基于声发射的天然气管道阀门内漏检测技术

基于声发射的天然气管道阀门内漏检测
技术
摘要：该阀具有开启或切断流体通路、调节和调节、防止回流、调节压力、
释放多余压力和排出液等目的。

为了保证气体输送作业的正常运行,管道阀,特别
是开关阀,必须有良好的密封性,如果阀门开口锁和阀座之间的密封不起作用,会
导致阀门泄漏。

在燃气行业,阀门的购买成本占站内总投资成本的8%,而阀门的维
修和更换成本约占设备维修和更换总成本的10%。

据统计,天然气管道泄漏故障占
一般阀门故障总数的10%以上,呈上升趋势。

其中,球阀误差最高,达到内部排放误
差总量的50%以上,磨削阀、磨削阀、排气阀、螺杆阀等。

还有广泛的内部通风问题。

关键词：声发射；天然气；管道阀门；检测技术
引言
天然气的运输与储存需要格外注重过程的安全性，对天然气系统进行压力的
调节也是一种重要的一环。

目前在调压阀的选择上，对工作产生的噪音、阀门的
开度，以及阀门的密封性能逐渐有着越来越高的要求。

在输气系统不断升级的情
况下，为使调压阀的使用性能充分发挥，需要对天然气调压阀工作中出现的问题
进行分析与经验总结，并探索相应的改进方法。

调压阀普遍应用于工业及民用各
种容器中，随着近几年供气系统的应用越来越普及，调压阀在天然气供气系统之
中的应用还需进一步稳定优化。

针对调压阀失效模式进行研究，并提出解决措施，能够有效地解决阀盖螺纹连接密封处漏气、呼吸孔处漏气、开闭缓慢等问题[2]。

1.声发射阀门内漏在线检测基本原理
声发射是一种常见的物理现象，在这种物理现象中，大多数工程材料在受到
外界的扭曲或影响时会产生声发射，在这种物理现象中，材料发出的信号的捕获、处理和分析使其能够推断出缺陷的内部结构或性质的干扰，并且气体管道材料状
态的变化会在泄漏时造成由于磨损、腐蚀、变形和其他造成连续声发射的因素造
成密封间隙，从而使用敏感的仪器获取时区内的声发射信号。

根据阀门泄漏时
产生的强信号(声信号)的特征，分析声压泄漏和声功率等源的声参数，推导出材
料中的微阵列和可能的变化趋势，将速度和能量表示为与泄漏速度成正比的声辐射，从而得到更丰富的声信号数据来识别故障。

