聲發射技術在管道泄漏監測中的應用研究

吳錚

摘? ?要：本文主要研究聲發射檢測在螺栓法蘭接頭（BFJ）連接的管路系統及監測閥門泄漏監測中的應用，研究模擬不同工況下（泄漏量、閥門內漏）聲發射泄漏信號的特性參數的規律，以便更好地指導該技術在日常檢驗、監測中的應用。通過在搭建的試驗平臺上進行的一系列試驗可以得出通過監測聲發射幅值、平均信號電平（ASL）、有效值電壓（RMS）等數值的規律能比較靈敏地應用于監測BFJ連接系統泄漏和閥門的內漏中。

關鍵詞：聲發射? 管道;閥門? 泄漏

中圖分類號：TP274.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）03（b）-0033-03

Abstract： This paper mainly studies the application of acoustic emission detection in pipeline system connected by bolted-flange-joint（BFJ）and monitoring valve leakage monitoring， and studies the rule of characteristic parameters of acoustic emission leakage signal under different working conditions （leakage rate ， valve leakage）， so as to better guide the application of this technology in daily inspection and monitoring.Through a series of tests conducted on the built test platform， it can be concluded that BFJ connection system leakage and internal leakage of valve can be detected sensitively by monitoring the law of acoustic emission amplitude， average signal level （ASL）， RMS and so on.

Key Words： Acoustic emission; The pipe; The valve; Leakage

管道泄漏的起因主要由閥門的泄漏、BFJ連接系統和焊縫處制造缺陷引起。這三部分組成的管道廣泛應用于石化行業的廠內壓力容器和工藝管道的連接中，管道的泄漏導致的事故時有發生，特別是近年來引起了使用單位特別是相關監管部門的高度重視，并逐漸推廣對未經投用前檢驗的管道進行定期檢驗，通過現有的檢驗技術針對管道開展的常規檢驗項目主要有宏觀檢驗、壁厚檢測、探傷抽查和耐壓試驗等，這些檢測手段能有效地檢測出母材和焊縫的制造缺陷，但是BFJ連接系統和閥門在運行時受到操作溫度、介質壓力和管路自重產生的附加彎矩、軸向力等載荷作用下，易發生泄漏事故。通過管道定檢的常規檢驗不能有效地檢測、監測，造成漏檢的風險，降低了檢驗工作的可靠性。目前針對管道泄漏有效的檢測手段有直接檢漏和間接檢漏兩種方式[1]。而聲發射在管道直接檢漏的應用還比較少，現在還處在實驗室階段。需要通過大量的試驗來驗證該檢測方法的有效性，因此本實驗室搭建了一個模擬不同工況的實驗平臺來對聲發射在管道不同部位中的監測應用進行研究，以便更好地指導該技術在日常檢驗、監測中的應用。

1? 管道泄漏監測的發展現狀

1.1 管道泄漏監測的主要方法

管道系統泄漏監測的方法主要分為硬件和軟件兩種方法和技術[2]。基于硬件的方法有聲發射檢測——通過貼在管道外壁上的傳感器采集到的實時數據直接監測泄漏點。也有現場的氣體探測器直接檢測泄漏到外面的氣體等方法;軟件法主要是通過上述硬件技術采集管道內介質的壓力、溫度、流量等相關參數的變化。有基于物質平衡的檢測方法，基于模型的檢測方法和基于信號處理的等方法[4]。通過數學建模對管道數據的并結合管道內介質的流動狀態實現對泄漏的檢測及定位。其中基于軟件的管道檢漏方法是通過與其對應的硬件技術相結合共同實現的。

1.2 管道泄漏監測及研究現狀

現在國內大部分的石化工廠對管道的泄漏監測主要停留在現場的巡檢和定期檢修階段，沒有很好地推廣應用實時監測的檢驗方法。管理比較好的企業會在現場配備一定數量的氣體檢測儀器，但都是停留在被動檢測。不能很好地對關鍵部位管道的泄漏缺陷進行提前預防和監測。管道的在線監測已逐漸成為研究的熱點。李振林等基于閥門氣體體積泄漏率與聲發射信號均方根定量關系的聲發射技術對閥門泄漏率的誤差可以控制在10%以內[5];張鵬林等通過互相關分析法對泄漏管道進行了定位[6];王永濤等利用DSP技術進行譜分析，并將泄漏譜在頻域相減，實現了弱小泄漏的有效檢測。然而聲發射在管道的檢測中的應用難點——對于大流量的管道，背景噪音會把泄漏的聲發射信號淹沒;聲發射技術在管道泄漏技術的檢測泄漏的準確性和定位精度與其他技術相比還具有一定的誤差。因此，如何基于聲發射技術對管道進行泄漏監測的應用需要進一步的試驗研究。

