李自力 畢海勝 程遠(yuǎn)鵬 王 軍 陳健飛

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程系；2.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心)

聲發(fā)射是材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種現(xiàn)象，也稱為應(yīng)力波發(fā)射(Stress Wave Emission)、微震動(dòng)活動(dòng)(Micro-seismic Activity)等[1]。聲發(fā)射檢測(cè)作為一種無損檢測(cè)方法，在石油化工、航空航天、電力系統(tǒng)、巖石勘探及橋梁建筑等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。具體在石油化工領(lǐng)域，聲發(fā)射檢測(cè)用于壓力容器裂紋檢測(cè)、常壓儲(chǔ)罐罐底腐蝕檢測(cè)、油氣管道泄漏檢測(cè)以及LNG低溫儲(chǔ)罐檢測(cè)等方面取得了良好的效果。聲發(fā)射罐底腐蝕檢測(cè)相對(duì)于漏磁檢測(cè)、超聲波檢測(cè)及磁粉檢測(cè)等傳統(tǒng)離線無損檢測(cè)，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它采取“被動(dòng)聽聲”的方式，在線監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐底板產(chǎn)生的腐蝕信號(hào)并對(duì)罐底板腐蝕情況作出判斷，其檢測(cè)靈敏度高，能夠?qū)Ωg活性缺陷和早期開裂快速檢測(cè)和準(zhǔn)確定位，無需停產(chǎn)、開罐、倒罐、清洗，對(duì)儲(chǔ)罐底板100%覆蓋并快速檢測(cè)，檢測(cè)一個(gè)直徑為50m的儲(chǔ)罐只需一天，進(jìn)而根據(jù)腐蝕程度對(duì)儲(chǔ)罐實(shí)現(xiàn)“好”與“壞”的分級(jí)，變“定期檢測(cè)”為“狀態(tài)檢測(cè)”，節(jié)省了大量的人力、資金和時(shí)間[2～4]。

在世界范圍內(nèi)，聲發(fā)射檢測(cè)是目前適用于大型常壓儲(chǔ)罐底板腐蝕在線檢測(cè)與評(píng)估的最好方法。但是，儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)受背景噪聲的干擾比較大，這些噪聲包括可測(cè)量的流動(dòng)噪聲、物件和儲(chǔ)罐的機(jī)械撞擊、 電磁干擾(EMI)和射頻干擾(RFI)[5]，管道或軟管連接處的泄漏、壁板的泄漏、膨脹管的熱脹冷縮，自然雨雪、 冰雹、大風(fēng)、鳥和昆蟲，罐壁上的噴淋器、罐內(nèi)的加熱盤管、攪拌機(jī)、液位探測(cè)儀以及其他儲(chǔ)罐內(nèi)部構(gòu)件、儲(chǔ)罐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)、氣泡的運(yùn)動(dòng)等，導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)在解釋、識(shí)別和聚類上存在很大的困難，混淆甚至丟失有用的腐蝕信號(hào)而出現(xiàn)誤判的情況時(shí)有發(fā)生，因而如何去噪是聲發(fā)射檢測(cè)在應(yīng)用過程中遇到的最大難題。

1 檢測(cè)過程實(shí)施去噪

1.1 檢測(cè)時(shí)間的選擇

現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)表明，白天罐區(qū)周邊因施工、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、機(jī)動(dòng)車輛及太陽照射等的影響，背景噪聲水平總體較高，采集到的信號(hào)當(dāng)中含有大量的噪聲信號(hào)，白天采集到的信號(hào)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晚上的信號(hào)量。太陽照射儲(chǔ)罐，迎光面和背光面罐壁受光照不一樣，壁板因受熱不均而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱脹冷縮變形產(chǎn)生應(yīng)力波；帶有滑動(dòng)膨脹節(jié)的外加熱盤管夾套，在環(huán)境溫度變化時(shí)將會(huì)產(chǎn)生具有長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的不連續(xù)的突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)；此外，罐內(nèi)介質(zhì)(主要是油品)受熱不均，液體熱對(duì)流與罐壁、內(nèi)加熱盤管以及進(jìn)出口油管等摩擦也會(huì)產(chǎn)生大量的噪聲。

