汪文有

(美國(guó)物理聲學(xué)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(cè)技術(shù)

汪文有

(美國(guó)物理聲學(xué)公司北京代表處， 北京 100029)

論述了聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，介紹了壓力管道泄漏聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的原理。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，根據(jù)每一管段兩端的傳感器測(cè)量值判斷泄漏點(diǎn)發(fā)生的管段，再采用多通道系統(tǒng)對(duì)該管段進(jìn)行多通道的線性定位檢測(cè)，用以精確定位泄漏源的位置。闡述了聲發(fā)射技術(shù)在管道泄漏檢測(cè)上的應(yīng)用策略，對(duì)壓力管道泄漏定位檢測(cè)應(yīng)用具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

聲發(fā)射技術(shù)；壓力管道；泄漏檢測(cè)；應(yīng)用策略

壓力管道在各行各業(yè)占據(jù)重要的位置，是石油、石化等單位生產(chǎn)過(guò)程中的重要單元，承擔(dān)著輸送、中轉(zhuǎn)等重要作用，其內(nèi)部介質(zhì)往往具有易燃、易爆、高毒、強(qiáng)腐蝕的特點(diǎn)，危險(xiǎn)等級(jí)較高。一旦出現(xiàn)事故將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，并產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，影響生命財(cái)產(chǎn)安全。

壓力管道在復(fù)雜的內(nèi)外環(huán)境中運(yùn)行，內(nèi)部流體的輸送過(guò)程中存在振動(dòng)、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(guò)程中還存在焊接缺陷、焊接殘余應(yīng)力、機(jī)械摩擦、受力不均等問(wèn)題。管道在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中由于環(huán)境和應(yīng)力的共同作用會(huì)導(dǎo)致管壁發(fā)生壁厚減薄，損傷萌生擴(kuò)展等現(xiàn)象，最終導(dǎo)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(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏部位，有利于預(yù)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(cè)定位技術(shù)，精確定位了泄漏源的位置，節(jié)省了費(fèi)用和時(shí)間，是一種科學(xué)、有效、經(jīng)濟(jì)的在線安全評(píng)估方法。

1　聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)

1.1聲發(fā)射檢測(cè)原理

聲發(fā)射檢測(cè)是一種在役、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的檢測(cè)方法,能實(shí)時(shí)反映被測(cè)構(gòu)件內(nèi)的損傷發(fā)生、發(fā)展的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。檢測(cè)人員能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)及時(shí)采取相應(yīng)措施，防止重大事故的發(fā)生。聲發(fā)射是一種動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，對(duì)線性缺陷較為敏感，在試驗(yàn)中能夠整體檢測(cè)和評(píng)價(jià)整個(gè)結(jié)構(gòu)中缺陷的狀態(tài)。

基于以上機(jī)理，對(duì)材料的微觀形變和開(kāi)裂以及裂紋的萌生和發(fā)展，可以利用聲發(fā)射技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)其動(dòng)態(tài)信息。由于聲發(fā)射現(xiàn)象往往在材料破壞之前就會(huì)出現(xiàn)，因此只要及時(shí)捕捉這些信息，根據(jù)其聲發(fā)射信號(hào)的特征及發(fā)射強(qiáng)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(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)報(bào)[1-3]。

1.2泄漏過(guò)程聲發(fā)射檢測(cè)原理

泄漏過(guò)程中，往往存在著介質(zhì)與容器壁之間的摩擦沖擊，且流體的動(dòng)能會(huì)部分轉(zhuǎn)化為壁面的振動(dòng)(波動(dòng)信號(hào))。該波動(dòng)信號(hào)沿著容器壁面和介質(zhì)向遠(yuǎn)處傳播，被貼放在容器壁面的傳感器接收到。根據(jù)不同傳感器接收的時(shí)間以及接收的信號(hào)能量大小，可以定性及定量地監(jiān)測(cè)出是否泄漏以及泄漏的位置，有利于遠(yuǎn)距離判斷泄漏源，減少工作量，特別適合于一些無(wú)法開(kāi)挖的地段。目前聲發(fā)射泄漏廣泛應(yīng)用于管道泄漏以及閥門(mén)泄漏的檢測(cè)工作中。

2　聲發(fā)射管道泄漏檢測(cè)

2.1檢測(cè)必要性

埋地管道泄漏檢測(cè)方法較多，主要包括管道內(nèi)檢測(cè)中的漏磁和聲波檢測(cè)。由于管道機(jī)器人的使用對(duì)管道結(jié)構(gòu)、管道直徑、內(nèi)部介質(zhì)、管道走向、管道內(nèi)部情況等方面的要求較高，故存在一些無(wú)法使用內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人的情況。

2.2管道聲發(fā)射定位檢測(cè)方法

通常最有效的聲發(fā)射定位檢測(cè)方法為線性定位，即根據(jù)管道的已知信號(hào)幅值衰減曲線或者現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的信號(hào)幅值衰減曲線，按照傳感器接收到的信號(hào)幅值判斷泄漏產(chǎn)生的管段，繼而依據(jù)該管段的特點(diǎn)采用不同數(shù)量的傳感器進(jìn)行進(jìn)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(qiáng)度的沖擊和氣蝕以及顆粒與管壁的碰撞。管道內(nèi)部的介質(zhì)是良好的聲導(dǎo)體，有利于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳播，為遠(yuǎn)距離檢測(cè)提供便利條件[4-5]。

2.3聲發(fā)射檢測(cè)方案

由于泄漏信號(hào)的連續(xù)性以及其受干擾程度較大，建議對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的管段采用靜載加壓的方式，也就是使管道內(nèi)部流體處于靜壓狀態(tài)，這樣有利于去除流體流動(dòng)的噪聲；同時(shí)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(hào)特征的ASL(平均信號(hào)電平，dB)作為泄漏檢測(cè)的評(píng)估參數(shù)。