2.调压阀的结构特点和控制方式
调压阀的结构特点，天然气调压阀主要分为阀体组件和执行机构组件两部分，主要由阀盖、阀杆、阀体、套筒、阀芯、推杆等组成。

为使介质能够更好地通过，内腔设计上采用直线对称式设计，流道也采取无障碍三直线流通型。

流体均匀分
布在阀门内部各个位置，有效地降低了流体的局部冲击，使得阀门更加稳定，同
时减少了紊流和噪音。

介质流量、压力的调节主要依赖于阀芯与套筒相对流通面
积的改变，阀芯通过一个90°角传动机构进行操作，沿阀门的中心线运动。

传动
机构由一对滑动的齿条组成，齿条分别位于阀杆和推杆上。

3.阀门内漏声源特征
①喷流噪声如果阀门泄漏口较小，高速天然气经泄漏口喷射到下游管道过程中，会产生喷流噪声。

天然气管道大多是高压管道，内漏时天然气具有很高的流速，因此喷流过程主要是湍流，并对周边天然气产生卷吸效应，高频噪声由此产生。

通过大量实践分析发现，喷流噪声是最常见的内漏声源。

②阻塞喷注噪声如
果阀门前后压力比超过1．893，受泄漏口影响产生的冲击波会沿轴线产生一系列
冲击波室。

当泄漏天然气形成的涡流从冲击波室穿过时，会出现相互干扰，此时
产生的噪声就是阻塞喷注噪声。

③涡流噪声如果天然气从障碍物通过的过程中不
断有涡流形成、脱落，因压力脉动形成的应力波就会在障碍物表面发生作用，此
时伴随产生的噪声就是涡流噪声。

这种噪声大多出现在阀门泄漏口位置，因阀门
阀芯损伤或密封圈损伤所致。

4.基于声发射的天然气管道阀门内漏检测技术
4.1阀门内漏速率量化模型研究
阀门泄漏诊断的高精度是保证阀门安全运行的第一步，而准确的泄漏率测量
是评估阀门内部泄漏范围的有效手段，导致人员对阀门内部泄漏率进行合理的修
正或更换，目前阀门内部泄漏率的定量模型是根据经验公式和数据驱动程序，根
据王鑫对阀门内部泄漏率的经验测量公式进行测试的，根据声信号振幅与内部
泄漏率的关系方程，通过分析阀门开度、阀门类型、压力差和泄漏率等变量的影响，建立了阀门和球形阀，并以球形阀为基础建立了气体介质和密封；从而在
阀门泄漏率与信号均方根(rootmeansquare)琼等之间建立相应的关系，指出阀门
泄漏率与平均声信号(ASL)之间的线性关系，并根据DN80 Li Wei等阀门资料建
立阀门内部泄漏率与ASL、压力差和直径的关系； RMS声信号对内部泄漏率的变
化比ASL更敏感，适用于用RMS陈秀谷量化内部泄漏率，计算气体介质球阀泄漏
时的流场和声场特性，确定内部压力对数与总声压大小之间的线性关系，并证实
用多项式曲线计算内部泄漏率比prateepasen线性拟合公式更接近等等，建立了
测定气体阀门泄漏率的经验公式，并对DN25型el-shorbagy球阀进行了试验，
改进了用气体介质测量球阀泄漏率的经验公式，并考虑了龙飞飞飞四轴声源的影响，并将平均声能与阀门内部泄漏率的其他经验公式与RMS、ASL进行了比较，
得出结论: 认为新参数具有较高的评价精度，傅嘏推导出了根据阀外噪声值计算
内部泄漏率的公式，验证了利用阀外噪声估算阀内泄漏率的有效性。

4.2声发射检测系统
声发射检测系统主要包括检测装置、信号分析方法和软件。

①检测装置检测
装置主要包含硬件和软件，硬件主要包括声发射传感器(简称传感器)、前置放大器、数据采集器。

硬件主要作用是对阀门内漏中声发射信号进行采集、传输和放大。

软件主要作用是对采集到的信号进行分析和处理，对内漏程度进行确定，对
内漏分析结果进行显示、储存和打印。

a．传感器阀门内漏产生的喷流产生非常
微弱的声发射信号，加之环境噪声比较强，为实现泄漏准确检测，应用SＲ10型
谐振声发射传感器，其谐振频率是40kHz，频率检测范围是15～70kHz。

具体应
用中，通过耦合剂将该传感器的接触面和被测管道表面耦合，通过磁性夹具做好
固定，这样可使内漏阀门中的声发射信号通过阀壁以及耦合剂时损失最小，能有
效传输至压电陶瓷晶片。

b．前置放大器因为压电陶瓷晶片产生的电荷量非常小，
且阻抗很高，所以在具体应用中，为实现压电陶瓷晶片微弱信号的输出，将具有
较高阻抗的前置放大器安装到传感器后端，使其对检测信号进行放大处理。

4.3阀门内漏检测系统
当阀门内部泄漏时，由高速声发射喷嘴产生的弹性波有效地反映了内部泄漏
状态，为了检测阀门内部泄漏的真实信号，开发了阀门泄漏检测系统，如图3所示，主要由窄带共振辐射传感器组成，前置放大器和数据采集音频辐射传感器
用于检测200kHz频率的阀门泄漏(每个信号包含200000个数据点)，另外，在阀
门附近的低压管道上放置以防止背景噪声干扰，在传感器和管道之间插入相应的
接头厚度，并使用磁性接点将前置放大器40dB固定在阀门内，以增加阀门泄漏
传感器，为了减少信号传输过程中的噪音，并将信号增益更改为小于1dB的数
据采集器将放大的信号A/D转换，并将转换后的数字信号传输到计算机系统中，
本文的数据采集速率设置为200kHz。

4.4外观检查
目视检查５组试样的堆焊层焊缝，堆焊层表面未发现肉眼可见的裂纹、气孔、缩孔等缺陷，５组焊缝均成形良好。

堆焊层进行渗透检测，硬度检测和化学成分
检测后，沿堆焊层厚度方向切割解体观察侧面堆焊层与试样母材熔合情况，未发
现堆焊层侧面有未熔合现象，外观检查按标准评定为合格。

