基于聲發(fā)射的天然氣管道閥門內漏檢測技術

劉海松

(北京市公用事業(yè)科學研究所，北京 100011)

1 概述

近幾年，燃氣事故時有發(fā)生。僅2022年第3季度，全國(不含港澳臺)燃氣事故共發(fā)生216起，造成17人死亡、136人受傷，其中較大事故2起。

對天然氣管道閥門進行內漏檢測，聲發(fā)射檢測技術是一種十分有效的技術手段。通過該技術，可實現(xiàn)閥門內漏在線檢測，具有檢測精度高、抗干擾能力強、操作便捷等優(yōu)勢，同時不會對管道閥門產生不利影響，確保天然氣輸配質量與安全。

2 閥門內漏聲源特征

① 噴流噪聲

如果閥門泄漏口較小，高速天然氣經(jīng)泄漏口噴射到下游管道過程中，會產生噴流噪聲。天然氣管道大多是高壓管道，內漏時天然氣具有很高的流速，因此噴流過程主要是湍流，并對周邊天然氣產生卷吸效應，高頻噪聲由此產生。通過大量實踐分析發(fā)現(xiàn)，噴流噪聲是最常見的內漏聲源。

② 阻塞噴注噪聲

如果閥門前后壓力比超過1.893，受泄漏口影響產生的沖擊波會沿軸線產生一系列沖擊波室。當泄漏天然氣形成的渦流從沖擊波室穿過時，會出現(xiàn)相互干擾，此時產生的噪聲就是阻塞噴注噪聲。

③ 渦流噪聲

如果天然氣從障礙物通過的過程中不斷有渦流形成、脫落，因壓力脈動形成的應力波就會在障礙物表面發(fā)生作用，此時伴隨產生的噪聲就是渦流噪聲。這種噪聲大多出現(xiàn)在閥門泄漏口位置，因閥門閥芯損傷或密封圈損傷所致。

3 閥門內漏聲發(fā)射檢測機理

聲發(fā)射屬于物理現(xiàn)象，它指在物體自身形變或受到外部作用情況下，因彈性能量迅速釋放而引發(fā)的瞬態(tài)應力波產生。如果材料中出現(xiàn)了聲發(fā)射現(xiàn)象，聲源發(fā)射出的各個信號所涵蓋的信息可對其內部結構、狀態(tài)變化和缺陷性質造成干擾。因此，借助靈敏度足夠的儀器設備對這些發(fā)射信號進行接收和處理，再對聲發(fā)射源進行特征參數(shù)的研究與分析，便可實現(xiàn)材料結構、內部缺陷、發(fā)展趨勢和變化程度等的推斷。

在天然氣管道運輸中，如果閥門出現(xiàn)內漏，泄漏口處會在閥門壓差作用下形成噴流，不僅會擾亂天然氣的穩(wěn)定流動，而且會使閥門與天然氣產生相互作用，閥壁上會有高頻應力波產生，并向外進行能量輻射。應力波包含泄漏口位置、泄漏強度等信息，它會沿著閥體傳播到兩側天然氣管道，這樣聲發(fā)射檢測系統(tǒng)會在天然氣管道閥門泄漏口位置及附近檢測到該應力波和噴流噪聲。通過對噴流噪聲信號進行處理，可有效判斷出泄漏位置與泄漏強度等信息，為后續(xù)維修提供科學準確的依據(jù)。

聲發(fā)射檢測系統(tǒng)進行天然氣管道內漏噴流噪聲檢測的工作原理是以晶體元件為基礎的壓電效應。應力波的傳播形式是質點運動，包括縱波、橫波和表面波等。當這些應力波質點傳遞到聲發(fā)射傳感器接觸面(接觸面是壓電陶瓷晶片)上時，會帶動接觸面上的質子運動，進而使壓電陶瓷產生拉伸和壓縮效果，從而實現(xiàn)應力波到電信號的轉換。聲發(fā)射傳感器將電信號輸送到聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器中。在接收到電信號后，聲發(fā)射檢測系統(tǒng)會對其進一步處理，以數(shù)字信號形式輸出。

4 聲發(fā)射檢測系統(tǒng)

聲發(fā)射檢測系統(tǒng)主要包括檢測裝置、信號分析方法和軟件。

① 檢測裝置

檢測裝置主要包含硬件和軟件，硬件主要包括聲發(fā)射傳感器(簡稱傳感器)、前置放大器、數(shù)據(jù)采集器。硬件主要作用是對閥門內漏中聲發(fā)射信號進行采集、傳輸和放大。軟件主要作用是對采集到的信號進行分析和處理，對內漏程度進行確定，對內漏分析結果進行顯示、儲存和打印。

a.傳感器

閥門內漏產生的噴流產生非常微弱的聲發(fā)射信號，加之環(huán)境噪聲比較強，為實現(xiàn)泄漏準確檢測，應用SR10型諧振聲發(fā)射傳感器，其諧振頻率是40 kHz，頻率檢測范圍是15～70 kHz[1]。具體應用中，通過耦合劑將該傳感器的接觸面和被測管道表面耦合，通過磁性夾具做好固定，這樣可使內漏閥門中的聲發(fā)射信號通過閥壁以及耦合劑時損失最小，能有效傳輸至壓電陶瓷晶片。

b.前置放大器

因為壓電陶瓷晶片產生的電荷量非常小，且阻抗很高，所以在具體應用中，為實現(xiàn)壓電陶瓷晶片微弱信號的輸出，將具有較高阻抗的前置放大器安裝到傳感器后端，使其對檢測信號進行放大處理。選擇的前置放大器主要技術參數(shù)見表1。

