夾套結構內管泄漏聲發(fā)射檢測與評價方法

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(1.南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院,南京 210019；2.大連民族大學 機電工程學院，大連 116600；3.東北石油大學 機械科學與工程學院，大慶 163318)

夾套結構設備是化學行業(yè)中比較通用的裝置，其主要由主體和夾套兩部分組成。夾套結構設備的內管易產生腐蝕、磨損、疲勞等問題，進而發(fā)生內管泄漏事故。據統(tǒng)計，我國每年夾套結構設備失效事故約 40 多起，其中夾套結構中的內管為首要影響因素[1]。因此，夾套結構的檢測和評價得到了越來越多的重視。

聲發(fā)射檢測是一種動態(tài)的無損檢測方法，其具有實時性的特點，可以有效檢出活性缺陷，適用于長期連續(xù)地監(jiān)測缺陷，這是其他無損檢測方法難以實現的。特別是在管道泄漏領域，聲發(fā)射檢測得到了廣泛關注，并取得了大量成果[2-9]。在泄漏評價方面，ISERMANN等采用相互分析技術對流入和流出端口的信號進行了分析，極大地提高了分析的精確度。20世 紀90年代，殼牌公司在這方面有了突破性研究，發(fā)明了一種新的統(tǒng)計檢測泄漏方法，實現了對壓力和流量間相互關系的實時監(jiān)測[10]，然而該方法在泄漏定位方面準確度不高。2014年，東北石油大學王瓊[11]采用聲發(fā)射技術對夾套結構的內管泄漏檢測進行了研究，提出了夾套內管泄漏聲發(fā)射信號的變化規(guī)律。2016年，劉延軍[12]對夾套內管泄漏的聲源機理進行了理論分析，并采用聲發(fā)射技術分析了不同參量對泄漏信號的影響。綜上可知，國內外關于管道檢測的研究眾多，但是關于夾套結構泄漏檢測以及聲發(fā)射評價參量的研究卻很少，且仍處于試驗研究階段。筆者針對夾套結構聲發(fā)射檢測的評價問題，開展了聲發(fā)射評價參量和定位技術的研究，解決了夾套結構聲發(fā)射檢測的部分瓶頸問題，提高了評價準確度，推動了夾套結構聲發(fā)射檢測技術的發(fā)展，提高了聲發(fā)射技術在夾套結構內管泄漏檢測方面的評價效果。

1 聲發(fā)射評價參量研究

目前，常用的聲發(fā)射評價參量包括幅值、平均信號電平以及均方根電壓等，對泄漏的評價常采用RMS(均方根電壓)和ASL(平均信號電平)。聲發(fā)射波形信號以撞擊為單位，每個試驗信號包含N個撞擊信號，記為S=[s0,s1,s2,s3,…,sN-1]，每個撞擊信號的采樣點為n，記為sn=[x0,x1,x2,…,xn-1]，則

(1)

ASL=20×lgRMS-Pre

(2)

式中：Pre為前置放大器增益，dB。

RMS算法是基于單一撞擊信號進行的，能及時反映當前信號強度，而ASL通過對數運算降低了參數值的波動，更能體現信號規(guī)律。然而，夾套內管泄漏聲發(fā)射信號屬于連續(xù)信號，基于單一撞擊信號的聲發(fā)射評價不能完整而準確地反應設備缺陷的真實情況。針對夾套內管泄漏信號的連續(xù)性特點，綜合RMS、ASL在聲發(fā)射評價中所表現的優(yōu)勢，構造了平均能量(AE)作為夾套結構內管泄漏聲發(fā)射評價參量，算法如式(3)所示。

(3)

2 試驗過程

2.1 試驗方案

為了研究夾套內管氣體泄漏過程的聲發(fā)射響應，搭建了夾套結構內管泄漏的模擬試驗平臺(見圖1)，用來模擬內管氣體的泄漏過程，設計試驗方案，進行試驗。

圖1 夾套結構內管泄漏模擬試驗平臺示意

系統(tǒng)主要由夾套結構泄漏模擬系統(tǒng)和聲發(fā)射檢測系統(tǒng)兩部分組成，所用夾套結構內管的外徑為60 mm，壁厚為3 mm，長度為4 650 mm；外管的外徑為142 mm，壁厚為6 mm，長度為4 750 mm。

