閥門內漏聲發射監測及其信號特征提取與分析

李海云，朱漢華，吳 潔，尹志生

（武漢理工大學 船海與能源動力工程學院，湖北 武漢 430063）

閥門在管路系統和許多工業裝置中是不可缺少的流體控制部件之一，它起著控制介質輸送、調節壓力與流量等工藝參數及應急保護系統故障等作用。然而，由于工作環境、操作方式、閥門自身結構特點等因素的影響，閥門泄漏尤其是閥門內漏已經成為閥門故障中普遍存在的現象。由于閥門內漏在其故障前期不易被檢測，因此給管路系統和工業裝置的故障診斷和安全預警帶來障礙。研究閥門內漏的特性和精確、便捷的閥門內漏檢測方法成為急需解決的工程問題。

已有的閥門內漏檢測方法有加壓檢測法、真空檢測法和氣泡法，由于其效率低、不能實現在線檢測等缺點，已不能滿足閥門內漏檢測的客觀需求。經過國內外學者對閥門泄漏檢測的多年研究，目前可用的方法得到充分發展，比如壓降法、振動法、熱紅外法、超聲檢測法、聲發射檢測法等在線檢測技術。其中，聲發射檢測法因具有適用范圍廣、對線性缺陷敏感、適用于惡劣環境等優點，已得到長足的發展。但聲發射檢測法仍存在局限性，如：未知因素過多、存在干擾信號、信號采樣頻率過高、對硬件設備要求高等[1]。

基于上述分析，本文在聲發射檢測法的基礎上進行調整，調整后的聲發射檢測方法采集的信號有效頻率低，受環境噪聲和干擾的影響較小，信號采樣和處理速度大大提高。對采集的信號進行時頻域特征分析與特征值提取，利用小波包分解對信號的能量分率進行研究，探究其與閥門完全密封、閥門內漏等工況的關系。

1 閥門內漏聲波檢測方法

閥門泄漏可分為閥門外漏與閥門內漏，產生閥門內漏的原因較多，主要包括：閥門在生產時工藝缺陷，由此導致夾渣、砂眼等鑄造缺陷；現場施工、安裝質量差，存在重視法蘭密封而輕視內部密封的情況；介質在運輸中含有雜質，導致閥門閥桿卡死，閥桿阻塞，不能完全關閉；閥門在使用過程中操作不規范，如：不按規定打開和關閉，容易造成閥桿變形及密封面損壞，導致閥門不能完全關閉；閥門密封面在開關過程中可能發生機械損失，使密封表面磨損或者產生壓痕；閥門工作環境惡劣，長期處于溫度變化劇烈、壓力較大的環境中，對閥門密封件的影響很大，容易導致閥門加速老化和泄漏[2-5]。

本文選用聲發射（AE）方法檢測閥門內漏，聲發射是指材料或結構產生變形或斷裂時，以彈性波的形式迅速釋放能量的現象[6-7]，當閥門出現裂縫或漏孔時，閥門上下游存在的壓力差使得介質從泄漏處高速噴射而出，由于沒有邊壁的限制，噴射出的介質會在泄漏處擴散流動繼而形成湍性射流，引起閥門下游壓力波動，形成聲波，同時由于閥門上游介質異常流失，同樣會造成上游壓力波動形成聲波。因此，通過傳感器將閥門內漏產生的聲波信號轉換為電信號并進行特征分析，可以實現閥門內漏的監測。閥門內漏檢測試驗系統示意圖如圖1所示。如果閥門發生內漏，介質流入下游產生聲波，下游的傳感器能檢測到明顯的異常信號，對信號進行特征提取與小波包能量分率的研究可以有效區分閥門內漏與閥門完全密封、閥門正常開啟、閥門正常關閉、外部敲擊管道等工況。