表1 選擇的前置放大器主要技術參數(shù)

c.數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器可對放大后的檢測信號進行A/D轉換，使其成為二進制形式的數(shù)字信號，對數(shù)字信號進行分析和處理。選用的數(shù)字采集器主要技術參數(shù)見表2。

表2 選用的數(shù)字采集器主要技術參數(shù)

② 信號分析方法

閥門內漏的聲發(fā)射信號具有多樣性和不確定性，且環(huán)境因素對其產生很大干擾。因此聲發(fā)射信號的分析和處理成為影響閥門內漏檢測準確性的一個主要因素。基于此，在聲發(fā)射檢測系統(tǒng)中，通過小波分析法對閥門內漏檢測信號進行變時窗分析，即通過較寬時窗對信號含有的低頻分量進行分析，通過較窄時窗對信號含有的高頻分量進行分析，并對各種頻率范圍內的聲發(fā)射信號進行頻域特性參數(shù)以及時域特性參數(shù)的提取。具體分析中，將聲發(fā)射信號用4層小波法分解成5個頻帶，分別對各頻帶的信號進行重構，使其轉變成原始信號形式，然后在頻域范圍中對其進行頻域峰值的提取，在時域范圍中對其進行均方根的提取。將提取出來的各種特性參數(shù)和內漏率進行對比分析，最后建立相應的關系模型。

③ 軟件

利用LabVIEW圖形化編程語言開發(fā)聲發(fā)射檢測系統(tǒng)軟件。在聲發(fā)射檢測系統(tǒng)軟件結構中，主要有數(shù)據(jù)采集、時域分析、頻域分析、結果顯示、結果儲存和打印等模塊。每個模塊都可以獨立運行，但是各模塊之間又形成一種良好的協(xié)調合作關系，以此來完成閥門內漏數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示、儲存、管理和打印。

5 聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的應用試驗

① 試驗設計

某D580×8天然氣管道上有1個內漏閥門，閥門上游壓力為2.5 MPa，將該閥門上游的調壓閥關閉，在該閥門關閉且內漏情況下進行聲發(fā)射信號采集，將傳感器設置在閥門附近。閥門泄漏口近似為矩形，尺寸為7 cm×0.7 cm。采集中，每間隔1 s進行1次聲發(fā)射信號的4層小波法分解和重構，然后對每個頻帶中的頻域峰值和時域均方根進行提取，最后根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對內漏率和聲發(fā)射特性參數(shù)進行曲線擬合。

② 試驗結果

a.閥門內漏率隨閥門壓差的變化

閥門內漏率隨閥門壓差的變化曲線見圖1，圖1展示了數(shù)據(jù)點、擬合曲線。

圖1 閥門內漏率隨閥門壓差的變化曲線

由圖1可以看出，在閥門上游的調壓閥關閉之后，閥門內漏屬于泄壓過程，隨著壓差逐漸降低，內漏率也呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。即在泄漏口尺寸不變的情況下，閥門內漏率與壓差成線性關系[2]。

b. 時域均方根與閥門內漏率的關系

通過4層小波法將聲發(fā)射信號分解成5個頻帶，見表3。分解之后再對這些信號進行重構，并對其時域信號進行均方根提取。時域均方根隨閥門內漏率的變化曲線見圖2。

表3 通過4層小波法將聲發(fā)射信號分解成的5個頻帶

續(xù)表3

圖2 時域均方根隨閥門內漏率的變化曲線

c. 頻域峰值與閥門內漏率的關系

通過4層小波法將聲發(fā)射信號分解后，各頻帶的頻域峰值與閥門內漏率的關系曲線見圖3。

圖3 頻域峰值與閥門內漏率的關系曲線

由圖3可見，在閥門內漏時，伴隨著內漏程度加大，頻域峰值也越來越高，A4頻帶和D4頻帶的頻域峰值變化尤其明顯。因此在檢測過程中，可以將頻域峰值作為內漏程度評價標準，頻域峰值變化越明顯，說明閥門內漏越嚴重。

6 結論

對基于聲發(fā)射的天然氣管道閥門內漏檢測技術進行探討。介紹閥門內漏聲源特征和閥門內漏聲發(fā)射檢測機理，闡述聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的組成和功能，進行聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的應用試驗。試驗發(fā)現(xiàn)：閥門內漏率與閥門壓差成線性關系；可以將時域均方根作為內漏程度判斷標準，時域均方根變化幅度越大，說明閥門內漏越嚴重；可以將頻域峰值作為內漏程度評價標準，頻域峰值變化越明顯，說明閥門內漏越嚴重。