鄒　兵，賈招弟，李　偉

(1.中國石化安全工程研究院， 青島 266071;2.東北石油大學(xué)， 大慶 163318)

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基于聲發(fā)射技術(shù)的氣體閥門內(nèi)漏診斷

鄒兵1，賈招弟2，李偉2

(1.中國石化安全工程研究院， 青島 266071;2.東北石油大學(xué)， 大慶 163318)

針對(duì)石化企業(yè)閥門內(nèi)漏在線診斷中存在的問題，建立了預(yù)置缺陷閘閥內(nèi)漏模擬試驗(yàn)平臺(tái)，應(yīng)用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合Fluent軟件對(duì)泄漏狀態(tài)下流場(chǎng)的模擬，探討了氣體閥門內(nèi)漏過程中聲發(fā)射特征參數(shù)分布規(guī)律。利用小波分析技術(shù)，研究了內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)頻率分布規(guī)律。結(jié)果表明：隨著壓差的增大，閥門泄漏率增大，聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)(能量、幅值、平均信號(hào)電平等)也隨之呈規(guī)律性變化，且閥門缺陷尺寸越大，變化趨勢(shì)越明顯。對(duì)均方根-泄漏率關(guān)系曲線進(jìn)行最小二乘法擬合，提出閥門內(nèi)漏定量診斷公式。

氣體；閥門；聲發(fā)射技術(shù)；內(nèi)漏

在石化企業(yè)運(yùn)行裝置中，閥門總是處于各關(guān)節(jié)部位，主要起著控制裝置、管路的啟閉，改變介質(zhì)流向的作用。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的工作，由于介質(zhì)的沖刷和腐蝕，閥門經(jīng)常出現(xiàn)不同程度的泄漏。閥體泄漏、閥桿泄漏、填料泄漏和閥體連接部位的泄漏主要為閥門外漏。在國外，一些國家已經(jīng)針對(duì)閥門外漏實(shí)施了多種較成熟的檢測(cè)手段，其中泄漏檢測(cè)與維修(Leak Detection and Repair，LDAR)計(jì)劃是美國環(huán)保局推行，主要針對(duì)逸散性泄漏的檢測(cè)方法。在我國也將此技術(shù)應(yīng)用于苯、硫化氫、揮發(fā)性有機(jī)化合物等的泄漏檢測(cè)中[1-3]。閥門內(nèi)漏主要是啟閉件與閥座兩密封面間接觸處的泄漏，這種泄漏直接影響閥門截?cái)嘟橘|(zhì)的能力。LEE等[4]利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)閥門泄漏進(jìn)行了試驗(yàn)，提出信號(hào)幅值與泄漏率的關(guān)系可以用于閥門泄漏的定量研究；KAEWWAEWNOI等[5-6]針對(duì)介質(zhì)為氣體、液體的閥門分別研究了泄漏率與聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)之間的關(guān)系，提出了內(nèi)漏診斷關(guān)系式，并研發(fā)了一套聲發(fā)射內(nèi)漏檢測(cè)系統(tǒng)，提出了一種基于微控制和聲發(fā)射技術(shù)理論模型的低成本聲發(fā)射檢測(cè)儀，來預(yù)測(cè)閥門泄漏率。而國內(nèi)對(duì)氣體內(nèi)漏的檢測(cè)方法只限于試驗(yàn)研究階段[7-9]。目前國內(nèi)的閥門維修手段，主要是停機(jī)、大面積的拆卸、維修和更換，這種方法缺乏針對(duì)性，又需要大量的人力物力。然而據(jù)統(tǒng)計(jì)，有50%以上的閥門不需要拆卸解體，拆卸解體會(huì)造成勞動(dòng)力的浪費(fèi)以及停工的損失，更有可能在拆修過程中由于各種原因造成一些人為的破壞。筆者建立了預(yù)置缺陷閘閥內(nèi)漏模擬試驗(yàn)平臺(tái),應(yīng)用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù),探討了內(nèi)漏過程中聲發(fā)射特征參數(shù)分布規(guī)律。

1　閥門內(nèi)漏聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)

聲發(fā)射動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)技術(shù)正逐步成為閥門泄漏檢測(cè)的重要方法，可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)閥門是否泄漏，為閥門提供預(yù)知性維修手段[10]，延長(zhǎng)無泄漏閥門的檢測(cè)周期，減少閥門拆卸帶來的污染，還能減少由于拆卸給閥門帶來的損壞。閥門內(nèi)漏聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)具有簡(jiǎn)便快捷，對(duì)閥門完整性要求低，檢測(cè)距離接近程度不高，成本低，污染少等特點(diǎn)[11-12]。通過對(duì)預(yù)置缺陷閘閥進(jìn)行聲發(fā)射泄漏檢測(cè)試驗(yàn)，提取聲發(fā)射信號(hào)特征，建立特征參數(shù)與閥門泄漏率之間的關(guān)系，為閥門泄漏診斷提供了有效依據(jù)。

筆者通過模擬不同密封面缺陷大小的閘閥聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)，采集泄漏時(shí)聲發(fā)射信號(hào)，測(cè)量泄漏量;再利用對(duì)聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)的提取與分析，建立泄漏量與信號(hào)參數(shù)的關(guān)系;采用小波分析技術(shù)，識(shí)別泄漏信號(hào)。

