基于聲發射技術的壓力管道泄漏監測

孫志濤 張延兵

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院南通分院 南通 226011）

Sun Zhitao Zhang Yanbing

（Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province， Branch of Nantong Nantong 226011）

基于聲發射技術的壓力管道泄漏監測

孫志濤 張延兵

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院南通分院 南通 226011）

本文通過在試驗室條件下，對壓力管道泄漏的聲發射信號進行定位及特征研究，探索聲發射技術在壓力管道泄漏監測方面的可行性；并通過工業鍋爐水壓試驗過程中的連接管道泄漏聲發射監測案例對研究成果進行驗證，從而為壓力管道泄漏聲發射監測積累必要的工程經驗和理論數據。

壓力管道 泄漏 聲發射 監測

Sun Zhitao Zhang Yanbing

（Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province， Branch of Nantong Nantong 226011）

管道輸送作為五大交通運輸方式之一，在輸送流體介質方面具有其他交通方式無法比擬的優勢。由于壓力管道結構形式復雜、距離較長、載荷多樣、數量龐大等特點，長期以來，對于壓力管道的在線泄漏監測技術積累不足，導致監測手段缺乏，給壓力管道的安全管理帶來了很大的安全風險。而聲發射技術作為一種前沿的無損檢測手段，在泄漏監測方面有較強的敏感性、較遠的監測覆蓋范圍和較高的監測精度，因此聲發射技術在壓力管道泄漏監測方面具有廣泛的應用前景。

1 壓力管道泄漏聲發射監測試驗分析

壓力管道泄漏為連續型聲發射信號，與突發型的聲發射信號在信號特征參數和采集方法上均有很大的區別，為了驗證聲發射技術在管道泄漏監測方面的應用可行性，筆者設計了一個管道試驗模型。

圖1 管道實驗模型

泄漏所激發的應力波為連續型聲發射信號，泄漏發生時聲發射監測系統采集到的聲發射信號參數會發生變化。圖1為泄漏模擬實驗管道保持在一定壓力下，依次開啟4個泄漏閥門模擬管道發生泄漏（管道內的介質為氮氣）。為研究聲發射對泄漏源的響應靈敏度和同一壓力（0.3MPa）下不同泄漏孔徑對聲發射信號的影響，對試驗模型進行加壓，模擬管道泄漏信號進行聲發射監測。

圖2 泄漏孔直徑為2mm時的時間（s）-能量（10uV.s/count）圖

圖3 泄漏孔直徑為3mm時的時間（s）-能量（10uV.s/count）圖

圖4 泄漏孔直徑為5mm時的時間（s）-能量（10uV.s/count）圖

從上述三個泄漏試驗（見圖2～圖4）可以看出，管道在不同的孔徑（2mm、3mm和5mm）下泄漏時，各通道均有明顯的聲發射信號特征信號產生，且其能量增長速率均不同，分別達到1430（10uV.s/count）/s、1750（10uV.s/count）/s和8500（10uV.s/count）/s，主要表現為隨著孔徑的增大，泄漏量增加，聲發射信號的能量也隨之迅速增加，泄漏孔徑越大能量增大的速率越大。因此，通過所采集的聲發射信號的能量增長速率，可以對管道泄漏孔及泄漏速率的大小進行判斷。

圖5 門檻值53db泄漏信號通道-幅值（db）圖

從采集到的通道-幅值圖（見圖5）可以看出，泄漏點處的2號傳感器接收到的泄漏信號明顯高于其他通道的信號幅值，泄漏信號在管道中傳播，呈現明顯的沿距離增大而信號衰減的現象。定位顯示的泄漏點與實際的泄漏點完全吻合。可見在管道的泄漏點定位監測中依據泄漏點的聲發射信號異常，可以做到泄漏點的定位。

綜上分析可以看出，在壓力管道出現泄漏時，聲發射信號能夠很明顯地表征泄漏的發生，聲發射信號的強弱直接反映泄漏速率的大小。通過合理布置監測傳感器，還可以實現泄漏源的定位，這對于壓力管道泄漏源的查找有著積極的意義。綜上說明在對壓力管道泄漏監測時，聲發射技術可以完全滿足使用要求。

2 工業鍋爐連接管道水壓試驗泄漏聲發射監測案例

工業鍋爐及電站鍋爐，由于其附屬管道結構非常復雜（如各種對流管束、冷卻管道等）［1-2］，管道之間的距離較小，在進行水壓試驗時，些微的滲漏就會影響耐壓試驗的進行。由于管束密集分布，管束空間狹小，除非出現大量的泄漏，微小滲漏時如何對管道的泄漏源進行有效監測就成為一大難題。傳統的泄漏監測手段是通過壓力表或宏觀檢查，而對于微小滲漏壓力表的響應并不明顯，即使有變化，由于管道承受較高的內壓，近距的檢查也是非常危險的。如果進行宏觀檢查，由于空間狹小且泄漏量較小，不一定能夠有效地通過肉眼發現泄漏點，監測的精度和安全性都難以滿足理想要求。由于聲發射技術對泄漏的超高敏感性，筆者嘗試使用聲發射技術對鍋爐連接管道進行水壓試驗過程的泄漏監測。

