基于聲發(fā)射的艦船管路閥門內(nèi)漏檢測技術(shù)研究

吳猛猛，董秀臣，孫 團

(海軍潛艇學院，山東 青島 266199)

艦船上的管路縱橫交錯，閥門成百上千，這些管路閥門的狀態(tài)是艦船各系統(tǒng)安全運行的基礎(chǔ)。一旦管路閥門發(fā)生泄漏，將會對設(shè)備及系統(tǒng)的正常運行和指示帶來嚴重的危害，尤其是一些關(guān)鍵管路閥門(如蒸汽管路、核反應堆管路、液壓管路、高壓氣管路等)。例如，美國三里島核事故的發(fā)生，其中一個很重要的原因就是穩(wěn)壓器的釋放閥內(nèi)漏。閥門的泄漏分為外漏和內(nèi)漏，其中內(nèi)漏更不容易檢測，因此，閥門內(nèi)漏檢測成為研究熱點。閥門泄漏的檢測方法包括氣泡測定法、質(zhì)量平衡法、溫度檢測法、負壓波法和聲發(fā)射法等，其中聲發(fā)射檢測方法具有在線、快速、動態(tài)、經(jīng)濟及環(huán)境適應性強(特別是針對一些高溫、輻射、不易接觸的管路閥門)等優(yōu)點，且不會破壞閥門的完整性。因此，聲發(fā)射檢測方法成為目前閥門內(nèi)漏檢測的主流方法和研究熱點。

國外從20世紀60年代起開展了利用聲發(fā)射技術(shù)檢測閥門泄漏的研究[2]，目前部分研究成果已經(jīng)得到了應用。2010年，Kaewwaewnoi等[3-4]對聲發(fā)射信號特征參數(shù)與泄漏率之間的關(guān)系進行了研究；2012年，E.Mland等[5]對閥門內(nèi)漏的聲發(fā)射信號的處理方法進行了研究。在國內(nèi)，戴光等[6-7]利用數(shù)值模擬和實驗研究的方法對閥門內(nèi)漏進行了聲學檢測；楊晶等[8]在閥門泄漏故障的可視化方面做了探索；胡新等基于聲發(fā)射技術(shù)開發(fā)了閥門內(nèi)漏的在線檢測系統(tǒng)；高倩霞等[9-10]利用最小二乘法和自適應濾波除噪對閥門泄漏的聲發(fā)射信號進行處理，并進行了工程驗證。然而，目前對于艦船管路閥門的內(nèi)漏尤其是微小內(nèi)漏還缺乏深入研究。因此，如何基于聲發(fā)射技術(shù)對艦船管路閥門內(nèi)漏進行檢測亟待研究。

本文對閥門泄漏的聲發(fā)射檢測技術(shù)的檢測原理進行了分析，在實驗室條件下搭建閥門泄漏聲發(fā)射檢測平臺，并對不同泄漏工況下的聲發(fā)射信號進行采集、處理和分析，得到閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號的特征參數(shù)，驗證利用聲發(fā)射信號檢測閥門內(nèi)漏的可行性。在此基礎(chǔ)上，對下一步艦船管路閥門的內(nèi)漏檢測工作提出了幾點建議。這對實現(xiàn)艦船管路閥門工作和運行狀態(tài)的遠程、實時和無損監(jiān)測具有重要的參考價值。

1 閥門內(nèi)漏的聲發(fā)射檢測機理

聲發(fā)射(AE)是指材料中局域源能量快速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。材料在應力作用下的變形和斷裂是主要的聲發(fā)射源。另一類與斷裂機制無直接關(guān)系的彈性波源(如流體泄漏、摩擦、撞擊、燃燒等)為二次聲發(fā)射源[11]。閥門泄漏聲發(fā)射信號屬于二次聲發(fā)射源，具有以下特點：① 閥門聲發(fā)射信號是由閥門泄漏時，管道內(nèi)輸送的介質(zhì)(氣、液、蒸汽等)在閥門泄漏處噴射，介質(zhì)撞擊管壁激發(fā)的彈性波，是一種連續(xù)型聲發(fā)射信號；② 泄漏聲發(fā)射信號與介質(zhì)種類、閥門類型、泄漏孔徑的大小形狀、閥門兩側(cè)的壓差及泄漏量等因素有關(guān)，屬于一種非平穩(wěn)隨機信號。閥門泄漏的聲發(fā)射信號易受到艦船背景噪聲的干擾，因此對背景噪聲的抑制或消除、信號的處理和識別要求較高，同時對檢測設(shè)備也有很高的要求。