2? 管道泄漏的聲發射監測原理及試驗平臺的搭建

管道的泄漏主要由閥門和BFJ連接系統的泄漏引起的。介質在泄漏過程中伴隨著與管道壁的摩擦沖擊，產生的彈性波沿著壁面傳播到聲發射傳感器使得其產生表面位移，這些傳感器將壁面的機械振動轉換為電信號，然后被放大、處理和記錄。根據不同傳感器接收到信號的時間差及接收到信號的能量大小，可以定性以及定量出泄漏的位置。試驗室為研究管道BFJ連接系統和閥門的泄漏特搭建了一個檢測平臺（見圖1），來采集泄漏信號進行分析。

3? 試驗方案

3.1 聲發射檢測參數

檢測儀器：SAMOS PCI-8 48通道聲發射檢查系統;傳感器信號：R3I-AST;檢測頻率：20～100kHz;增益：40dB;門檻電平：40dB;檢測參考標準：GB/T 33643-2017《無損檢測 聲發射泄漏檢測方法》[6]。

3.2 傳感器的布置

對于BFJ連接系統和閥門的內泄漏工況，傳感器布置在連接系統法蘭和儲罐底部的排放閥門的外表面，采用單傳感器如圖1所示。

3.3 試驗步驟

（1）將設備內通入氮氣/壓縮空氣靜置，關閉設備與其相連的閥門。

（2）如圖1布置傳感器，對通道進行模擬源聲發射幅度值靈敏度校準，靈敏度不低于85dB。

（3）背景噪聲測試，設置門檻值。

（4）運行聲發射檢測儀，檢測時通過人為的擰動螺母和控制閥門的開合度大小，來模擬BFJ連接系統、閥門的不同泄漏量，記錄聲發射信號，檢測結束后，再次按2）進行通道靈敏度校準。

（5）檢測結束后，提取出有用的參數進行分析，觀察泄漏信號的特征和規律。

4? 管道泄漏的信號分析

4.1 BFJ連接系統的檢測信號分析

采用聲發射單通道ASL、RMS采集模式，通過力矩扳手松動BFJ連接系統中的單個螺母來模擬系統的泄漏，通過聲發射幅值-時間，ASL-時間的數據采集如圖2，從數據表1可以得出信號的大小隨著螺母的開合度增大而增大，幅值、RMS、ASL值和能量值也隨著泄漏的增加而增大。

4.2 閥門泄漏在線檢測信號分析

采用聲發射單通道ASL、RMS采集模式，針對閥門內漏的模擬信號采集聲發射幅值-時間，ASL-時間的數據采集如圖3，等數據穩定后，通過2組控制閥門開合度大小模擬閥門內漏的試驗和數據表2的規律可得隨著閥門開度的減小，閥門內漏信號的幅值、RMS、ASL和能量逐漸降低。

5? 結語

（1）在壓力不變的情況下，通過調整BFJ連接系統中個別螺母的松緊來模擬系統的泄漏，通過對單通道聲發射信號的監測，信號的幅值和ASL等數據隨泄漏率程規律變化，可作為泄漏監測的依據。

（2）在壓力不變的情況下，通過控制閥門的開合度大小來模擬泄漏，隨著模擬泄漏率從大到小觀察其聲發射信號的規律可知信號的幅度和ASL值也由大變小，呈一定規律，可以很好地運用在閥門內漏的監測中。

（3）試驗難點：對微小泄漏的聲發射強度極其微弱，檢驗現場的背景噪音可能將泄漏的信號淹沒，需要使用兩個傳感器，一個檢測泄漏信號，另一個檢測背景噪聲并將其過濾，同時在數據采集時要對采集的數據進行濾波設置，以濾除泄漏信號頻譜以外的疊加信號[3];連續泄漏的定位精度不高，需要后期進一步的試驗研究。

參考文獻

[1] 孔德連，霍臻，楊元慶，等.聲發射技術在閥門泄漏在線監測方面的應用[A].中國第十五屆聲發射學術研討會[C].2016.

[2] 丁輝，王立，張貝克，等.現代管道泄漏檢測技術[J].現代科學儀器，2005（6）：11-15.

[3] 王永濤，韓建，牟海維，等.基于聲譜分析的閥門內泄漏檢測系統[J].大慶石油學院學報，2006（3）：72-73.

[4] 劉恩斌，彭善碧，李長俊.現代管道泄漏檢測技術探討[J].管道技術與設備，2004（5）：17-19.

[5] 李振林.基于聲發射理論的閥門氣體內漏量化檢測研究[J].振動與沖擊，2013，32（15）：77-81.

[6] 張鵬林，王汝姣，姜宜成，等.基于聲發射技術的管道泄漏檢測研究[J].甘肅科學學報，2017，29（3）：86-91.

[7] GB/T 33643-2017，無損檢測 聲發射泄漏檢測方法[S].