船用管道及閥門狀態(tài)的聲發(fā)射監(jiān)測

張彥敏，駱立強

(1.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064;2.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

船用管道及閥門狀態(tài)的聲發(fā)射監(jiān)測

張彥敏1，駱立強2

(1.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064;2.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

基于艦船內部管道、閥門由于泄漏或者打開關閉時由各種原因所產生的聲發(fā)射(AE)信號的特征分析，論述了針對管道、閥門狀態(tài)聲發(fā)射監(jiān)測方法及試驗研究。介紹了一種安裝在船用管道或閥門上的聲發(fā)射監(jiān)測技術和設備，它可以實現(xiàn)對關鍵管道、閥門工作和運行狀態(tài)，特別是針對一些高溫、輻射、偏遠部位的管道、閥門的遠程、實時、無損監(jiān)測。

船用管道、閥門;聲發(fā)射;試驗研究;狀態(tài)監(jiān)測

0 引言

大型船舶及艦艇上的管道縱橫交錯，綿延數(shù)千米，閥門有成百上千個，只有少數(shù)管道、閥門(如核級、蒸汽等)位于最危險、最不易接近的位置。而這些管道及閥門的狀態(tài)都是動力系統(tǒng)安全運行的基礎。

當前，艦艇對內部系統(tǒng)的安全性、可靠性、智能化有了更高的要求，管道泄漏、閥門的狀態(tài)檢測更加受到關注。本文基于管道、閥門泄漏或閥門啟閉時由各種原因所引發(fā)的聲發(fā)射信號，論述了針對管道、閥門狀態(tài)的聲發(fā)射檢測方法及試驗研究。

1 管道、閥門狀態(tài)的聲發(fā)射監(jiān)測原理

1.1 聲發(fā)射技術的定義

材料中局域源快速釋放能量產生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(AE)［1］。借助靈敏的傳感器檢測，并用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術稱為聲發(fā)射技術。

管道、閥門泄漏所產生的聲發(fā)射信號是廣義聲發(fā)射信號，管壁或閥門本身不釋放能量，而只是作為一種傳播介質，利用聲發(fā)射探頭拾取沿管壁傳播并攜帶泄漏源信息的應力波，對此分析處理，獲得管道、閥門的泄漏信息，實現(xiàn)聲發(fā)射監(jiān)測的目的。

1.2 管道、閥門狀態(tài)的監(jiān)測原理

管道、閥門泄漏聲發(fā)射信號主要來自3種聲源:①氣或水經縫隙噴射而出，高壓射流與泄漏孔壁作用，泄漏點產生聲發(fā)射信號;② 氣或水高速流出內露孔，沖擊閥門后方管道壁產生聲發(fā)射信號;③ 氣或水從閥門上游到下游是層流到湍流的過程，閥門下游產生白噪聲。泄漏產生的聲發(fā)射信號為連續(xù)型信號，所激發(fā)應力波頻率范圍非常寬，既有聲頻，又有超聲頻［2］，且泄漏信號頻帶隨介質、壓力、閥門類型、孔洞尺寸形狀及泄漏量而變化。將傳感器置于閥門、泄漏孔上下游或閥體上，便可檢測出管道、閥門泄漏與否及泄漏程度或者閥門的狀態(tài)。

1.3 聲發(fā)射狀態(tài)監(jiān)測技術的優(yōu)點

1)聲發(fā)射是一種動態(tài)無損檢驗方法，聲發(fā)射探測到的能量來自被測閥門自身的主動發(fā)射;

2)探測和評價管道、閥門的活性缺陷狀態(tài)，對幾何形狀不敏感，不影響管道、閥門完整性;

3)提供管道、閥門隨載荷、時間等變化的連續(xù)信息，適用于在線監(jiān)控及早期、臨近破壞預報;

4)對管道、閥門的接近要求不高，適用于難于或不能接近狀況下的檢測，如高溫、輻射等環(huán)境;

5)在役檢驗，工作無中斷，檢測快捷、經濟。

2 船用管道、閥門的聲發(fā)射監(jiān)測試驗

2.1 管道、閥門聲發(fā)射監(jiān)測試驗系統(tǒng)搭建

管道、閥門的聲發(fā)射狀態(tài)監(jiān)測試驗系統(tǒng)包括:①受監(jiān)測試驗裝置及附件;② 監(jiān)測設備(傳感器及波導桿、聲發(fā)射監(jiān)測儀等);③試驗輔助裝置(飽和蒸汽、排氣系統(tǒng)等)。試驗裝置包括手動閥門、泄漏閥門、管道等;管道介質有水、蒸汽;管道尺寸為 φ32 mm×2.5 mm;泄漏孔徑為1 mm。

2.2 聲發(fā)射試驗監(jiān)測設備及選型

1)波導桿與管道材料相同。在不致信號嚴重衰減情況下，加長波導桿使末端溫度降至要求范圍內。

2)聲發(fā)射監(jiān)測儀，采用美國物理聲學公司SAMOS PCI－8系統(tǒng)與管道泄漏檢測專家系統(tǒng)VPAC。分別采用62 kHz與150 kHz(數(shù)據未論述)高靈敏度探頭進行對比檢測分析，前置放大器增益設置為40 dB。