聲發(fā)射(AE)檢測方法就是通過對閥門泄漏所發(fā)出的聲發(fā)射信號的采集、記錄和處理，進而判斷閥門的泄漏狀態(tài)或用于量化評價閥門的泄漏量(率)，如圖1所示。在閥門泄漏率量化方面，一般通過閥門泄漏聲發(fā)射信號的特征參數(shù)進行估算，主要特征參數(shù)包括有效值電壓(AERMS)和平均信號電平(ASL)等。AERMS是指采樣時間內(nèi)聲發(fā)射信號的均方根值，單位為V，計算公式為

(1)

式中:T為采樣時間，對于泄漏檢測，一般為0.5～5 s；V(t)為與時間有關(guān)的電壓值。

圖1 聲發(fā)射檢測閥門內(nèi)漏原理

ASL為采樣時間內(nèi)聲發(fā)射信號電平的平均值，單位為dB，計算公式為

(2)

式中，Pre為前置放大的增益，單位為dB。

研究表明，有效值電壓(AERMS)和平均信號電平(ASL)與閥門內(nèi)漏的泄漏率相關(guān)，估算公式[3]為

(3)

由于偶極子和四極子聲源是射流紊流場的主要噪聲場，將偶極子聲源引入式(3)，得到閥門的泄漏聲發(fā)射均方根值A(chǔ)ERMS的計算公式為

(4)

式中:C1表示AE傳感器、閥門材料、信號增益等影響的流體參數(shù)；α為流體內(nèi)的聲速；ρ為流體密度；D為閥門尺寸；Q表示體積流速；ΔP表示通過閥門的壓降；P1表示進口壓力；Cv表示閥門的流動系數(shù)；S表示流體的特定黏度。

2 閥門內(nèi)漏檢測模擬及聲發(fā)射檢測實驗

圖2為閥門泄漏模擬及聲發(fā)射檢測裝置示意圖。該裝置主要由閥門泄漏模擬系統(tǒng)和泄漏信號檢測裝置兩部分組成。其中，閥門泄漏模擬系統(tǒng)主要由水箱、水泵(手動泵、電動管道泵)、蓄壓器、閥門等組成；泄漏信號檢測裝置主要由聲發(fā)射傳感器、前置放大器、信號采集卡以及計算機等組成。

圖2 閥門泄漏模擬及檢測裝置示意圖

2.1 閥門泄漏模擬系統(tǒng)

閥門泄漏模擬系統(tǒng)的基本原理是通過將管路內(nèi)充滿水，提高水的壓力以模擬不同壓力下閥門的泄漏。同時，在待測閥門的在閥芯密合面加工一定深度的劃痕，對于不同的劃痕深度，閥門的內(nèi)漏量是不同的，從而模擬不同泄漏量情況下聲發(fā)射信號的變化。

本系統(tǒng)采用手動泵作為管道的增壓設(shè)備，其最高工作壓力為4 MPa，實驗壓力從1～3 MPa變化，模擬不同壓力下閥門泄漏聲發(fā)射信號的變化。電動管道泵用于預先為裝置內(nèi)的管路內(nèi)充滿水，排出其內(nèi)空氣，管道泵工作電壓為220 V，采用防水開關(guān)控制其啟動和停止。蓄壓器用于保持管路內(nèi)的壓力穩(wěn)定，減小壓力波動。蓄壓器采用囊式蓄壓器下部與裝置管路連接，容積為2.5 L，最高可承受壓力為10 MPa。蓄壓器內(nèi)預先充入2.5 MPa的氮氣，以縮短泵壓時間。待測截止閥以J41H- 40C國標截止閥為基礎(chǔ)改造而成，通徑為DN50，閥芯改為銅制。裝置內(nèi)的管路采用無縫鋼管焊接而成，連接處采用鋼制法蘭連接。截止閥兩側(cè)管路采用DN50，其余管路直徑為DN20，管路直徑變化處采用錐面過渡處理。

