龍飛飛，董劍男，沈書乾，李　莉，張佳艷

(1.東北石油大學 機械科學與工程學院， 大慶 163318;2.廣東省特種設備檢測研究院 茂名特檢院， 茂名 525000)

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夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏聲發(fā)射檢測

龍飛飛1，董劍男1，沈書乾2，李莉1，張佳艷1

(1.東北石油大學 機械科學與工程學院， 大慶 163318;2.廣東省特種設備檢測研究院 茂名特檢院， 茂名 525000)

針對夾套結(jié)構(gòu)泄漏的問題，研究當夾套內(nèi)介質(zhì)為氣體時，內(nèi)管出現(xiàn)泄漏的情況下，用聲發(fā)射技術(shù)檢測時聲發(fā)射信號幅度與泄漏壓力之間的變化關系以及單孔泄漏與多孔泄漏之間的幅度變化的區(qū)別。結(jié)果表明:隨著內(nèi)管壓力的增大,各傳感器接收到的聲發(fā)射信號幅度也增大。聲發(fā)射檢測技術(shù)作為一種動態(tài)檢測方法，可對設備進行實時檢測，可以實現(xiàn)對夾套結(jié)構(gòu)泄漏的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)泄漏位置并初步判斷嚴重程度。

夾套結(jié)構(gòu)；泄漏試驗；聲發(fā)射；信號分析

夾套結(jié)構(gòu)一般由兩個壓力室構(gòu)成，即主體和夾套[1]。夾套設備的主體在運行過程中通常盛裝高腐蝕性、高溫或低溫介質(zhì)，在運行過程中經(jīng)常會發(fā)生環(huán)境腐蝕、磨損、疲勞、老化、斷裂、介質(zhì)腐蝕等缺陷，這些都會導致主體內(nèi)部流體的泄漏。夾套結(jié)構(gòu)的泄漏，特別是內(nèi)管的泄漏一般很難發(fā)現(xiàn)，如果不進行有效檢測，一旦發(fā)生事故就會產(chǎn)生巨大經(jīng)濟損失及人身傷害[2]。

霍臻在實驗室建立了管道泄漏的聲發(fā)射檢測試驗系統(tǒng)，驗證聲發(fā)射檢測對管道內(nèi)介質(zhì)為氣體和液體時的靈敏度[3]。李善春博士對充氣管道泄漏進行聲發(fā)射的研究，通過選用幅值、能量、頻譜等參數(shù)的分析，研究出不同試驗條件下的聲發(fā)射信號變化規(guī)律[4]。劉鵬等通過研究聲發(fā)射信號的波形、幅值和不同頻帶能量的分布規(guī)律對管式夾套容器的內(nèi)管泄漏進行聲發(fā)射監(jiān)測[5]。另外，還有國內(nèi)學者在聲發(fā)射信號的能量分析，頻譜分析方面針對泄漏定位進行了研究分析[6]。國外學者對于這方面也有很多研究，已經(jīng)有學者根據(jù)小波分析來計算泄漏聲發(fā)射信號從發(fā)生到傳播至傳感器的時間，從而準確定位泄漏位置[7-8]。然而，至今尚無針對夾套結(jié)構(gòu)泄漏的聲發(fā)射研究。筆者針對夾套結(jié)構(gòu)泄漏的問題，以夾套鋼管為研究對象，夾套內(nèi)介質(zhì)為氣體，在內(nèi)管出現(xiàn)單孔、多孔泄漏的情況下，研究聲發(fā)射信號幅度變化與泄漏壓力的關系，可以為工業(yè)夾套結(jié)構(gòu)的完整性檢測提供幫助。