因此實(shí)施聲發(fā)射檢測(cè)之前，除了確保儲(chǔ)罐進(jìn)出口閥門關(guān)閉，攪拌器、加熱設(shè)施和泵機(jī)組等停止運(yùn)轉(zhuǎn)，并靜置一段時(shí)間(約12h)之外，還必須選擇一個(gè)溫度可控的環(huán)境或溫度相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間[6]。目前國(guó)際上沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)定儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)的時(shí)間。在歐洲，推薦最佳檢測(cè)時(shí)間是晚上；GB/T 10764-2007也推薦，合適的檢測(cè)時(shí)間是早晨或晚上。張濤等人通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)并處理分析，推薦在22:00至次日凌晨4:00的時(shí)間段進(jìn)行檢測(cè)，效果良好[7]。因此，選擇最佳時(shí)間區(qū)間進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于消噪干擾至關(guān)重要。

1.2 布置雙層傳感器

儲(chǔ)罐進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)，罐頂板的落雜、抗風(fēng)圈振動(dòng)、頂板和壁板的腐蝕和受熱不均產(chǎn)生的應(yīng)力波以及罐頂內(nèi)表面油品低溫凝析液滴落到液面也會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射，從而對(duì)罐底聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生干擾?？梢酝ㄟ^布置雙層傳感器來消除這些干擾，雙層傳感器的布置方法如圖1所示，第一圈傳感器靠近罐底板，距底板高度在0.2～0.5m之間(有的外文文獻(xiàn)設(shè)定為1m)，確保高于罐底沉積物，且在同一高度壁板上環(huán)狀均布；第二圈傳感器布置在距底板高度3～5m的壁板，豎直方向上與第一圈傳感器等間距錯(cuò)開，錯(cuò)開方式布置采用相同數(shù)量的通道可以覆蓋更大范圍的儲(chǔ)罐殼體，尤其對(duì)于大型儲(chǔ)罐可以減少需要的通道數(shù)。

第二層護(hù)衛(wèi)傳感器優(yōu)先接收來自上層的聲發(fā)射事件，根據(jù)信號(hào)到達(dá)時(shí)間差來剔除來自頂板和壁板背景噪聲的干擾，這樣保證第一圈傳感器接收的信號(hào)主要是底板的腐蝕缺陷信號(hào)。

1.3 金屬板附加傳感器

為了減少自然雨雪、冰雹、風(fēng)沙、儲(chǔ)罐周圍機(jī)械振動(dòng)等較大環(huán)境噪聲的干擾，英國(guó)聲發(fā)射專家Chris Rowland認(rèn)為，在儲(chǔ)罐邊緣放置一塊材料與罐底板材料相同的金屬板，在金屬板上安裝附加聲發(fā)射傳感器，并接入聲發(fā)射采集系統(tǒng)，如圖2所示。金屬板傳感器采集的信號(hào)主要來自外界的環(huán)境噪聲，通過對(duì)金屬板傳感器采集的聲發(fā)射信號(hào)處理分析，可以分辨出典型環(huán)境噪聲的頻率和幅度范圍，并在主傳感器信號(hào)上加以消除。只有將背景噪聲的干擾降到最低，采集到的有效聲發(fā)射信號(hào)才更可靠，檢測(cè)的結(jié)果才更準(zhǔn)確。

圖2 儲(chǔ)罐底板檢測(cè)金屬板附加傳感器布置示意圖

2 檢測(cè)儀器設(shè)置去噪

2.1 設(shè)置閾值

設(shè)置聲發(fā)射信號(hào)采集的閾值是控制噪聲的最直接的方法之一。為了很好地剔除背景噪聲，檢測(cè)時(shí)應(yīng)設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝惦妷?，也稱為門限電壓，通常以dB來表示，聲發(fā)射檢測(cè)中約定傳感器輸出的電信號(hào)1μV，即1μV為0dB。其他經(jīng)過增益放大得到的信號(hào)幅度和設(shè)在不同部位的門檻電壓都可依此推算。低于所設(shè)置閾值電壓的噪聲被剔除，高于這個(gè)閾值電壓的信號(hào)則通過。閾值可分為固定閾值(fixed threshold)和浮動(dòng)閾值(floating threshold)兩種，如圖3所示。

圖3 固定閾值和浮動(dòng)閾值去噪

通常情況下，根據(jù)背景噪聲的總體水平，設(shè)置固定閾值就可以達(dá)到良好的去噪效果。但是在背景噪聲比較大且隨時(shí)間波動(dòng)變化的情況下，最好設(shè)置浮動(dòng)閾值。浮動(dòng)閾值隨噪聲的高低而浮動(dòng)，盡量減少受噪聲起伏的影響，能夠最大限度地檢測(cè)真正有用的聲發(fā)射信號(hào)。

