汪文有

(美國物理聲學公司北京代表處， 北京 100029)

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壓力管道泄漏的聲發(fā)射檢測技術

汪文有

(美國物理聲學公司北京代表處， 北京 100029)

論述了聲發(fā)射檢測技術的特點，介紹了壓力管道泄漏聲發(fā)射檢測技術的原理。通過現(xiàn)場檢測，根據每一管段兩端的傳感器測量值判斷泄漏點發(fā)生的管段，再采用多通道系統(tǒng)對該管段進行多通道的線性定位檢測，用以精確定位泄漏源的位置。闡述了聲發(fā)射技術在管道泄漏檢測上的應用策略，對壓力管道泄漏定位檢測應用具有實際的指導意義。

聲發(fā)射技術；壓力管道；泄漏檢測；應用策略

壓力管道在各行各業(yè)占據重要的位置，是石油、石化等單位生產過程中的重要單元，承擔著輸送、中轉等重要作用，其內部介質往往具有易燃、易爆、高毒、強腐蝕的特點，危險等級較高。一旦出現(xiàn)事故將造成重大的經濟損失，并產生嚴重的環(huán)境污染問題，影響生命財產安全。

壓力管道在復雜的內外環(huán)境中運行，內部流體的輸送過程中存在振動、沖刷和腐蝕，外部工作環(huán)境惡劣，如高低溫、潮濕、埋地等。有些管道在安裝過程中還存在焊接缺陷、焊接殘余應力、機械摩擦、受力不均等問題。管道在長期運行過程中由于環(huán)境和應力的共同作用會導致管壁發(fā)生壁厚減薄，損傷萌生擴展等現(xiàn)象，最終導致管壁穿孔泄漏。由于泄漏部位往往不容易發(fā)現(xiàn)，如能及時發(fā)現(xiàn)泄漏部位，有利于預防連帶事故的發(fā)生，減少環(huán)境污染。

筆者采用管道泄漏聲發(fā)射檢測定位技術，精確定位了泄漏源的位置，節(jié)省了費用和時間，是一種科學、有效、經濟的在線安全評估方法。

1　聲發(fā)射檢測技術

1.1聲發(fā)射檢測原理

聲發(fā)射檢測是一種在役、實時、動態(tài)的檢測方法,能實時反映被測構件內的損傷發(fā)生、發(fā)展的動態(tài)變化過程。檢測人員能根據現(xiàn)場檢測的數(shù)據及時采取相應措施，防止重大事故的發(fā)生。聲發(fā)射是一種動態(tài)檢測方法，對線性缺陷較為敏感，在試驗中能夠整體檢測和評價整個結構中缺陷的狀態(tài)。

基于以上機理，對材料的微觀形變和開裂以及裂紋的萌生和發(fā)展，可以利用聲發(fā)射技術來監(jiān)測其動態(tài)信息。由于聲發(fā)射現(xiàn)象往往在材料破壞之前就會出現(xiàn)，因此只要及時捕捉這些信息，根據其聲發(fā)射信號的特征及發(fā)射強度，就可得知聲發(fā)射源目前的狀態(tài)，以及聲發(fā)射源形成的歷史，并對其發(fā)展趨勢進行預報[1-3]。

1.2泄漏過程聲發(fā)射檢測原理

泄漏過程中，往往存在著介質與容器壁之間的摩擦沖擊，且流體的動能會部分轉化為壁面的振動(波動信號)。該波動信號沿著容器壁面和介質向遠處傳播，被貼放在容器壁面的傳感器接收到。根據不同傳感器接收的時間以及接收的信號能量大小，可以定性及定量地監(jiān)測出是否泄漏以及泄漏的位置，有利于遠距離判斷泄漏源，減少工作量，特別適合于一些無法開挖的地段。目前聲發(fā)射泄漏廣泛應用于管道泄漏以及閥門泄漏的檢測工作中。

2　聲發(fā)射管道泄漏檢測

2.1檢測必要性

埋地管道泄漏檢測方法較多，主要包括管道內檢測中的漏磁和聲波檢測。由于管道機器人的使用對管道結構、管道直徑、內部介質、管道走向、管道內部情況等方面的要求較高，故存在一些無法使用內檢測機器人的情況。