结合表３可得出以下
结论：①手工钨极氩弧堆焊热输入量比等离子弧粉末堆焊大，在其他条件相同的
情况下，等离子弧粉末堆焊的焊接变形量小于手工钨极氩弧堆焊的焊接变形量；
②在焊接热输入量等其他条件相同的情况下，采用等离子弧粉末堆焊焊接方法时，工件规格越小，其焊接变形量越大。

4.5阀门动作时间与泄漏定位的关系
管道长度为5km，压力波传播速度为1km/s，压力波在管道内传播周期为10 s；阀门运行时间小于5s时，阀门末端形成的压力波尚未扩散到管道的入口；阀
门运行时间为5s至10s时，压力波直接传播到入口大厅；当阀门运行时间大于
10s时，产生反射波重叠；压力波将返回到东面，并在内部反射，将泄漏孔直径
设置为10mm，从激活的阀打开设置80%到20%开始，将阀的运行时间设置为
1,5,20s，并获得压力随时间的变化，如图1、图2和图3所示，图2和图3:随着阀的移动时间的增加，压力信号波动降低，压力比关闭阀20s和关闭阀1s导致的压力大；当阀停止运行1s和5s时，压力波不会反映在管道的输入上。

管道中只有一个压力信号是通过阀的运动生成的，因此当阀20s关闭时，信号的振幅是明显的，压力波信号会反射到输入端，并且会反射回阀的入口，在此处反射波会与阀关闭所产生的压力波重叠，并且压力信号的振幅会降低，压力波与阀20s关闭时相比，压力波的振幅也不会有很大的周期性变化，这种情况不易于划分为不同的循环，不利于以后的数据处理，从而增加了泄漏位置计算误差，泄漏情况下的压力波动比管道泄漏情况下的压力波动大得多。

4.6输气管道球阀内漏流量预测研究
阀门内部泄漏检测不仅需要注意，还需要阀门内的流量编号。

阀门的流量大小对于阀门的维护也是必要的，因此阀门流量预测是当今国内外研究的主要问题之一，预测的关键是通过阀门泄漏过程检测声信号并与内部流动建立关系，从而通过检测阀门内部的声发射信号来检测阀门的泄漏程度，阀门流量预测主要着眼于根据实验数据建立数据拟合功能。

W.kaewwanoi等人的实验研究表明，当基于流体的阀门压力增大时，声发射信号的中间根增大(中间根由阀门压力差、内部流量、大小、类型等参数确定。

)和基于光山方程式的阀m中的直径和流量函数模型。

喇叭和其他人进行了阀门内部泄漏率和氮气式声场的实验，并建立了内部流动与平均声信号值之间的对数关系，国内研究人员通过最小二乘法预测内部泄漏，从而获得内部流动的有效值，同时根据目前国内外的研究，给出了阀门体积与声音信号有效值之间的函数模型，将单个声音信号的平均值作为内部流动的参数预测，但阀门泄漏是一个由许多不确定性组成的多元非线性时变过程，其中结果是在内部实验环境下测量的，因此由于建模和计算机技术的发展，难以获得精确的数学模型，近年来支持向量机方法在模式识别领域越来越受到重视。

结束语
对基于声发射的天然气管道阀门内漏检测技术进行探讨。

介绍阀门内漏声源特征和阀门内漏声发射检测机理，阐述声发射检测系统的组成和功能，进行声发射检测系统的应用试验。

试验发现:阀门内漏率与阀门压差成线性关系;可以将时
域均方根作为内漏程度判断标准，时域均方根变化幅度越大，说明阀门内漏越严重;可以将频域峰值作为内漏程度评价标准，频域峰值变化越明显，说明阀门内漏越严重。

参考文献
［1］郝小虎，赵炜，李建国，等．长输管道阀门内漏失效分析和控制措施［J］．全面腐蚀控制，2020(7):117－119．
［2］张思杨，吴猛，李旺．长输天然气管道大口径球阀内漏故障分析与检测方法探讨［J］．价值工程，2016(25):178－180
［3］沈功田，戴光，刘时风．中国声发射检测技术进展———学会成立25周年纪念［J］．无损检测，2003(6):302－307．
［4］唐博强，刘鹏，王鑫．基于声发射理论的气体介质阀门内漏检测研究［J］．云南化工，2017，44(10):17－19．
［5］张璐莹，张宏远，徐洋，等．气体阀门内漏声发射信号特征提取方法研究［J］．油气田地面工程，2019，38(12):20－26．
［6］贾招弟．石化装置气体阀门内漏声学检测研究［D］．大庆:东北石油大学，2016．。