1　試驗系統(tǒng)及設備

圖1為夾套結(jié)構(gòu)壓力管道泄漏聲發(fā)射檢測試驗系統(tǒng)。根據(jù)無縫鋼管尺寸標準規(guī)定，試驗管道選用外管內(nèi)徑90 mm、壁厚6 mm、長度4 750 mm和內(nèi)管外徑60 mm、壁厚3 mm、長度2 430 mm的無縫鋼管，內(nèi)管和外管采用法蘭連接，用橡膠墊片密封。試驗采用的聲發(fā)射采集系統(tǒng)為美國PAC公司的PCI-8系統(tǒng)，傳感器選用R3α諧振傳感器(Mistras，USA)，采用2/4/6前置放大器[9]。

圖1　夾套結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測試驗系統(tǒng)示意

2　試驗過程

夾套結(jié)構(gòu)壓力管道內(nèi)管泄漏時，管道中的聲發(fā)射信號幅度分布與泄漏孔數(shù)量、管道內(nèi)部的壓力以及夾套內(nèi)介質(zhì)等因素有關。筆者針對夾套內(nèi)介質(zhì)為氣體的管道，通過改變泄漏孔數(shù)量以及內(nèi)管壓力，進行管道聲發(fā)射泄漏檢測試驗。

(1) 如圖1所示，單孔泄漏試驗采用1*泄漏孔，位置為距法蘭1 300 mm處，兩孔泄漏試驗采用1*和2*泄漏孔，2*泄漏孔位置為距法蘭1 800 mm處，三孔泄漏試驗采用1*、2*和3*泄漏孔，3*泄漏孔位置為距法蘭2 300 mm處，泄漏孔直徑均為1.2 mm。

(2) 將傳感器布置在夾套管外壁，如圖1所示，2#、3#、4#傳感器分別與1*、2*、3*泄漏孔位置相對應，1#、5#、6#傳感器位置如圖中標注的尺寸所示。用砂紙對夾套外壁表面1#～6#處(傳感器所在位置)進行拋光打磨，去除表面油漆以及細小裂紋，以消除試驗中壁面變形可能帶來的噪聲源。連接聲發(fā)射采集系統(tǒng)，進行標定試驗，對傳感器的靈敏度進行校準，以確保傳感器能夠正常使用。

(3) 用壓縮機加壓到試驗預定壓力(0.5，0.4，0.3，0.2，0.1 MPa)后，按照試驗方案改變氣體壓力，出口處閥門處于關閉狀態(tài)。采集聲發(fā)射信號直到壓力穩(wěn)定，保存文件。

3　試驗結(jié)果及分析

3.1單孔泄漏聲發(fā)射信號試驗

圖2為當內(nèi)管壓力為0.1 MPa時，單孔泄漏情況下，夾套管泄漏處聲發(fā)射信號幅度-時間關系圖。

從圖2可以看出，隨著時間的變化，每個傳感器接收到的聲發(fā)射信號的幅度開始會有一個突發(fā)型信號，之后信號會有一個較小值，并且隨著時間的推移逐漸增大，上升到一個極大值，然后會有所下降，最后達到平穩(wěn)狀態(tài)。3個傳感器聲發(fā)射信號幅度規(guī)律相同，表明此規(guī)律具有一致性。

圖2　0.1 MPa下單孔泄漏聲發(fā)射信號幅度-時間關系

由于夾套結(jié)構(gòu)的內(nèi)管和外管為法蘭連接，并且通過橡膠墊片密封，如果在內(nèi)管泄漏處產(chǎn)生聲發(fā)射源，經(jīng)過內(nèi)管、法蘭、橡膠墊片以及外管的傳播到達外管壁的傳感器時，由于傳播距離為2 m以上以及橡膠墊片聲阻大的原因，聲發(fā)射信號會有極大程度的衰減，幅值不會在80 dB以上，所以傳感器檢測到的AE信號來自外管壁。因此產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因為:在泄漏孔處由于壓力差瞬間突破泄漏孔，內(nèi)管氣體對外管壁產(chǎn)生瞬間沖擊，形成一個突發(fā)型信號，但內(nèi)管氣體屬于不完全膨脹氣體,在泄漏孔的噴射邊緣存在氣體剪切層,由于氣體不斷泄漏,剪切層不斷增大,當不完全膨脹氣體注入夾套時,形成典型的振蕩形為[10],造成信號的衰減，得到一個較小值。由于氣體流場的可壓縮性，氣體不斷進入，信號幅度逐漸變大，最后因為內(nèi)外管壓力趨于平衡，所得信號幅度隨時間變化趨于平穩(wěn)。對所得試驗數(shù)據(jù)進行整理，選取每個壓力下第一個泄漏孔對應的2#傳感器的泄漏信號幅值,該幅值達到最大值時所采集到的信號如表1所示。

