压力管道泄漏声发射实验信号识别与分析

第21卷第1期2009年3月
江苏工业学院学报
JOU RN AL OF JIAN GSU P OLY T ECHN IC U N IVERSIT Y
Vo l121No11
M ar12009
文章编号:1673-9620(2009)01-0053-04
压力管道泄漏声发射实验信号识别与分析*
郝永梅,王凯全,章昌顺,彭光俊,葛秀坤
(江苏工业学院环境与安全工程学院,江苏常州213164)
摘要:利用实验室现有油气管道实验平台,建立了压力管道泄漏的声发射检测模型。

在不同实验条件下,如变化管道压力、管道流量、传感器间距等,进行了压力管道泄漏的声发射检测实验。

通过对压力管道泄漏的声发射信号分析,能够定性地判断有无泄漏。

同时,分别分析了压力管道泄漏声发射信号的有关参数随管道压力、流量、传感器间距变化的规律,对压力管道泄漏的声发射检测进行了有益的探索。

关键词:压力管道;泄漏;声发射信号;识别;分析
中图分类号:T H81文献标识码:A
Identification and Analysis of Acoustic Emisson Signal of
Pressure Pipeline Leakage
H AO Yong-mei,WANG Kai-quan,ZH ANG Chang-shun,PENG Guang-jun,GE Xiu-kun (School of Environmental and Safety Engineering,Jiangsu Polytechnic University,Changzhou213164,China)
Abstract:A m odel w as constructed in laboratory to simulate the acoustic emission(A E)pipeline leak de-tection.Under different test conditions,such as chang ing pressur e,the size o f leak quantity,or ientation of sensor s,etc.,the experiment of aco ustic em ission pipeline leak detection was im plemented.From the analysis of the A E sig nal,w hether the pipeline w as leaky co uld be judged qualitatively,at the same time, the v ar iation order betw een relev ant param eters o f AE signal w as analy zed w ith the change in pressure, flux,and the sensors space respectively.It provided a useful exploration fo r the AE pipeline pressur e leak detectio n.
Key words:pr essure pipeline;leakag e;AE signal;identificatio n;analysis
泄漏声发射信号由于受声发射源自身特定性(多样性和信号的不确定性)、传播路径、传感器特性、声发射检测特性以及环境噪声等因素的影响,其波形十分复杂,本质上属于一种非平稳随机信号[1-4]。

目前,压力管道的声发射技术的研究主要是对泄漏的监测和对泄漏点的确定,而根据泄漏声发射信号研究流体状态与信号参数变化规律的不多。

笔者拟建立实验室条件下压力管道泄漏的声发射检测模型,通过在不同影响因素条件下的管道声发射检测实验,研究泄漏声发射信号的频谱、有效值电压(RM S,表示采样时间内信号电平的均方根值,主要表示连续性声发射的活动性评价)、能量及幅度随管道压力、传播距离和管道流量变化的规律。

*收稿日期:2008-07-01
基金项目:江苏省社会发展课题(BS2007028)
作者简介:郝永梅(1970-),女,江苏常州人,高级工程师。

1 管道泄漏的声发射检测实验系统
压力管道泄漏的声发射检测实验系统见图1。

1-传感器;2-前置放大器;3-声发射仪;4-压力管道;5-泄漏点
图1 声发射检测系统Fig 11 Sys tem of AE detection
声发射仪为美国PAC 公司生产的6006型4通道数字式检测系统,传感器为带宽50-200kH z
的R15型,增益为20-60dB 的前置放大器。

压力管道泄漏声发射检测实验利用实验室现有的油气管道实验平台(见图2)。

该实验平台由泵、阀、空气压缩机和20号碳素钢金属管道等构件组成。

压力管道呈长方形盘旋4圈,长6000m m,宽1500m m,沿管道共有15个曲率半径为615cm 的弯管。

管道每圈间隔距离320mm,出口距地面高度为1420m m 。

管道外径32m m,壁厚3m m 。

在距离管道出口端150mm 和距离进口端2060m m 的地方有泄漏阀,通过打开泄漏阀模拟不同泄漏量。

管道进口端与空压机相连,管道工作压力为0-112M Pa 。

管道上装有压力表、流量传感器,传感器连接工业计算机,通过A/D 卡进行管道压力、流量和温度等数据采集,可随时读出管道
压力、流量的变化值。

图2 压力管道实验模型Fig 12 The press ure pipeline model
2 管道泄漏检测实验
211 定性判断泄漏的发生
在泄漏点两侧分别放置两个传感器,先采集管
道无泄漏正常运行时的信号,然后打开泄漏阀门模拟管道泄漏,待信号稳定后采集有泄漏时的信号,得到管道正常运行和发生泄漏时的两个声发射信号,如图3和图4。

图3是管道正常运行时的信号,图4是在管道发生泄漏时采集到的泄漏声发射信号。

从两幅时域波形图上可以明显看出是否有泄漏发生。

图3 无泄漏时的信号Fig 13 The s ignal of no leakage
图4 有泄漏时的信号Fig 14 The sign al of leakage
212 泄漏点的定位方法
由于声发射泄漏信号是连续型信号,不能使用突发型信号采用的时差定位法。

根据连续型声发射
信号的特点,人们发展了基于信号幅度衰减测量的区域定位法、波形互相关时差测量定位法和波形干涉定位法,其中波形互相关定位法已被成功用于管道声发射泄漏检测[5]。

