夾套式反應器內管泄漏聲發射檢測

劉延軍，戴 光，王 瓊，龍飛飛

（1.東北石油大學 機械科學與工程學院，大慶 163318；2.中國石油化工股份有限公司 青島安全工程研究院，青島 266071）

夾套反應器長期工作于高溫高壓以及腐蝕性介質的工作環境中，很容易發生泄漏事故，聲發射檢測為防止此類事故發生提供了比較精確的檢測方法。由于聲發射檢測相對于其他傳統檢測方法有著極大的優勢，所以在工業生產中發揮著越來越重要的作用。筆者對夾套反應器內管泄漏的聲發射檢測進行了系列試驗［1］。

1 夾套式反應器內管泄漏聲發射檢測試驗系統

圖1為試驗系統。夾套管由7m 長內管和6m長外管用法蘭連接而成，管外徑分別為40mm和90mm，壁厚均為6mm。在內管上開一個1mm 的泄漏孔，將內外管通過法蘭連接，內管上安裝一個壓力表。采用美國PAC公司的8通道數字式聲發射檢測系統，選用R3α傳感器（PAC，USA），1 220A 前置放大器。

圖1 夾套式反應器聲發射檢測試驗系統

2 試驗過程

對夾套反應器通過氣泵加壓至0.12MPa，關閉氣泵以及反應器所有閥門，通過觀察夾套反應器內管、外管壓力變化檢驗反應器的密封情況。

將夾套反應器的表面拋光處理，作為聲發射傳感器的檢測位置。在預留的傳感器位置貼上聲發射檢測傳感器，對夾套反應器上各個傳感器進行斷鉛試驗，以確定傳感器正常工作。

用氣泵對內管加壓至0.12 MPa，每隔30s記錄夾套反應器外管、內管以及氣泵壓力。關閉氣泵以及夾套反應器各處閥門，對內夾套泄漏孔處的氣體泄漏進行聲發射檢測試驗，每隔30s記錄夾套反應器內管、外管壓力，此過程持續至內夾套壓力降低為零，記錄夾套反應器內管氣壓歸零的時間，并采集一組數據。

3 試驗數據處理與分析

3.1 夾套結構聲源衰減特性衰減特性試驗

在內管上布置一個傳感器1號，在內管外套一個規格為φ90mm×500mm 的套管，1號傳感器位于套管正中間，在套管上布置一個傳感器2 號。φ0.5mm的HB鉛筆芯折斷模擬源在1號傳感器根部的幅值為89dB、距離1號傳感器0.5 m 的幅值為83dB，距離1號傳感器1m 的幅值為75dB，距離1號傳感器1.5 m 的幅值為64dB，距離1號傳感器2m 的幅值為50dB，距離1號傳感器2.5 m的幅值為0dB。

模擬源在1號傳感器根部觸發幅值為99dB聲發射信號，2號傳感器隨著傳播距離的變大接收到的信號幅值減小。

由以上不同傳播距離下幅值變化可知，從斷鉛源到傳感器2 號聲發射信號幅值由99dB 衰減到89dB；聲波傳到2.5m 時，HB（0.5）鉛筆芯模擬源信號幅值由89dB衰減到0dB。可見在泄漏處聲源衰減對接收信號影響不大，在管壁軸向距離上，超過2m 后外管傳感器無法對泄漏口產生的噴流聲源進行采集接收。

3.2 泄漏聲發射信號隨壓力變化

試驗過程中，聲源主要有：內管氣體泄漏口處泄漏產生的噴流噪聲；氣體撞擊外管內壁產生的聲源；氣體與外管內壁摩擦聲源。試驗過程中所得到的夾套式反應器內管壓力變化為非線性，隨著泄壓過程的進展，壓力下降速度逐步降低，將所記錄的壓力變化與聲發射檢測信號變化進行對比，對聲發射信號隨壓力的變化進行評價。

夾套式反應器內管泄漏信號屬于連續型信號［2－3］，對于連續型聲發射信號較常用準確的分析參數是ASL（平均信號電平）和RMS（均方根值）。圖2（a）、（b）為3＃和8＃通道采集的聲發射信號RMS與時間的變化曲線，圖2（c）、（d）為3＃和8＃通道采集的聲發射信號ASL與時間的變化曲線，通過試驗過程中內夾套實際壓力隨著時間的變化與這兩條曲線進行對比，得到聲發射信號隨時間的變化規律。

圖2 3＃、8＃通道RMS曲線和ASL曲線

由圖2可以看出，3＃和8＃通道采集的聲發射信號的ASL 曲線隨時間呈線性變化，而對應的RMS曲線則呈非線性變化，實際的內夾套壓力變化為非線性變化，所以采用RMS 曲線分析夾套管內壓力變化比較恰當。

3.3 壓力變化對泄漏聲發射信號產生的影響

改變泄漏模擬試驗系統的內管壓力，使內管內壓力在0.02～0.12 MPa 之間變化，每次降低0.02 MPa，壓力每改變一次，采集一組泄漏聲發射信號的數據。

圖3 泄漏聲發射信號的頻譜圖

圖3中的（a）～（e）分別是管道內部壓力為0.12，0.1，0.08，0.06，0.04 MPa時，3＃通道采集的泄漏聲發射信號的頻譜，其中橫坐標為信號的頻率，縱坐標為信號的功率譜密度。

圖4 泄漏聲發射信號的均方根值－時間圖

圖4 中的（a）～（e）是管道內部壓力分別為0.12，0.1，0.08，0.06，0.04 MPa時，3＃通道采集的泄漏聲發射信號的均方根值即RMS，其中橫坐標為時間，縱坐標為信號的幅值。由于開閥時間的不同，聲發射信號出現的時間也略有不同。

由圖3、圖4可以看出隨著內管壓力的減小，泄漏所激發的聲發射信號功率譜密度的幅值在整個頻率范圍內都呈減小趨勢，高幅值信號集中在0～100kHz；夾套式反應器泄漏聲發射信號的能量與內管內部壓力基本上呈線性變化關系，內管內部壓力越大，泄漏所激勵出的聲發射信號的能量越大。

4 結語

（1）夾套式反應器內管泄漏信號屬于連續型信號，試驗過程中所得到的夾套式反應器內管壓力變化為非線性變化，隨著泄壓過程的進展壓力下降速度逐步降低，根據試驗分析對于夾套式反應器內管泄漏的聲發射信號研究可以采用RMS參數分析；

（2）隨著內管壓力的減小，泄漏所激發的聲發射信號功率譜密度的幅值在整個頻率范圍內都呈減小趨勢，高幅值信號集中在0～100kHz；

（3）夾套式反應器泄漏聲發射信號的能量與內管內部壓力基本上呈線性變化關系，內管內部壓力越大，泄漏所激勵出的聲發射信號的能量越大。

［1］李善春.管道氣體泄漏的聲源與聲發射信號特性研究［D］.大慶：大慶石油學院博士研究生學位論文.2007.

［2］戴光，劉鵬，張穎，等.管式夾套容器內管泄漏聲發射監測實驗研究［J］.壓力容器，2009，26（6）：1－4.

［3］劉鵬.基于虛擬儀器的夾套管泄漏檢測方法研究［D］.黑龍江：東北石油大學，2009.