表1　單孔泄漏聲發(fā)射信號幅值　dB

從表1可以看出，各個通道聲發(fā)射信號幅值均隨壓力增大(0.1 MPa～0.5 MPa)而增大，其中泄漏孔所在位置(2#傳感器位置)采集到的信號幅度均高于其他5個位置采集到的信號幅度，1#傳感器的信號幅度低于2#傳感器2～3 dB，3～6通道的信號幅度隨距離的增大依次減小，符合聲信號衰減規(guī)律。3.2兩孔泄漏聲發(fā)射信號試驗

圖3為兩孔泄漏時，泄漏點位置聲發(fā)射信號幅度隨時間的變化關系。對所得試驗數(shù)據(jù)進行整理，選取每個壓力下第二個泄漏孔所對應的3#傳感器的泄漏幅值,該幅值達到最大值時所采集到的信號如表2所示。

表2　兩孔泄漏聲發(fā)射信號幅值　dB

圖3　0.1 MPa下兩孔泄漏聲發(fā)射信號幅值-時間關系

從圖3可以看出，隨著壓力的變化，每個傳感器接收的信號幅度的變化規(guī)律與圖2中表現(xiàn)的相同，表明該規(guī)律的一致性。

從表2可以看出，隨著壓力的增大，6個通道所采集到的聲發(fā)射信號幅值均隨壓力增大而增大，其中泄漏孔所在位置(2#傳感器和3#傳感器位置)采集到的聲發(fā)射信號幅度相比其他4個位置較大，3#傳感器接收到的聲發(fā)射信號幅度比2#傳感器位置接收的聲發(fā)射信號幅度高1～2 dB，而從圖3橫軸上的時間也可以看出，當3#傳感器的信號幅度達到最大值時,2#傳感器的信號幅度已呈下降趨勢。4#～6#傳感器的信號幅度隨距離的增大依次減小，1#傳感器位置接收到的信號明顯比3#傳感器的信號幅度低10～11 dB。

3.3三孔泄漏聲發(fā)射信號試驗

圖4為三孔泄漏時，泄漏點位置聲發(fā)射信號幅值隨時間的變化關系，選取每個壓力下第三個泄漏孔所對應4#傳感器泄漏幅度達到最大值時的信號幅度,見表3。

從圖4可以看出，隨著壓力的變化，每個傳感器接收的信號幅度的變化規(guī)律與圖2和圖3中表現(xiàn)的規(guī)律相同，這更進一步證明該規(guī)律的一致性。

表3　三孔泄漏聲發(fā)射信號幅值　dB

圖4　0.1 MPa下三孔泄漏聲發(fā)射信號幅值-時間關系

從表3可以看出，隨著壓力的增大，六個通道所采集到的信號均隨壓力增大而增大，其中泄漏孔所在位置(2#、3#和4#傳感器位置)采集到的信號相比其他三個位置較大，4#、3#和2#傳感器位置接收的聲發(fā)射信號幅度依次減小，而且依次減小1～2 dB，從圖4的橫軸上的時間可以看出，當4#傳感器的信號幅度達到最大值時,2#和3#傳感器的信號幅度已呈現(xiàn)出下降的趨勢。5～6通道的信號幅度依次減小，1#傳感器位置接收到的信號明顯低于4#傳感器的信號幅度7～10 dB。