3 管道、閥門狀態(tài)的聲發(fā)射監(jiān)測方法

3.1 試驗準備

首先了解被檢測構件、信號的特征。泄漏信號是連續(xù)型聲發(fā)射信號，中心頻率約為40 kHz;然后進行耦合性斷鉛試驗。驗證傳感器與波導桿、波導桿與管道、閥體及法蘭焊接、耦合良好性。

3.2 閥門泄漏的試驗監(jiān)測方法

閥門必須泄漏時才能檢出聲發(fā)射信號［4］。

1)無泄漏狀態(tài)信號監(jiān)測(背景噪聲檢測)

監(jiān)測閥門2上下游傳感器的聲發(fā)射信號。將待檢測閥門2關閉，而閥門2前端的所有的通路打開，此時待檢閥門上游有壓力，而下游無壓力，聲發(fā)射監(jiān)測儀監(jiān)測判定無泄漏所引起聲發(fā)射信號。

2)管道、閥門模擬泄漏的聲發(fā)射監(jiān)測

模擬閥門泄漏，由于閥門前后壓差產生聲發(fā)射信號。通過閥門上下游傳感器監(jiān)測閥門泄漏情況。而將管道泄漏孔打開監(jiān)測管道泄漏的聲發(fā)射信。

圖4 0.5 MPa閥門閥體聲發(fā)射檢測圖(幅值/時間)Fig.4 AE detection sketch of valves underwater 0.5 MPa(Amplitude/time)

通過試驗模擬泄漏聲發(fā)射信號的幅值、能量、ASL及頻譜隨壓力(0.1/0.5/1.0 MPa)的變化關系。

3)模擬閥門開啟、關閉時的聲發(fā)射監(jiān)測

閥門在開啟、關閉過程中，由于從高壓向低壓或者從對氣、水流的阻滯向導通轉換，對閥體、管壁產生流沖擊、湍流、擾流，多方作用引起廣義上的聲發(fā)射信號。通過聲發(fā)射監(jiān)測判定閥門的狀態(tài)。

4 閥門狀態(tài)的聲發(fā)射檢測結果

4.1 背景及流體噪聲檢測

試驗過程如圖4(a)所示:① 閥門1打開/閥門2關閉，傳感器1接收到信號幅值最高達到31 dB，且處于平穩(wěn)階段(無流體噪聲);② 打開閥門2后，流體開始流動，產生高幅值(60～75 dB)、高能量信號(5000～20000);③隨著時間延長，流體流動趨于平穩(wěn)，信號幅值與能量保持在一定水平(幅值為58～65 dB，能量為8000～14000);④ 當關閉閥門2后，信號幅值與能量呈下降趨勢并最終達到平穩(wěn)狀態(tài)。

圖5為能量對時間的表征向量圖，圖6為ASL對時間的表征向量圖，反映流體狀態(tài)的變化狀況。ASL為信號平均電平，用以表征采樣時間內信號電平的均值，主要用于連續(xù)性聲發(fā)射活動性評價。

4.2 泄漏狀態(tài)下聲發(fā)射檢測

圖1中，管道上鉆有1 mm直徑的小孔，進行泄漏模擬，小孔距離傳感器1約100 mm。

試驗過程如圖4(b)和圖6所示。打開閥門1，流體產生泄漏，此時的聲發(fā)射信號處于泄漏突發(fā)階段，信號不平穩(wěn)，信號幅值較為分散，最高達到滿幅值。隨著時間的推移，泄漏狀態(tài)平穩(wěn)，信號幅值維持在70～80 dB之間。外加干擾信號后，信號幅值明顯高于泄漏信號，泄漏信號處于淹沒狀態(tài)。去除干擾并打開閥門2，使得流體開始流動，此時信號趨于平穩(wěn)。第2次外加信號同上分析。最后，當閥門1關閉后，由于流體壓力的滯后效應，信號并沒有立刻消失，而是逐漸減少，衰減過程持續(xù)5 s左右，最后趨于結束。圖4(b)和圖6(b)分別為管道泄漏信號幅值－時間參數(shù)圖和ASL－時間間參數(shù)圖，很好地反映了泄漏過程的各種干擾階段:通過圖4(b)、圖6(b)可以明顯看出當泄漏產生時有明顯的聲發(fā)射信號的躍變，泄漏信號的幅值原高于背景信號，泄漏信號相對于外界干擾(主要是機械干擾)來說其頻率更高，能量更加集中(如圖4(b)的雜散干擾)。

4.3 泄漏源的定位

一般連續(xù)型聲發(fā)射信號的定位采用基于信號幅值衰減的定位方法和互相關定位方法。

1)基于信號幅值衰減的定位方法。該方法首先要知道信號在被檢測構件中的衰減特性，其次所有傳感器的靈敏度要調節(jié)到一致。

信號幅值衰減定位方法的一般步驟如下:首先通過傳感器陣列找出輸出最大的和第二大的傳感器(如圖1中的傳感器1和傳感器2)，這2個傳感器距離泄漏源最近;其次觀察2個傳感器輸出的不同處;再次畫出2個傳感器之間的信號衰減曲線;最后基于傳感器輸出的不同，根據信號衰減曲線定位泄漏源。