圖1 閥門內漏檢測試驗系統示意圖

2 閥門內漏試驗檢測方案

液體介質閥門內漏模擬裝置包括水箱、離心泵組、管道、壓力表、流量計、閥門等。該裝置可通過調節8 個離心泵組成的4 個泵組，進而提供0.2～1.2 MPa 的管道進口壓力。被測閥門的尺寸為DN40，可手動調節閥門開度并有具體數值顯示。內漏信號檢測系統包括三相振動加速度傳感器、數據采集卡NI9234 和計算機等，試驗所用的三相振動加速度傳感器在X、Y、Z3個方向的頻率響應范圍為0.3～10.0 kHz，靈敏度為1 mv/ms-2，傳感器可黏在底座或用砂紙打磨后的管道上。數據采集卡NI9234 為4 通道動態信號采集模塊，動態范圍為102 dB，廣泛應用于加速度傳感器和聲信號傳感器。試驗時，通過離心泵組將閥門進口壓力增加至0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa、1.0 MPa、1.1 MPa、1.2 MPa，壓力穩定后，分別采集閥門開度為5%、7.5%、10%、12.5%、15%、17.5%、20%的內漏信號，并對流量進行監測[8]。

3 試驗結果與分析

3.1 內漏信號時頻域特征分析

通過提取3 個傳感器所采集的信號特征值，決定采用1#傳感器的數據。閥門完全密封及內漏工況的時域圖如圖2所示。圖2（a）為閥門完全密封工況，圖2（b）為內漏工況（進口壓力0.4 MPa、閥門開度為15%）。

圖2 閥門完全密封及內漏工況的時域圖

由圖2 可知，在閥門正常及內漏工況下，其聲波信號為隨機分布狀態，閥門內漏時，其信號幅值明顯增大。閥門完全密封及內漏工況的頻域圖如圖3 所示。由圖3 可知，閥門未發生內漏時，其信號大多集中在低頻段，且頻譜能量大部分較低，個別頻率幅值突出，而閥門發生內漏時，信號集中在中高頻段，頻譜能量高于正常工況，在正常工況下幅值突出的個別頻率在內漏工況下依然存在，大部分幅值在0.5（m·s-2）2/Hz 以下。因此，根據信號的時域圖和頻域圖可以判斷閥門處于正常狀態或內漏狀態。

圖3 閥門完全密封及內漏工況的頻域圖

為排除閥門在工作時的各種干擾對信號的影響，試驗采集了閥門正常開啟、正常關閉和外部敲擊管道3 種工況，并對其信號進行時頻域分析。干擾信號的時域圖如圖4所示，干擾信號的頻域圖如圖5所示。

圖4 干擾信號的時域圖

圖5 干擾信號的頻域圖

對比圖2 與圖4，閥門在正常開啟時，信號幅值在某一時間點發生突變，隨著開啟角度的增大，幅值隨之先增大后減小，最后信號趨于平穩，呈現為隨機分布狀態，且此時幅值大于初始時的幅值；閥門正常關閉的信號波形在初始時為隨機信號，由于閥門關閉，信號幅值先增大后減小，且在某一時間點突變，最后亦發展為隨機信號，且此時幅值小于初始時的幅值；管道受到外部敲擊時，信號幅值發生突變，其余時間均呈現隨機分布狀態。對比圖3 與圖5，閥門正常開啟與正常關閉的頻域波形與泄漏的頻域波形較為類似，但在分布上，閥門正常開啟與關閉的頻率集中在2 000～8 000 Hz，在其余頻率分布較少，且閥門開啟的幅值大于關閉時的幅值，而閥門內漏的信號在2 000～12 000 Hz 上分布較為均勻；管道在受到敲擊時，信號幅值更為突出且大多集中在低頻段。因此，通過時頻域圖像的特征差別可以判斷閥門內漏、完全密封、正常啟停泵和外部敲擊等工況。