從圖2～4和表1～3可以看出，對比2#、3#和4#通道所對應傳感器接收到的聲發(fā)射信號幅度，單孔泄漏時，泄漏位置2#傳感器的聲發(fā)射信號幅度的最大值均高于其他位置傳感器的聲發(fā)射信號幅度的最大值。當多孔泄漏時，泄漏位置的聲發(fā)射信號幅度的最大值均高于非泄漏位置的聲發(fā)射信號幅度的最大值，而且泄漏位置的信號幅度的最大值相等。氣體在泄漏的過程中，由于泄漏位置的距離關系，當距離法蘭較遠側(cè)的泄漏位置的聲發(fā)射信號幅度達到最大時，距離較近的泄漏位置的信號幅度已率先達到最大值并且呈現(xiàn)出下降的趨勢。例如，三孔泄漏時，2#、3#、4#傳感器位置的信號幅度的最大值相等，當4#位置信號幅度達到最大值時，2#、3#位置的信號幅度已經(jīng)超過最大值并呈現(xiàn)下降的趨勢。

4　結(jié)論

(1) 在夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏時，通過外管布置傳感器進行監(jiān)測，在試驗壓力和泄漏孔徑范圍內(nèi)，傳感器響應幅度分布在73～99 dB，高于工業(yè)條件下的環(huán)境噪聲，表明此技術(shù)可以應用于工程監(jiān)測。

(2) 管道開始進氣時，由于氣體從內(nèi)管泄漏孔噴出沖擊管壁，泄漏處對應的傳感器接收到的聲發(fā)射信號幅度逐漸上升，達到某一最大值后，又因為管道內(nèi)部壓力趨于平衡，所以接收到的信號幅度逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。

(3) 隨著內(nèi)管壓力的增大，各傳感器接收到的聲發(fā)射信號幅度會隨著壓力增大而增大。

(4) 內(nèi)管壓力一定時，除泄漏孔對應的傳感器外，各傳感器接收到的聲發(fā)射信號幅度隨著傳播距離的增大而逐漸減小。

(5) 多孔泄漏時，無論是兩孔泄漏還是三孔泄漏，由于時間原因，當距離法蘭較遠側(cè)泄漏點信號達到最高幅度時，距離較近位置泄漏點的信號幅度已低于最高幅度。對比三種泄漏情況，根據(jù)泄漏位置的聲發(fā)射信號幅度的最大值和各傳感器接收的信號幅度之間的衰減情況，可判斷工業(yè)檢測中是否存在多孔泄漏。

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Acoustic Emission Testing of the Inner-Pipe Leakage of Jacketed Structure

LONG Fei-fei1, DONG Jian-nan1, SHEN Shu-qian2, LI Li1, ZHANG Jia-yan1

(1.Mechanical Science and Engineering College, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;2.Maoming Branch, Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research, Maoming 525000, China)

Jacketed structure equipment is common in chemical industry, all kinds of problems such as corrosion will cause its damage and particularly cause the leakage of the inner shell, resulting possibly very serious consequence. As a kind of dynamic detection method, acoustic emission testing technology can detect mechanical wave and test the equipment at real-time, so with this technology, one can monitor the leakage of the jacketed equipment and can also find leakage location in time and determine the severity preliminarily. In this paper, for the leakage of jacketed equipment, we will study the changing relationship between acoustic emission signal and leakage pressure and the difference of the changes in amplitude between single-hole leakage and porous leakage when the jacketed media is gas and the inner pipe has leakage problem, thus laying the foundation for industrial application.

Jacketed structure; Leakage experiment; Acoustic emission; Signal analyzing

2015-10-21

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局科技計劃資助項目(2014QK159)

龍飛飛(1978-),男,博士,副教授,主要從事現(xiàn)代無損檢測及評價和現(xiàn)代信號處理技術(shù)研究工作。

董劍男(1990-),男,碩士研究生,E-mail: 243657161@qq.com。

10.11973/wsjc201607005

TG115.28

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1000-6656(2016)07-0021-04