無(wú)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(jìn)行信號(hào)的采集和接收，因此針對(duì)不同的管道，工作量有較大差別。

首先采用手持式設(shè)備在一定部位進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的信號(hào)來(lái)自于管道的背景信號(hào)與泄漏信號(hào)的疊加，管道的結(jié)構(gòu)特征使得聲波信號(hào)在管道中的傳播衰減較小，有利于信號(hào)在管道中的長(zhǎng)距離傳播，從而有利于遠(yuǎn)距離檢測(cè)泄漏信號(hào)。根據(jù)衰減與距離的相關(guān)關(guān)系可知，泄漏部位兩端的ASL值高于其他檢測(cè)點(diǎn)的ASL值，即可判斷泄漏所在的管段位置。

針對(duì)泄漏管段(根據(jù)泄漏強(qiáng)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(jìn)行均勻布置檢測(cè)，就可以將泄漏的部位定位在幾米以內(nèi)的范圍，通過(guò)不同通道接收到信號(hào)的幅度結(jié)合衰減曲線得到泄漏點(diǎn)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(chǎng)檢測(cè)方法

在埋地管道每相鄰一定距離確定檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)挖，并且去除15 cm×15 cm范圍的管道保護(hù)層用來(lái)安裝傳感器。檢測(cè)過(guò)程采用靜載加壓，避免流動(dòng)過(guò)程的干擾。

針對(duì)每一個(gè)開(kāi)挖的測(cè)點(diǎn)，采用手持式設(shè)備進(jìn)行信號(hào)ASL幅值測(cè)量。該過(guò)程簡(jiǎn)單快速，可以根據(jù)每一管段兩端的傳感器測(cè)量值判斷泄漏點(diǎn)發(fā)生的管段，再采用多通道系統(tǒng)對(duì)該管段進(jìn)行多通道的線性定位檢測(cè)，用以精確定位泄漏源的位置。

在對(duì)新管線的0.8 MPa水壓試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試過(guò)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(zhǎng)度為4.3 km范圍內(nèi)的任何地方。采用聲發(fā)射方法識(shí)別和互相關(guān)定位方法可以找出泄漏源。

圖1為該管段各點(diǎn)檢測(cè)信號(hào)幅值，針對(duì)該管段的不同結(jié)構(gòu)特征，確定了29個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，每?jī)蓚€(gè)測(cè)點(diǎn)的間距在125 m左右。采用便攜式設(shè)備在0.8 MPa的壓力下進(jìn)行測(cè)試，確定了泄漏源位于如圖1所示的1～4通道覆蓋的長(zhǎng)度為375 m的范圍內(nèi)，采用多通道系統(tǒng)對(duì)375 m的范圍進(jìn)行多點(diǎn)線性定位，確定了泄漏源的位置，直接測(cè)量得到其在2 MPa的壓力下，泄漏率達(dá)到80 L·h-1。整個(gè)檢測(cè)時(shí)間持續(xù)4 d。圖2為泄漏部位示意，圖3為檢測(cè)的泄漏定位圖，與實(shí)際泄漏位置一一對(duì)應(yīng)[10-11]。

圖1　聲發(fā)射信號(hào)幅值變化

圖2　泄漏點(diǎn)示意

圖3　泄漏定位圖

3　結(jié)論

(1) 成功的AE泄漏檢測(cè)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(nèi)流體(氣體，液體)的類型；還取決于周?chē)沫h(huán)境(空氣，土壤)和泄漏孔的條件(雷諾數(shù))，這反過(guò)來(lái)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(cè)到泄漏[12-13]。

(2) 對(duì)管段之間的流體進(jìn)行靜流控制，有利于去除現(xiàn)場(chǎng)的流體流動(dòng)噪音，增加檢測(cè)的可行性，同時(shí)有利于對(duì)泄漏信號(hào)的識(shí)別與定位。因此科學(xué)合理地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，能保證檢測(cè)結(jié)果的可靠與準(zhǔn)確。

(3) 采用篩選法與循序逼近法相結(jié)合，既增加了檢測(cè)效率，又增加了檢測(cè)結(jié)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(jié)構(gòu)的底部等情況。

(4) 該方法操作簡(jiǎn)便，判定準(zhǔn)確。

[1]沈功田,耿榮生,劉時(shí)風(fēng).聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)分析方法[J].無(wú)損檢測(cè),2002,24(2):72-77.

[2]沈功田,耿榮生,劉時(shí)風(fēng).聲發(fā)射源定位技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè),2002,24(3):114-117.

[3]耿榮生,沈功田,劉時(shí)風(fēng).模態(tài)聲發(fā)射基本理論[J].無(wú)損檢測(cè),2002,24(7):302-306.

[4]沈功田,耿榮生,劉時(shí)風(fēng).連續(xù)聲發(fā)射信號(hào)的源定位技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè),2002,24(4):164-167.

[5]李光海,劉時(shí)風(fēng),耿榮生,等.聲發(fā)射源特征識(shí)別的最新方法[J].無(wú)損檢測(cè),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(xué)鋒,梁華,夏志敏,等.基于聲發(fā)射技術(shù)的閥門(mén)泄漏在線檢測(cè)方法[J].化工機(jī)械,2007,34(1):52-58.

[13]陳志剛.聲發(fā)射技術(shù)在泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用[J].無(wú)損檢測(cè),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(cè)研究工作。

10.11973/wsjc201603007

TG115.28

A

1000-6656(2016)03-0022-03