鍋爐特性參數如表1所示。鍋爐泄漏缺陷的聲發射監測采用逐點監測法，其基本原理是在可能存在泄漏的位置（如閥門、接管及人孔等）布置傳感器，通過局部監測的方式，結合后續信號分析［3］，最終確定泄漏缺陷位置。

表1 蒸汽鍋爐特性參數

2.1 鍋爐附屬管道泄漏聲發射監測過程

基于聲發射逐點監測法，分別沿鍋筒軸向方向，在連接管道上等間隔布置五個傳感器，在右側封頭的連接管道上均勻布置四個傳感器，實現對接管和閥門泄漏的監控。水壓試驗按加載曲線（見圖6）分為兩個過程，分別是升壓和保壓，循環進行兩次，用聲發射儀器采集整個過程的聲發射信號，監測鍋爐及爐管在試驗過程中的聲發射源分布及其活性狀況。

圖6 水壓試驗循環加載曲線

2.2 聲發射監測數據分析處理

根據各通道信號的特點，提取1號和5號兩個有異常信號的通道數據進行對比分析。整個試驗過程1、5通道所監測的幅度歷程圖如圖7所示，水壓試驗過程主要分為四個階段：0～400s為第一次升壓；400～1000s為第一次保壓；1400～1700s為第二次升壓；1700～2000s為第二次保壓。從該圖中就可以觀察到各階段聲發射信號的密集程度。

圖7 1、5通道幅度歷程圖

●2.2.1 幅值分析

1）升壓階段

圖8為前后兩次升壓過程的聲發射幅度歷程圖。鍋爐在第一次升壓過程中，聲發射非常活躍，產生密集的AE撞擊信號。隨著壓力的逐漸上升，AE信號幅度呈線性趨勢增加，當達到一個臨界點后又隨壓力的上升而平穩下降。這是因為從0開始在逐漸增加壓力的過程中，打壓進入液體對鍋爐的不均勻擾動會非常大，而隨著壓力的逐漸增大，容器內的壓力增速逐漸降低，整個容器所承受的壓力也趨于穩定，擾動減少，AE信號量降低。另外，通道5的信號幅度明顯高于通道1，其原因是通道5旁邊是升壓進液口，升壓過程對通道5所造成的信號干擾是最大的，所以其所接收的AE信號具有很高的幅度。

鍋爐在第二次升壓過程中，其AE信號量明顯少于第一次升壓過程，其原因有兩個方面：首先，第二次加壓過程從1.25MPa開始，相對于從0開始加壓，鍋爐內壓力增加趨于平緩，壓力增速降低，干擾信號減少；其次，由于鍋爐本身存在Kaiser效應，而第二次加壓并未超過第一次所加的最高壓力，材料結構變形保持在穩定狀態，所以因材料變形應力釋放所產生的AE信號減少。

圖8 升壓階段幅度歷程圖

2）保壓階段

圖9為前后兩次保壓階段的聲發射幅度歷程圖。由于保壓階段無外界擾動信號進入，所以如果沒有活性缺陷，將不會產生AE信號（噪聲除外），通過分析這個階段各通道所接收到的AE信號就可以對鍋爐的缺陷狀態做出初步判斷。

分別觀察兩次保壓過程1、5通道的AE幅度歷程圖，可以發現1號通道的AE信號量明顯多于5號通道，從1號通道到5號通道，AE信號量和幅度有一個明顯的遞減特點，這是由于AE信號傳播衰減所引起的。另外，第二次保壓過程所產生的AE信號幅度與密度明顯高于第一次，從這兩個現象可以初步判定1號通道附近存在泄漏缺陷：

圖9 保壓階段幅度歷程圖

上述現象原因分析如下：鍋爐中的典型聲發射源主要是泄漏、裂紋擴展、機械摩擦以及電子噪聲等。其中機械摩擦和電子噪聲屬于穩定的AE源，其所產生的AE信號會伴隨實驗過程一直存在，可以排除這種AE源的存在。而裂紋擴展等材料內部缺陷，其在升壓過程中的AE信號為典型的突發型信號，根據Kaiser效應，即對材料進行反復卸加載試驗時，材料在超過先前所施加的應力之前，不出現可探測到的聲發射。由圖8和圖9可以看出，在第二次升壓及保壓過程中均出現了較多的AE信號，且第二次保壓過程相對于第一次保壓，在1750s出現了更為密集的AE聚集信號，其幅值也較高，這顯然不符合Kaiser效應，另一方面，依據裂紋擴展機理，在第一次保壓過程中裂紋在擴展時已經將累積的能量釋放，即使在二次保壓過程中，由于載荷超過臨界值或缺陷的活性較強再次出現擴展現象，在載荷和加載時間相同的情況下，沒有致使其產生更為強烈活度的能量來源，其缺陷擴展信號的幅值和聚集程度不會超過一次保壓過程中的信號，考慮到加載壓力波動和現場工況條件等，兩次加載過程的信號應該相同或相差無幾，而從圖9可以看出，第二次保壓的信號幅值已遠超過第一次保壓過程，這顯然與理論不符，綜合上述兩方面的原因基本可以排除此信號來源為裂紋類缺陷。考慮泄漏的成因及現象，由于一次加載導致泄漏點沖破阻塞，在后續連續加載循環中，泄漏孔徑增大導致二次保壓信號超過第一次，則是完全可能的。