2.2 閥門泄漏檢測裝置

閥門泄漏檢測裝置的工作原理是通過聲發(fā)射傳感器將閥門發(fā)出的機械波信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)的電信號，并通過前置放大器將這一電信號放大后傳輸給檢測裝置的主處理器，經(jīng)處理、存儲后等待后續(xù)的信號顯示、處理和分析。

本實驗采用的檢測裝置為美國聲學公司PAC生產(chǎn)的聲發(fā)射檢測儀器，其中，傳感器為R15a型傳感器，固定在待測閥門的中間位置；前置放大器為20/40/60 dB類型放大器，可實現(xiàn)信號的20/40/60 dB三種增益；信號采集卡為PCI-2雙通道數(shù)字采集處理板，其具有低噪聲、40 MHz/18-bit實時采集轉(zhuǎn)換、實時AE特征提取、內(nèi)置波形處理、內(nèi)置AE數(shù)據(jù)流等特點。采集后的信號輸入計算機，可由AEwinTM軟件進行AE信號和波形的處理、顯示、快速儲存和重放，并可選擇和查看多個2-D或3-D的實時AE特征以及繪制活動波形曲線。

2.3 實驗結(jié)果及分析

圖3給出了測得的內(nèi)漏閥門聲發(fā)射信號，可見閥門泄漏的聲發(fā)射信號具有如下特點：① 泄漏的聲發(fā)射波的頻譜具有很陡的尖峰，為檢測泄漏提供了有利條件；② 泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號比較大，且大小隨著泄漏率的增大而增大；③ 閥門泄漏的聲發(fā)射信號為連續(xù)型的非平穩(wěn)信號。

圖3 閥門泄漏的聲發(fā)射信號特征

圖4給出了經(jīng)小波分析處理后的聲發(fā)射信號，圖中可見小波分析方法是目前處理閥門內(nèi)漏聲場信號的有效方法。經(jīng)過分析后的閥門的內(nèi)漏聲場特征比較明顯，可以顯示出閥門的泄漏狀態(tài)，并且閥門存在2次截流點，形成2處噴流噪聲源。

圖4 小波變換處理后的泄漏信號

3 結(jié)束語

本文主要分析了基于聲發(fā)射技術(shù)閥門內(nèi)漏檢測的方法機理，綜述了國內(nèi)外的相關(guān)研究進展，并在實驗室條件下，實際測量了閥門內(nèi)漏的聲發(fā)射信號，用小波分析的方法獲取了閥門內(nèi)漏的特征。為將聲發(fā)射技術(shù)推廣應用于艦船閥門的在線檢測中，筆者建議開展如下幾項工作：

1)出臺閥門內(nèi)漏聲發(fā)射檢測的標準。目前國內(nèi)外雖然有聲發(fā)射檢測的相關(guān)標準，但閥門內(nèi)漏的檢測標準還主要是以氣泡法為主，因此閥門內(nèi)漏聲發(fā)射檢測的標準亟待出臺，這對于艦船管路閥門的內(nèi)漏檢測具有指導作用。

2)對閥門泄漏信號的分析與特征提取方法進行深入研究，尤其是復雜背景噪聲下閥門的微量內(nèi)漏。下一步應結(jié)合艦船閥門的實際類型、使用工況、布置環(huán)境等因素進行綜合分析，探索在艦船艙內(nèi)復雜背景噪聲下如何提取有效的聲發(fā)射信號特征。

3)開展大量實驗和實艇測試，建立閥門內(nèi)漏聲發(fā)射檢測特征參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，結(jié)合數(shù)據(jù)融合、人工智能等技術(shù)，研制艦船管路閥門內(nèi)漏的便攜式智能聲發(fā)射檢測儀或?qū)崟r監(jiān)測儀，這對于艦船管路閥門泄漏監(jiān)測、閥門故障的預防性維修以及保障艦船運行的安全性和戰(zhàn)斗力具有重要意義。