2.2 濾波器

聲發(fā)射檢測(cè)過程中，為了降低噪聲的影響，可以在整個(gè)檢測(cè)電路的適當(dāng)位置插入濾波器，用以選擇合適的“頻率窗口”，濾波器的工作頻率根據(jù)背景噪聲及材料本身聲發(fā)射的頻率特性來確定。根據(jù)濾波器的幅頻特性，濾波器有帶通濾波器、低通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器之分。對(duì)于帶通濾波器，在確定工作頻率f之后，需要進(jìn)一步確定頻率窗口的寬度，也即相對(duì)寬度Δf/f。若Δf/f過寬容易引入外界噪聲，失去了濾波作用；若Δf/f過窄，檢測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)太少，檢測(cè)靈敏度降低。因此，通常采用Δf=+0.1f～+0.2f，且盡量使濾波器的通頻帶與傳感器的諧振頻率相匹配。此外，低通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器在去噪方面也能起到很好的作用。

也可采用軟件數(shù)字濾波器進(jìn)行信號(hào)濾波。軟件數(shù)字濾波器的特點(diǎn)是設(shè)置使用靈活方便、功能強(qiáng)大，但需要首先要求信號(hào)波形數(shù)字化，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量過大，目前多通道情況軟件數(shù)字濾波實(shí)時(shí)性能較差。

3 信號(hào)處理分析去噪

3.1 小波去噪

傳統(tǒng)的聲發(fā)射信號(hào)分析是建立在傅里葉變換的基礎(chǔ)之上的，但是傅里葉變換在時(shí)域無任何定位能力。小波分析屬于時(shí)頻分析的一種，它具有很強(qiáng)的時(shí)頻局部化分析能力，為提取有用腐蝕信號(hào)和剔除噪聲信號(hào)提供了保障。

(1)

其中，a為尺度因子；b為平移因子；工程上為便于數(shù)據(jù)處理常把小波離散化，取a=2-j，b=2-jk，從而得到離散小波變換：

φj,k(t)=2j/2φ(2jt-k)(j，k∈Z)

(2)

其中，φj,k(t)是離散小波函數(shù)，則對(duì)于罐底腐蝕信號(hào)f(t)∈L2(R)的小波級(jí)數(shù)表示為：

(3)

其中，Cj,k稱為小波系數(shù)，目前在幾種常用的小波基中, Daubechies小波、Symlets小波和 Coiflets小波是適合于聲發(fā)射信號(hào)分析的小波基[8～10]。根據(jù)多分辨率分析，腐蝕聲發(fā)射信號(hào)f(t)可表示為：

(4)

在小波分析的基礎(chǔ)上，小波包去噪具有比小波分析更為精確的局部分析能力，對(duì)信號(hào)在低頻段和高頻段同時(shí)進(jìn)行正交分解，可得到信號(hào)在任意頻段的頻率成分。重構(gòu)信號(hào)可以充分抑制信號(hào)中的高頻噪聲，有效保存有用信號(hào)的高頻部分，濾波效果較一般濾波方法更有效，是非常理想的去噪工具。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聲發(fā)射信號(hào)處理已成為國(guó)際聲發(fā)射技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。人們期望能用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行有效性識(shí)別，以期得到對(duì)聲發(fā)射源特征的詳細(xì)描述，克服目前聲發(fā)射信號(hào)處理中存在的聲發(fā)射源模式不可分、不可識(shí)別以及聲發(fā)射信號(hào)處理過程中的人為干預(yù)、效率低的問題[11]。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型有很多種，不同的模型適合解決不同的實(shí)際問題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練方式可分為兩類：監(jiān)督學(xué)習(xí)和無監(jiān)督學(xué)習(xí)。根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)由儲(chǔ)罐底板的聲發(fā)射信號(hào)特征向量到腐蝕缺陷類型的映射，需要建立有監(jiān)督學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而提高聲發(fā)射的模式識(shí)別和去噪能力，提高檢測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

常壓儲(chǔ)罐底板聲發(fā)射在線檢測(cè)是目前唯一一種不用開罐而評(píng)估罐底腐蝕狀況的無損檢測(cè)技術(shù)，降低或消除背景噪聲對(duì)檢測(cè)信號(hào)的干擾可以大大提高聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過選擇合適的檢測(cè)程序、檢測(cè)時(shí)間段和設(shè)置合理閾值、啟用濾波器的方法進(jìn)行信號(hào)去噪，取得了良好的效果。目前，小波包去噪和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析是聲發(fā)射檢測(cè)去噪強(qiáng)有力的工具，在常壓儲(chǔ)罐罐底聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)處理上具有很好的應(yīng)用前景。

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