié)果的百分比

聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)受雜音影響很大。雨、雪、風(fēng)、罐內(nèi)蒸凝液的滴落、油罐周圍的聲音,以及實(shí)驗(yàn)地區(qū)附近機(jī)器工作的聲音都會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐腁E實(shí)驗(yàn)造成干擾信號(hào)。研究過程中要想出各種應(yīng)對(duì)措施。也正因此,實(shí)驗(yàn)室中就盡量避免了大的干擾信號(hào)。在實(shí)際儲(chǔ)罐上的AE實(shí)驗(yàn)中,研究者們采取了以下措施來減少干擾信號(hào):

◇實(shí)驗(yàn)在晚上進(jìn)行以消除太陽光線及熱膨脹的影響。

◇在正式實(shí)驗(yàn)前24 h關(guān)閉油罐所有出入接口以及泵和其他機(jī)械設(shè)備,便于介質(zhì)在實(shí)驗(yàn)時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

◇相關(guān)資料表明,低頻率時(shí)雜音對(duì)AE實(shí)驗(yàn)的影響最小,所以研究中將電流頻率范圍定為20～50 kHz。

◇每次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)收集時(shí)間大約為1 h,用以發(fā)現(xiàn)有可能存在的特殊或凌亂的干擾信號(hào)。

◇由于一般情況下干擾信號(hào)比正常信號(hào)弱,所以通過設(shè)定信號(hào)強(qiáng)度的收集起點(diǎn),可以極大地降低干擾信號(hào)的影響。

資料來源于俄羅斯《無損檢測(cè)》2008 No.6

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.7.015

2009-04-16)