基于傅里葉帶通濾波閥門內漏信號處理研究

王 瓊

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

閥門在工業生產中應用廣泛，尤其在石油石化行業，能源領域的不斷發展促進閥門的應用和需求不斷增長[1-5]。閥門發生泄漏，不僅會帶來經濟和環境的惡劣影響，嚴重的還可能造成重大安全事故。閥門泄漏分為內漏和外漏，外漏很容易被檢測出來，內漏則不容易被發現和檢測，但是閥門內漏同樣會對安全運行帶來嚴重威脅。在石油石化生產中，運用聲發射檢測法可以在不影響正常生產情況下簡單快速檢測閥門內漏。聲發射信號是聲發射源的信息載體，檢測聲發射信號的目的，就是希望通過聲發射信號這個橋梁，來推斷聲發射源的部位、性質及其嚴重程度等方面的信息；另一方面，傳感器所接收到的信號并不是最初的原始信號，而是原始信號從聲源到傳感器過程中會發生畸變、反射、折射、衰減等變化，最終形成復雜信號，用何種方法能將采集到的復雜信號進行有效的分析和處理，減少漏檢誤檢，從而獲取足夠多反映真實情況的信息是一個重要難點。針對以上問題，本文應用傅里葉頻譜分析，研究閥門內漏信號提取方法，有效濾除環境噪聲影響[6-8]。

1 閥門內漏聲學數據采集

1.1 閥門內漏聲學監測實驗系統

為采集閥門內漏聲學信號，設計了如圖 1 所示的閥門內漏聲學監測實驗系統，該系統由2部分組成，包括內漏模擬裝置部分和內漏檢測部分。內漏模擬試驗裝置由壓縮機、儲氣罐、出入口閥門、壓力表、安全閥、連接件、測試閥門、流量計、消音器以及輸氣管路組成，壓縮機輸出的空氣存入儲氣罐，通過儲氣罐出入口的閥門調節儲氣罐充放氣過程以穩定在所需壓力，測試閥門通過變徑連接件與輸氣管路相連，下游端連接流量計精確檢測內漏率，末端連接消音器減小噪聲，儲氣罐內壓縮空氣壓力調節到預設壓力后，關閉入口閥門，完全打開出口閥門，氣流沿著箭頭所示方向前進進入測試閥門，進流量計檢測計量后排出。通過調節儲氣罐出入口閥門開關及壓縮機出口壓力實現不同壓差工況，調節測試閥門手輪開關，實時觀察流量計讀數到預期內漏率數值實現不同內漏率工況，可更換不同壓差、內漏率或者不同壓差不同工況相互組合，以便開展更多種閥門內漏工況實驗。

內漏檢測部分包括聲發射傳感器、前置放大器、數據采集卡和上位機數據分析軟件組成。聲發射傳感器通過耦合劑附著于測試閥門閥體上下游，將內漏產生的聲發射信號轉換為電壓信號，該信號經過前置放大器放大后遠距離傳輸到數據采集卡。

圖1 閥門內漏聲學監測實驗系統

2 模擬實驗聲學數據采集

基于以上閥門內漏聲學監測實驗系統，分別開展了閘閥、球閥內漏模擬實驗。利用DN25、DN32、DN40、DN50、DN65球閥測試0.4 MPa下氣體內漏率分別為4,8,12,16,20,24 L/min時的聲發射信號；利用DN65、DN80、DN150閘閥測試0.1 MPa下氣體內漏率分別為10，20，30，40，50 L/min時的聲發射信號。以上實驗數據作為信號處理分析樣本。

3 傅里葉帶通濾波方法

對模擬實驗獲得的閥門內漏聲發射檢測數據，提取波形文件后進行傅里葉變換，得到閥門內漏聲發射信號頻譜并確定峰值頻率，進而確定不同尺寸、不同類型閥門內漏聲發射信號頻帶分布?；诼曅盘栴l帶分布規律，確定理想帶通濾波器以實現對閥門內漏聲信號波形特征的提取以及信號的重構。

3.1 閥門內漏聲發射信號頻帶分布

對DN25、DN32、DN40、DN50、DN65球閥在氣壓為0.4 MPa、內漏流量分別為4,8,12,16,20,24 L/min條件下檢測數據進行波形文件提取，執行傅里葉變換得到其峰值頻率，結果如表1所示。