3.2 閥門內漏信號特征值提取

通過對采集的內漏信號進行特征值提取，可以提取信號的有效信息，便于閥門是否發生泄漏及泄漏量的判斷。以試驗的進口壓力為0.4 MPa、閥門開度為15%的數據為參考，對其特征參數與進口壓力、泄漏速率的對應關系進行探究。部分特征參數與閥門進口壓力、泄漏速率的定量關系如圖6所示。

圖6 部分特征參數與閥門進口壓力、泄漏速率的定量關系

由圖6 可知，由于閥門進口壓力與泄漏速率的增大，聲源活性增強，因此信號的各個特征參數也隨之增大。振動加速度aRMS值的增加與泄漏速率的增加為近似線性關系。

信號的幅值與泄漏速率、進口壓力正相關，且在壓力、泄漏速率較低時增加速度較快，在其較高時增速緩慢；信號的能量值增加幅度大，數量級由105增至108，增速則與幅值相反。

3.3 閥門內漏信號的能量分布

為進一步確定閥門內漏信號的頻率范圍和實現信號的有效識別，將內漏信號進行小波包能譜分析。由于小波分解在時域和頻域同時具有良好的局部化性質，是目前聲發射信號處理中應用最廣泛的方法之一[9]。將信號進行3 層小波包分解，得到[3，0]、[3，1]、[3，2]、[3，3]、…、[3，7]共8 個小波包，每個小波包的頻帶為1 600 Hz，頻率范圍為0～12 800 Hz。閥門內漏信號各頻段能量占比與閥門進口壓力、泄漏速率的關系如圖7 所示；進口壓力為0.4 MPa、閥門開度為15%時，其余工況的各頻段能量分布如圖8所示。

圖7 閥門內漏信號各頻段能量占比與閥門進口壓力、泄漏速率的關系

圖8 進口壓力為0.4 MPa、閥門開度為15%時，其余工況的各頻段能量分布

閥門在開度為15%時，內漏信號能量集中在2#～5#子帶，對應的信號頻率為3 200～8 000 Hz，閥門進口壓力由0.2 MPa 增至1.2 MPa 時，其能量占比由63.52%增至95.04%，高頻段（8 000～12 800 Hz）在壓力較低時有一定的能量占比，但壓力增大后所占比重則迅速下降；閥門進口壓力一定時，不同閥門開度的能量信號各子帶的能量占比與固定閥門開度時的規律大致一致，大部分仍集中在2#～5#子帶，且以3#子帶所占能量最多。

對比圖7 與圖8，可以看出閥門正常啟閉時的各頻段能量占比與閥門發生內漏時的特征較為類似，均在3#子帶占比最多，且大部分集中在2#～5#子帶，因此均可將其歸類為閥門關閉不嚴時的信號，根據其時頻域特征可對閥門狀態進行進一步區分；閥門完全密封與外部敲擊管道的能量分率與閥門關閉不嚴信號的能量分率完全不同，完全密封與外部敲擊管道均有約90%的能量位于1#子帶（0～1 600 Hz），其余子帶所占能量極少，也可根據信號的時頻域特征對這2種工況加以區分。

4 結束語

本文通過液體介質閥門內漏的模擬試驗，采集了不同工況下的信號，通過分析閥門在不同進口壓力、不同開度及其他工況下信號的特性，得到以下結論。

1）利用三相振動加速度傳感器對閥門內漏信號進行監測，內漏信號頻率范圍較寬且為連續型波形。內漏信號的特征參數與閥門進口壓力、泄漏速率為正相關關系，且aRMS值與泄漏速率近似線性相關。

2）進行工況信號的時頻域和小波包能量等分析，能夠有效區分閥門完全密封、發生內漏、受到外界干擾等工況。閥門發生內漏時信號幅值較大，頻率范圍較寬，且信號的能量主要集中在2#～5#子帶（3 200～8 000 Hz），該區間單個子帶最高能量占比可達48.299 9%，該區間能量占比之和最高可達95.04%。該結論可為后續的閥門內漏診斷建模提供依據。