聲發射信號在輸氣管道中的傳播特性研究

吳畏　張國慶　衣粟　孫洪彬　王培東 張英杰

摘 要：通過介紹次聲波在管道中傳播的特點、壓電原理、小波包降噪法來分析聲發射采集管道泄漏信號的原理，并進行了斷鉛實驗，傳感器采集了5個位置的聲發射信號，通過分析這些次聲波信號驗證次聲波在管道中具有的受環境影響小、信號損耗低、信號誤報率低等良好的傳播特性。

關鍵詞：管道運輸;聲發射;次聲波信號

中圖分類號：TE973

管道運輸已經成為我國運輸液體或氣體物資的一種主要方式，然而管道運輸過程中受到管道占壓、腐蝕、老化原因的影響，由于管道內外介質的化學、電化學作用或由微生物的代謝活動，管道逐漸被侵蝕和變質，使得管道被腐蝕老化，出現管道泄漏現象[1]。管道泄漏對我國國民生產生活造成極大的損失，及時檢測到管道泄漏能夠最小化地減少損失，因此管道泄漏檢測具有重要意義。管道泄漏檢測方法有光纖檢測法、負壓波法、漏磁檢測法、次聲波法（聲發射檢測技術）等，其中次聲波檢測是管道泄漏檢測應用最廣泛的一種方法。聲發射檢測技術具有以下幾點優勢：精度高，僅探測在外加應力結構的下缺陷的活動情況，誤報的概率低[2]。施工便利，次聲波傳感器與外管壁接觸，方便傳感器安裝的施工與維護。管道的幾何形狀要求不高，對于任意尺寸的管徑、管壁都適用[3]。

一、聲發射檢測技術原理

當管道出現裂紋時，管道材料中由局部應力集中源的能量迅速釋放而產生的瞬時彈性波，這些彈性波包括超聲信號波、可聽信號波以及次聲信號波。聲波信號在管道中的傳播的聲強衰減遵循公式：

上式中I0表示入射初始聲強，Id為深入媒質d距離處的聲強，α為衰減系數，其中聲波波長越長衰減系數α越小，聲強損耗越小。在實際的管道泄漏檢測的過程中，由于超聲波與可聽波的波長較短，在長距離運輸過程中波長損耗嚴重，所以適合遠距離檢測管道泄漏的信號為次聲波信號[4]。

聲發射傳感器的工作原理為：傳感器采集到的彈性波擠壓傳感器中的壓電陶瓷材料使其變形，壓電陶瓷材料內部電荷會產生極化，正負電荷相反的方向移動，在壓電材料內產生電勢差，如圖1所示，從而將運動信號轉換為電壓信號，傳入信號處理系統[5]。

實際的管道現場存在著諸多聲波信號，造成干擾的信號存在造成誤判、漏判，所以，降噪工作是必不可少的。將信號進行離散化處理，選擇合適的基函數，將信號分解，信號頻率可以通過二分法分解為多個頻段，在每個頻段內對比真實信號與干擾信號的系數，干擾信號的系數小于真實信號系數，設置閾值，小于閾值的值去除，大于閾值的值進行保留或收縮處理。

二、聲發射在管道中的傳播特性試驗

在管道上利用鉛筆斷裂時產生的聲波信號來模擬管道斷裂時產生的次聲波信號，在距離聲發射傳感器每隔10厘米的位置，自動鉛筆0.5毫米的鉛芯伸長2.5毫米與管道成30°夾角，用力折斷鉛芯，每個位置重復10次。斷鉛實驗模擬聲發射信號具有方便、快捷、有效等優點[6][7]。

實驗所采用到的實驗儀器有聲發射傳感器（與管道外壁利用聲發射耦合劑耦合）、信號放大器、信號采集器、計算機（軟件處理）。具體的連接順序圖2所示：

實驗共取點50次，排除3次實驗數據出現偏差（已將數據排除），其余數據均表現出了聲波良好的傳播特性。選取10cm與50cm兩個點出的兩幅聲波信號圖：

如圖3以及圖4所示，斷鉛產生的次聲波在管道中具有良好的傳播特性。

三、結論

論述了聲發射檢測管道泄漏的原理，實驗中斷鉛在管道附近產生的聲波信號頻率主要集中在100K左右，與聲發射信號頻率類似，從而驗證聲發射信號在管道中具有受環境影響小、信號損耗低、信號誤報率低等良好的傳播特性，可以用作管道泄漏檢測工作。

參考文獻：

[1]胡楊曼曼，鮑郃，王佳偉.管道泄漏檢測系統中次聲波信號傳播規律研究[J].遼寧化工，2014，43（4）：452-454.

[2]張武，韓毅，廖子先.壓力管道裂紋泄漏定量技術分析[J].河南科技，2013，（23）：67.

[3]劉濤，王寶光，高華，等.基于聲發射技術的管路泄露檢測系統研究[J].新技術新工藝，2007，（8）：34-36.

[4]溫建平，卜壽亮，張靈輝，等.基于泄漏聲波的衰減特性對金屬水管漏點定位研究[J].大學物理，2013，32（7）：29-32.

[5]LIAO T W，TING C F，QU J，et al.A wavelet-based methodology for grinding wheel condition monitoring[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture，2007，47（3-4）：580-592.

[6]張志強，張國勝，劉艷芳，等.斷鉛試驗聲發射信號處理與損傷源定位研究[J].中國測試，2015，41（8）：17-21.

[7]郭力，霍可可.斷鉛筆芯聲發射實驗信號研究[J].機電工程，2018，35（7）：663-667+684.

作者簡介：吳畏（1983— ），男，漢族，安徽壽縣人，本科，工程師，研究方向：壓力容器壓力管道檢驗研究。