由表1可知，不同公稱直徑球閥峰值頻率分布范圍十分接近，即不同尺寸球閥內漏聲發射信號具有相似頻率特性。DN25、DN32、DN40、DN50、DN65球閥內漏聲發射信號頻譜峰值頻率主要分布于20～30 kHz范圍內。

根據DN65閘閥在實驗壓力和不同流量下的實驗數據及DN80、DN150閘閥在氣壓為0.1 MPa、內漏流量分別為10,20,30,40,50 L/min的內漏聲發射數據，利用同球閥分析方法得到峰值頻率分布如表2、表3所示。

表1 球閥內漏聲發射信號頻譜峰值頻率 kHz

由表2和表3可知，同尺寸閘閥內漏聲發射信號峰值頻率相近，DN65閘閥峰值頻率主要分布于30～40 kHz范圍內；DN80閘閥峰值頻率主要位于15～20 kHz范圍內；DN150閘閥峰值頻率主要位于20～30 kHz范圍內。觀察閘閥的峰值頻率分布可以發現，相同公稱直徑閘閥在不同內漏流量條件下的峰值頻率近似相等，而不同公稱直徑閘閥峰值頻率相差較大。由此可知，不同尺寸閘閥，要選擇不同頻帶進行分析。

表2 DN65閘閥內漏聲發射信號頻譜峰值頻率 kHz

表3 DN80、DN150閘閥內漏聲發射信號頻譜峰值頻率 kHz

3.2 理想帶通濾波器處理

根據聲信號頻帶分布可知，球閥內漏聲發射信號頻譜峰值頻率分布于20～30 kHz范圍內。為確定該頻帶內信號是否為閥門內漏產生，本文采用基于傅里葉變換的理想帶通濾波器，對聲發射信號進行濾波，濾波器通帶設置為20～30 kHz。

對DN25球閥在氣壓0.4 MPa、內漏流量分別為4 L/min條件下進行閥門內漏聲發射信號進行濾波，并進行信號重構，重構信號波形如圖2所示。

圖2 DN25球閥原始信號、重構信號波形

取DN80閘閥在氣壓0.1 MPa、內漏流量分別為40 L/min的內漏聲發射信號進行濾波，進行信號重構，重構信號波形如圖3所示。

比較DN25球閥、DN80閘閥濾波前后波形幅值，信號重構后波形信號發生明顯變化，且幅值與原始波形信號差別不大，說明通過傅里葉變換帶通濾波對閥門內漏信號處理效果良好。

圖3 DN80閘閥原始信號、重構信號波形

分別對DN25球閥在氣壓0.4 MPa、不同流量的內漏聲發射信號和DN80閘閥0.1 MPa、不同流量的內漏聲發射信號及其濾波后信號進行傅里葉變換，得到信號頻率，如圖4、圖5所示。

圖4 DN25球閥原始信號、重構信號頻譜

圖5 DN80閘閥原始信號、重構信號頻譜

如圖4、圖5所示，經過濾波，濾波器通帶以外頻率的信號濾除，原始信號中DN25球閥峰值頻率主要分布在15～20 kHz，重構信號保留高能量峰值頻率分布信號，如表4所示，DN25球閥在不同內漏流量條件下，重構信號與原始信號峰值能量偏差最大值為7%，最小值為6%；重構信號與信號峰值頻率偏差最大值為7%，最小值為0.4%，偏差均小于10%，良好地保存了內漏信號的完整性。

表4 DN25球閥重構信號偏差

4 結論

a) 針對化工裝置常見閥門內漏工況，設計了閥門內漏模擬實驗裝置，通過手動控制被測閥門開度模擬閥門內漏，獲得閥門內漏信號，信號與化工閥門內漏場景相似度高。

b) 利用傅里葉變換對閥門內漏信號進行帶寬分布分析，發現閘閥頻率范圍主要分布于15～40 kHz，相同公稱直徑閘閥在不同內漏流量條件下的峰值頻率近似相等，而不同公稱直徑閘閥峰值頻率相差較大。

c) 對閥門內漏進行理想帶通濾波器處理，對原始信號進行重構，閥門內漏信號保存完整性良好，傅里葉帶通濾波針對閥門內漏信號處理效果良好，可作為聲學檢測閥門內漏信號處理手段。