聲發(fā)射檢測系統(tǒng)主要由傳感器、前置放大器、聲發(fā)射檢測儀以及聲發(fā)射軟件等組成，聲發(fā)射檢測系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。試驗選用R3α型諧振式傳感器，2/4/6型前置放大器(增益為40 dB)，PCI-8聲發(fā)射采集卡(采樣頻率為1 MHz，采樣長度為1 024個點)。

圖2 聲發(fā)射檢測系統(tǒng)組成框圖

聲發(fā)射傳感器布置于夾套外管的外管壁，呈線性分布，其中2#傳感器正對泄漏孔。試驗選用4根相同尺寸管道作為夾套內管，在如圖1所示位置人工開孔，孔徑分別為1.0，1.2，1.8，2.0 mm。泄漏孔位置距密封法蘭1 300 mm。采用5 m3立式儲罐作為氣源以保證泄漏過程壓力穩(wěn)定，分別在0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 MPa壓力下進行泄漏試驗，采用聲發(fā)射模式采集數據。

2.2 試驗結果分析

基于波形數據及AE的算法，采用MATLAB軟件重新計算生成的聲發(fā)射參量，根據撞擊信號選取幅值最大原則選取最大幅值撞擊信號，得到AE與ASL隨壓力P的變化曲線(見圖3)。

圖3 AE，ASL與壓力的關系曲線

近年來的研究表明[15]，夾套結構內管泄漏信號幅值隨泄漏孔孔徑的增大而增大，然而從聲發(fā)射角度進行分析，采用幅度進行評價不能代表泄漏強度，然而采用ASL-P曲線分別在孔徑為1.0，1.2 mm，壓力為0.2 MPa處和孔徑為1.8，2.0 mm，壓力0.1 MPa處存在交叉，即不同孔徑、相同壓力下泄漏信號ASL幅值相同，這顯然會帶來評價誤差。新構建的AE參量所形成的曲線顯然更利于夾套結構內管泄漏的評價。同一泄漏孔下，AE隨著夾套內壓力的上升而增加；相同壓力下，隨著泄漏孔孔徑的增大，幅值也隨之增加。

3 互相關定位研究

由于夾套設備結構復雜，聲源眾多，無法保證所采集信號為同源信號，進而給定位造成困難，故采用互相關定位方法對夾套內管泄漏進行定位。采用2.1節(jié)中的試驗方案進行夾套結構內管泄漏模擬試驗，在TRA模式(特殊采集操作模式)下以同步觸發(fā)方式采集試驗信號。

以夾套管道靠近1#傳感器一端的某處作為坐標原點(即泄漏孔坐標為1 300)進行互相關定位。由于5#，6#傳感器距離信號源較遠，且距離夾套外管端部較近，對反射信號與直接信號相關性影響較大，所以以1#傳感器信號為參考信號，分別以2#，3#，4#傳感器信號作為被測信號進行互相關定位計算，結果如圖4所示。

圖4 互相關定位結果

在圖4中，各峰值所對應的距離即泄漏孔的定位坐標，紅色直線處為泄漏孔的實際坐標，互相關定位結果及誤差如表1所示。

4 結論

表1 互相關定位結果及誤差

(1) 通過分析ASL，RMS參量的算法，構造新的聲發(fā)射評價參量AE，并通過夾套結構內管泄漏模擬試驗將AE-P曲線與ASL-P曲線進行對比。結果表明，AE不僅能表征泄漏信號的強度，而且曲線區(qū)分度較大，評價準確性較高。

(2) 泄漏孔徑不變，AE隨著壓力的增大而增大；相同壓力下，泄漏孔孔徑越大，AE越高。

(3) 根據夾套設備結構和聲源的特點，采用互相關定位法對夾套結構內管泄漏的聲源進行定位研究，結果誤差低于10%。