2.2管道聲發(fā)射定位檢測方法

通常最有效的聲發(fā)射定位檢測方法為線性定位，即根據管道的已知信號幅值衰減曲線或者現(xiàn)場測試的信號幅值衰減曲線，按照傳感器接收到的信號幅值判斷泄漏產生的管段，繼而依據該管段的特點采用不同數(shù)量的傳感器進行進一步的精確定位。泄漏段的流體在靜載壓力的作用下，紊流狀態(tài)激發(fā)出高強度的沖擊和氣蝕以及顆粒與管壁的碰撞。管道內部的介質是良好的聲導體，有利于信號的遠距離傳播，為遠距離檢測提供便利條件[4-5]。

2.3聲發(fā)射檢測方案

由于泄漏信號的連續(xù)性以及其受干擾程度較大，建議對重點關注的管段采用靜載加壓的方式，也就是使管道內部流體處于靜壓狀態(tài)，這樣有利于去除流體流動的噪聲；同時采用加壓的方式，使得管道的泄漏處于持續(xù)的狀態(tài)，再采用表征連續(xù)信號特征的ASL(平均信號電平，dB)作為泄漏檢測的評估參數(shù)。

無論埋地還是非埋地管道，都需要將傳感器直接安裝在管道外壁表面進行信號的采集和接收，因此針對不同的管道，工作量有較大差別。

首先采用手持式設備在一定部位進行檢測，檢測的信號來自于管道的背景信號與泄漏信號的疊加，管道的結構特征使得聲波信號在管道中的傳播衰減較小，有利于信號在管道中的長距離傳播，從而有利于遠距離檢測泄漏信號。根據衰減與距離的相關關系可知，泄漏部位兩端的ASL值高于其他檢測點的ASL值，即可判斷泄漏所在的管段位置。

針對泄漏管段(根據泄漏強度的大小，其距離在十幾米到200 m之間)采用多通道系統(tǒng)進行均勻布置檢測，就可以將泄漏的部位定位在幾米以內的范圍，通過不同通道接收到信號的幅度結合衰減曲線得到泄漏點的位置，這種方法稱為基于衰減的循序逼近法[6-9]。

2.4現(xiàn)場檢測方法

在埋地管道每相鄰一定距離確定檢測點，對檢測點進行開挖，并且去除15 cm×15 cm范圍的管道保護層用來安裝傳感器。檢測過程采用靜載加壓，避免流動過程的干擾。

針對每一個開挖的測點，采用手持式設備進行信號ASL幅值測量。該過程簡單快速，可以根據每一管段兩端的傳感器測量值判斷泄漏點發(fā)生的管段，再采用多通道系統(tǒng)對該管段進行多通道的線性定位檢測，用以精確定位泄漏源的位置。

在對新管線的0.8 MPa水壓試驗時，測試過程中壓力不斷下降，存在約120 L·h-1的泄漏率。疑似泄漏在管道段的長度為4.3 km范圍內的任何地方。采用聲發(fā)射方法識別和互相關定位方法可以找出泄漏源。

圖1為該管段各點檢測信號幅值，針對該管段的不同結構特征，確定了29個測點位置，每兩個測點的間距在125 m左右。采用便攜式設備在0.8 MPa的壓力下進行測試，確定了泄漏源位于如圖1所示的1～4通道覆蓋的長度為375 m的范圍內，采用多通道系統(tǒng)對375 m的范圍進行多點線性定位，確定了泄漏源的位置，直接測量得到其在2 MPa的壓力下，泄漏率達到80 L·h-1。整個檢測時間持續(xù)4 d。圖2為泄漏部位示意，圖3為檢測的泄漏定位圖，與實際泄漏位置一一對應[10-11]。

圖1　聲發(fā)射信號幅值變化

圖2　泄漏點示意

圖3　泄漏定位圖

3　結論

(1) 成功的AE泄漏檢測取決于泄漏源與傳感器的距離，管道材料的衰減特性和管內流體(氣體，液體)的類型；還取決于周圍的環(huán)境(空氣，土壤)和泄漏孔的條件(雷諾數(shù))，這反過來又依賴于流速、壓差、孔的尺寸和流體的類型。在一般情況下，較高的雷諾數(shù)(更高的壓力差)更有利于檢測到泄漏[12-13]。