●2.2.2 波形頻譜分析

圖10為保壓階段1通道所接收到AE信號波形圖和頻譜圖。可以看出該信號為連續型信號，頻譜分布范圍較寬，其特點與泄漏產生的AE信號一致。另外，從頻譜圖可以發現在250kHz附近出現了異常峰值，2號通道也出現此現象但沒有1號明顯，而在其他幾個通道均未發現此現象，結合上述對幅值歷程圖的分析，可以判定在1號通道附近存在泄漏缺陷。

圖10 保壓階段1號通道AE信號波形頻譜圖

●2.2.3 監測結果

監測結束后，依據聲發射信號的分析結果，對1號通道附近區域進行復查，發現在1、2號通道之間靠近1號通道處的鍋爐壁管對接焊縫確實存在微小滲漏問題。由于爐管分布密集，空間極其狹小，且泄漏量非常小，常規宏觀監測極難發現，由于聲發射技術對于泄漏信號的較高敏感性，所以能在聲發射監測過程中被監測出來，驗證了聲發射技術用于監測管道泄漏缺陷的可行性和準確性。

3 結論

1）采用聲發射技術監測壓力管道的泄漏缺陷，由于管道本體和安全附件結構的復雜性，聲發射信號的傳播易受到影響，因而無法對泄漏位置進行精確定位，應采用逐點監測的方法，根據需要在管道上布置傳感器進行局部監測，其監測精度可以滿足工程精度需要。

2）管道泄漏監測的時機宜選擇在管道的保壓階段，這是由于升壓過程或介質流動時AE擾動信號較多，而保壓階段AE信號干凈平穩，所以在實際監測中應主要關注保壓階段的AE信號，升壓過程的AE監測可以作為缺陷判定的輔助參考。對保壓階段聲發射信號幅值歷程圖進行分析，比較各通道的AE信號量和幅度，可以初步判定泄漏缺陷位置。另外，泄漏的AE信號是連續型信號，而且當管道存在泄漏缺陷時，其AE信號頻譜會在某個頻率范圍出現異常值，所以可以綜合幅值歷程圖和波形頻譜圖對監測結果進行分析判斷。

3）通過本文的分析可以看出，由于聲發射技術對泄漏產生的應力波較為敏感，所以其在監測壓力管道泄漏方面具有較高的靈敏度和精確度，且其一次監測能夠覆蓋較大范圍，大大提高了監測的效率，更重要的是它能夠實現遠距的實時監測，避免了常規泄漏監測的近距操作，保證了監測人員的安全。基于以上特點，聲發射技術對于具有復雜結構的管道、狹小空間的密布管道、安全風險較高的管道以及不易近距接觸的管道，如核電管道，大型電站鍋爐附屬管道，化工裝置附屬管道等尤為適用［4］。

［1］ 李兵，沈功田，周裕峰，等.電站鍋爐無損監測技術［J］.無損監測，2006，28（8）：426-430.

［2］ TSG G0001—2012鍋爐安全技術監察規程［S］.

［3］ 沈功田，耿榮生，劉時風.聲發射信號的參數分析方法［J］.無損監測，2002，24（2）：72-77.

［4］ 任恒昌.聲發射技術在鍋爐監控檢驗中的應用［J］.電力安全技術，2000，（6）：35-37.

［5］ 黃煥東，等.石化裝置壓力管道的全面檢驗［J］. 中國特種設備安全，2013，29（7）：49-51.

［6］ 顧建平，等.腐蝕過程聲發射監測試驗研究［J］.中國特種設備安全，2012，28（4）：8-11.

The Pressure Pipe Leak Monitoring Using Acoustic Emission Technology

In the laboratory conditions， this article researched the acoustic emission signal location method and characteristics of pressure pipe leakage， and explored the feasibility of acoustic emission leak detection technology in pressure pipe. Finally the article verifi ed the research results with connecting pipeline leakage acoustic emission case in the process of industrial boiler hydrostatic test. All the works offered necessary engineering experience and theoretical data for pressure pipe leakage acoustic emission monitoring.

Pressure pipe Leak Acoustic Emission Monitoring

X924.2

B

1673—257X（2015）03-32-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.03.009

孫志濤（1985～），男，本科，檢驗員，助理工程師，從事特種設備檢驗工作。

2014-08-20）