任意一个波A (t)和另一个延迟时间为S 的波B (t +S )的相互关函数由下式给出:R AB (S )-1
T
Q T
A(t)B (t +S )d t
(1)
式中T 是一个有限的时间间隔,在有限的时间间隔内互相关函数R AB (S )在S =S c 肯定包含一个最大值,这一相互关方法可用于连续声发射源的定位。

如传感器A 接收到来自AE 源的波A (t),传感器B 接收到来自AE 源的波B (t +S c ),相对于波A (t)的时间延迟为S c ,则A E 波从源传到两
个传感器之间的时差就可从互相关函数的最大峰值部位得到,即$t AB =S c 。

213 实验方案
主要分3个部分进行:¹泄漏阀处于一定的泄漏状态,保持传感器位置不变,改变管道内的压力;º保持管道压力和一定的泄漏状态,改变传感
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器间距分布;»保持管道压力和传感器位置不变,
通过改变泄漏口控制阀改管道流量进行实验。

每个部分测5组数据,每组测3次,取平均值。

传感器布置示意图见图5。

图5 传感器布置示意图Fig 15 Scheme of sens ors placing
参数设置:实验管段长:6000mm ;门槛:40dB;增益:40dB;滤波器频域:100-400kH z;PDT (峰值定义时间):300L s);H DT (撞击定义时间):600L s;H LT (撞击闭锁时间):800L s 。

3 实验数据分析
311 随压力变化的规律
随着压力的减小,信号总的撞击(通过门槛并导致一个系统通过累计计数的任一道声发射信号)、总的计数(系统对撞击的累计计数)和总能量也随之减少。

得到信号频谱图如图6(a),对实验数据
进行统计分析分别得到RMS 、能量、幅值随压力变化的曲线(见图6(b)、(c)、(d))。

从图6可以看出:随看压力的增加,声发射传感器检测信号的RMS 、能量和幅值都呈线性增大趋势变化。

随压力增大,泄漏信号活动性增强。

能量随压力从019MPa 开始增大幅度明显加快,但仍呈线性变化。

随着管道内压力的不断上升,泄漏激发声发射信号的幅值在整个频率范围内也呈现递增趋势。

312 随传播距离变化的规律
随着传播距离的不断增大,声发射信号总撞
击、计数和总能量随之减小,信号强度减弱。

信号频谱图如图7(a),对实验数据进行统计分析得到对以上数据进行分析,分别得到RM S 、能量、幅值随传感器间距变化的曲线(见图7(b)、(c)、(d))。

从图7可以看出:随着传感器间距的增大,泄漏信号的RM S 、能量和幅度都呈衰减趋势。

随传感器间距的增大,声发射信号活动性降低;距离泄漏源越远,传感器反映出的信号幅度亦减小,并且随着传播距离的增大,泄漏声发射信号中的高频成分变化较大,可能被管道衰减,也可能随远距离传播后,
高频成分发生了畸变。

(a)信号频谱图(b )电压-压力曲线(c)能量-压力曲线(d)幅值-压力曲线
图6 信号随压力变化规律
Fig 16 The rule of signal as pressure
change
(a)信号频谱图(b )电压-间距曲线(c)能量-间距曲线(d)幅值-间距曲线
图7 信号随间距变化规律
Fig 17 The ru le of sign al as distance change
313 随管道流量大小变化规律
随着管道流量的增大,信号总的撞击、计数和总能量随流量的增大而增加。

信号频谱图如图8
(a),经统计分析分别得到RMS 、能量、幅值随传感器间距变化的曲线(见图8(b)、(c)、(d))。

从图8可以看出:信号的能量、幅值和活动性随管道流量的增加在短时间迅速增加,而随着流量的进一步增大,信号活动性依然呈增大趋势,而信号能量和幅度变化趋于平缓。

从理论上讲,随着流量的增大,即孔径的增大,泄漏孔的质量流量和喷柱长度同时增大,但最小截面处所对应的最大射流速度
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在减小,说明最大射流速度不仅与气体状态有关,还与孔径的大小有关。

实验表明,当孔径变化时,信号的能量和幅值主要受质量流量影响大,但气体
状态和流体射流速度对其也有一定影响。

(a)信号频谱图(b )电压-流量曲线(c)能量-流量曲线(d)幅值-流量曲线
图8 信号随流量变化规律
Fig 18 T he ru le of s ignal as discharge change
4 结 论
通过对压力管道泄漏的声发射信号分析,定性地判断了是否有泄漏发生及其信号。

应用特征参量分析法和频谱特征分析法等多种方法对实验数据进行分析,验证了该方法对管道泄漏信号识别的可行
性和正确性。

(1)泄漏声发射信号是一种连续型信号。

从声发射信号频谱图可知,泄漏所激发的应力波频谱在140kH z 处具有很陡的尖峰,为检测泄漏提供了有利的抗干扰条件。

频带范围是0-250kH z,主要能量集中在120-150kH z 。

(2)压力管道泄漏的声发射信号与压力、传感器间距、管道流量的变化均呈线性关系。

泄漏声发射信号的活动性随管道压力和流量的增大而加强,随传感器间距的增加而降低。

保持其他条件不变,随着压力的增加,声发射传感器检测信号的能量和幅度呈增大趋势。

随着传感器间距的增大,泄漏信号的能量和幅度都呈衰减趋势。

并且随着传播距离的增大,泄漏声发射信号中的高频成分衰减变化的
速度要比低频成分快。

(3)当孔径变化时,信号的能量和幅值主要受质量流量影响,但与气体状态和流体射流速度也有关,还需进一步分析。

泄漏量与距离、泄漏孔径、压力的定量关系,有待于以后通过声发射信号处理来实现。

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