(2) 對管段之間的流體進行靜流控制，有利于去除現(xiàn)場的流體流動噪音，增加檢測的可行性，同時有利于對泄漏信號的識別與定位。因此科學合理地對現(xiàn)場檢測過程進行設計，能保證檢測結果的可靠與準確。

(3) 采用篩選法與循序逼近法相結合，既增加了檢測效率，又增加了檢測結果的可信度，且不受泄漏部位的影響，如泄漏部位在河床、道路、軌道、橋梁等特殊結構的底部等情況。

(4) 該方法操作簡便，判定準確。

[1]沈功田,耿榮生,劉時風.聲發(fā)射信號的參數(shù)分析方法[J].無損檢測,2002,24(2):72-77.

[2]沈功田,耿榮生,劉時風.聲發(fā)射源定位技術[J].無損檢測,2002,24(3):114-117.

[3]耿榮生,沈功田,劉時風.模態(tài)聲發(fā)射基本理論[J].無損檢測,2002,24(7):302-306.

[4]沈功田,耿榮生,劉時風.連續(xù)聲發(fā)射信號的源定位技術[J].無損檢測,2002,24(4):164-167.

[5]李光海,劉時風,耿榮生,等.聲發(fā)射源特征識別的最新方法[J].無損檢測,2002,24(12):534-538.

[6]YUYAMA S,KISHI T,HISAMATSY Y.Corrosion fatigue characteristicis of 304-stainless steel and AE analysis during the process monitoring of cracking and AE cource[J].Japan Inst Metals, 1982, 46(1):85-93.

[7]NOZUE A ,KISHI T.Evaluation of hydrogen-induced cracking unit of AISI-4340 steel byacoustic emission technique[J].Japan Inst.Metals,1981,45(1),1305-1309.

[8]YUYAMA S,KISHI T,HISAMATSU Y, et al .Effect of environments,mechanical conditions and sensitization on crack growth and AE behavior during corrosion fatigue process of sensitized 304-stainless steel(AE source identification by SEM observations)[J]. Japan Inst Metals, 1982,46(5):509-510.

[9]YUYAMA S,KISHI T,HISAMATSU Y, et al. SCC characteristics of Ti-6AI-4V alloy and analysis of cracking process by visual observations and AE technique[J].Boshoku Gijutsu (Corrosion Engineering),1981, 30:684-686.

[10]KUSANAGI H,KIMURA H,SASAKI H.Stress effect on the magnitude of acoustic emission during magnetization of ferromagnetic materials[J]. Acoustical Society America,1978:175-180.

[11]SUZUKI Y ,TSUJUKAWA S,HISAMATSU J.Studies on the mechanism of stress corrosion cracking of pure copper by using acoustic emission technique[J]. Boshoku Gujltsu,1976,25:155-157.

[12]方學鋒,梁華,夏志敏,等.基于聲發(fā)射技術的閥門泄漏在線檢測方法[J].化工機械,2007,34(1):52-58.

[13]陳志剛.聲發(fā)射技術在泄漏檢測中的應用[J].無損檢測,2008,30(6):366-368.

Acoustic Emission Testing Technique in Leak Detection of Pressure Pipeline

WANG Wen-you

(Physical Aciystics Corp. Beijing Office, Beijing 100029, China)

This paper discusses the characteristics of acoustic emission technology, introduces the principle of acoustic emission technology in pipeline leak detection, and aims to find a method for pipeline leak detection and location by using acoustic emission technique. The strategy and policy of applying acoustic e mission technique for pipeline leakage detection is described, which should have some practical significance.

Acoustic emission technique; Pressure pipeline; Leak detection; Application strategy

2015-07-23

汪文有(1981-)，男，碩士，主要從事聲發(fā)射檢測研究工作。

10.11973/wsjc201603007

TG115.28

A

1000-6656(2016)03-0022-03