2)信號的互相關定位方法。互相關技術是一種更為先進的泄漏定位技術，它可以確定信號到達不同傳感器的時間差。

4.4 采用VPAC對閥門泄漏的定性分析

閥門泄漏的聲發(fā)射檢測也可以采用閥門聲發(fā)射監(jiān)測的專家系統(tǒng)實現(xiàn)，在此試驗中我們也同時使用了美國物理聲學公司的VPAC進行了定性分析。

表1 VPACK檢測閥門泄漏的定性分析Tab.1 Qualitative analysis when use VPACK for valve leak detection

當閥門有泄漏時，閥體聲發(fā)射信號上游比下游高，可定性判斷閥門是否有泄漏。在閥門關緊的情況下，兩閥上游的幅值最高，閥本體和下游幅值基本相同，這說明閥本身沒有泄漏。略微擰開閥門，幅值分布發(fā)生變化，閥本體幅值最高，而上游和下游基本相同，檢測結果與實驗條件相符。

4.5 關于閥門開度狀態(tài)的監(jiān)測

聲發(fā)射傳感器的時間常數(shù)(反應時間)的階數(shù)為10－6s，遠比其他的傳感器要小得多，這樣，利用聲發(fā)射技術可以以極高的靈敏度跟蹤、監(jiān)測船用閥門的安全運行［6］。如圖7所示，在閥門的打開、關閉的瞬間，聲發(fā)射系統(tǒng)將可以瞬間監(jiān)測到船用閥門聲發(fā)射水平的聲源級的階越(非常陡)，可以實現(xiàn)對船用閥門工況狀態(tài)的無延時、無故障的監(jiān)測，即使是閥門的打開狀態(tài)極短。利用此原理，可以將聲發(fā)射技術應用到船用安全閥的狀態(tài)及開度監(jiān)測中。

圖7 聲發(fā)射與其他手段的閥門檢測對比Fig.7 Contrast of AE and other instrument for valve

5 結語

本文通過理論研究和試驗驗證，論述了聲發(fā)射檢測技術在船用管道、閥門實時狀態(tài)監(jiān)控中應用的可行性和有效性。利用聲發(fā)射技術較好地監(jiān)測艦艇內部不易接近觀察的管道、閥門在各種復雜情況下的信號變化特征，得到聲發(fā)射信號在不同試驗過程中的變化趨勢。

聲發(fā)射在船用領域的應用也需要大量的基礎工作，如長時間連續(xù)的聲發(fā)射檢測從而獲得管道、閥門不同工況下的聲發(fā)射信號，主要是將艦艇相關部位的振動、傳導等噪聲源進行摸底，摸清不同泄漏狀態(tài)下的艦艇管道、閥門的聲發(fā)射信號特征從而經過長期積累建立艦艇管道及閥門的聲發(fā)射監(jiān)測專家系統(tǒng)，從而實施對異常狀況進行確認。經過長時間理論與相關的艦艇應用的結合，聲發(fā)射技術定將在船用管道、閥門的狀態(tài)監(jiān)測領域得到廣泛應用，進一步保障艦艇的動力系統(tǒng)的安全。

［1］王祖蔭.聲發(fā)射技術基礎［M］.濟南:山東科學技術出版社，1990.

［2］石志標，陳向偉，張學軍.聲發(fā)射技術在閥門檢漏中的應用［J］.無損檢測，2004，26(8):391 －401.

［3］張穎，戴光，韓波，等.利用聲學檢測方法估算氣體閥門的內漏率［J］.大慶石油學院學報，2005，29(4):79－82.

［4］張艾萍，金建國.聲發(fā)射檢漏儀在閥門密封性檢驗中的應用［J］.閥門，2002，(4):39 －41.

［5］李善春，郭福平，王為松.壓力管道泄漏聲發(fā)射監(jiān)測試驗研究［J］.無損檢測，2007，29(2):74 －79.

［6］MCSHANE J L，BORO C.System and method for valve monitoring using pipe-mounted ultrasonic transducers［P］.United States Patent:US005115672A，1992 －5 －26.

Monitoring for marine pipes and valves using acoustic emission

ZHANG Yan-min，LUO Li-qiang
(1.Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China;2.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China)

Based on the AE signal character because of the marine pipes and valves'leak and the open and close movement，this paper discourses upon the status surveillance method and the experimentation and research of AE for the marine pipes and valves.This paper introduces AE surveillance technology，in which transducers were fixed on the pipes or valves，thus in virtue of it we can realize the status of key valves'work and functions，realize the long-distance and real time and lossless and continual surveillance，especially for some key pipes and valves.

marine pipes and valves;acoustic emission;experimentation and research;status surveillance

TGl15.28

A

1672－7649(2011)12－0072－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.12.016

2010－10－11;

2011－02－14

張彥敏(1980－)，男，工程師，研究方向為水聲電子工程。