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

預(yù)置缺陷：采用三個(gè)Z40W-150LB型號(hào)閘閥，在閘板密封面底部?jī)蓚?cè)均加工了貫穿式缺陷，如圖1所示。表1為各缺陷閥門類型。

圖1　閘板缺陷預(yù)處理示例

閥門編號(hào)尺寸(寬×高)/mm閥門規(guī)格1#0.6×0.6Z40W-150LB,DN802#1.0×1.0Z40W-150LB,DN803#1.4×1.4Z40W-150LB,DN80

1.2流場(chǎng)分析

利用聲發(fā)射檢測(cè)方法對(duì)閥門泄漏進(jìn)行檢測(cè)，基本原理是通過分析泄漏過程中流體的噴流噪聲來判斷是否泄漏，并根據(jù)聲信號(hào)的特點(diǎn)對(duì)泄漏孔進(jìn)行分析。

Workbench是ANSYS公司提出的仿真協(xié)同環(huán)境，通過對(duì)產(chǎn)品研發(fā)流程中仿真環(huán)境的開發(fā)與實(shí)施，搭建一個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、集成多學(xué)科異構(gòu)CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)技術(shù)的仿真系統(tǒng)。其以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)為核心，組建一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品研制虛擬仿真團(tuán)隊(duì)，基于產(chǎn)品數(shù)字虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制并行仿真和異地仿真。

模擬所用的軟件為Ansys Workbench模塊。Ansys Workbench模塊中包含的Fluent部分可以對(duì)流體的流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，通過分析流體的速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)得到閥門泄漏的相關(guān)信息。通過Workbench中自帶的DM建模軟件對(duì)DN80閘閥進(jìn)行模型建模，預(yù)置缺陷1 mm，再對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，通過對(duì)閥門開口處網(wǎng)格劃分加密，以便對(duì)氣體通過閥門的流動(dòng)情況進(jìn)行更準(zhǔn)確的模擬，如圖2所示。設(shè)置上游壓力為0.5 MPa，下游為大氣壓力。

圖2　閥門模擬網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格加密處細(xì)節(jié)模擬

圖3　閥門泄漏壓力場(chǎng)模擬

圖4　泄漏速度場(chǎng)模擬

從圖3所示壓力云圖中可以看出,在流體通過泄漏孔隙時(shí)，壓力逐漸減小，壓力梯度有明顯變化。圖4為速度云圖，表示流體在閥門中的速度大小分布情況;由圖可見，通過兩次節(jié)流點(diǎn)，泄漏速度均明顯增大，內(nèi)壁面的速度明顯偏高，而且在下游處流體的流動(dòng)形成了部分漩渦。經(jīng)過總體分析，選定閥門下游靠近閘板處作為傳感器黏貼位置，適合聲發(fā)射信號(hào)的采集，但為了更好地控制變量，各個(gè)閥門傳感器黏貼位置應(yīng)保證相同。

2　試驗(yàn)過程及結(jié)果

2.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要有空氣壓縮機(jī)、3 m3緩沖罐、阻斷球閥、待測(cè)閘閥、流量計(jì)等。采集系統(tǒng)主要包括北京聲華科技公司的2通道SAEU2S板卡，40 dB前置放大器，SR150M傳感器等。試驗(yàn)?zāi)M裝置系統(tǒng)示意如圖5所示。

圖5　聲發(fā)射試驗(yàn)?zāi)M裝置系統(tǒng)示意

試驗(yàn)時(shí),壓縮空氣進(jìn)入緩沖罐，待氣流穩(wěn)定，壓力保持不變后再打開阻斷球閥，氣體通過待測(cè)閥門預(yù)置泄漏孔隙流出。當(dāng)氣體通過泄漏孔隙時(shí)，氣流的復(fù)雜噴流撞擊在管壁時(shí)會(huì)使管壁上產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，應(yīng)變能逐漸累積到一定程度后，以彈性波的形式釋放并在管壁傳播，而引起振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度增大;振動(dòng)信號(hào)在聲發(fā)射傳感器的探測(cè)范圍內(nèi)被傳感器探測(cè)到，傳感器將探測(cè)到的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過放大器放大，濾波器信號(hào)處理后，再利用A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行信號(hào)的采集、保存和處理。

試驗(yàn)前，用斷鉛的方法對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，確定設(shè)備連接無誤且傳感器接收信號(hào)正常后，采集周圍環(huán)境噪聲，根據(jù)結(jié)果設(shè)定門檻值及其他參數(shù)值，聲發(fā)射采集儀參數(shù)為:門檻值35 dB;采樣頻率1 000 kHz;閉鎖時(shí)間1 000 ms;峰值間隔30 ms;采集參數(shù)為幅值、能量、ASL(平均信號(hào)電平)、RMS(均方根)等。

2.2試驗(yàn)內(nèi)容

關(guān)緊阻斷球閥，向緩沖罐內(nèi)充氣加壓至0.7 MPa，靜置3 min，使氣體穩(wěn)定，待測(cè)閥門下游放空；打開阻斷球閥，待流量計(jì)示數(shù)穩(wěn)定，讀取示數(shù)，記錄壓力值，采集聲發(fā)射信號(hào)，持續(xù)15 s，關(guān)閉球閥；對(duì)緩沖罐放氣，降壓至0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1 MPa。分別重復(fù)上述試驗(yàn)，記錄各工況流量計(jì)示數(shù)，采集聲發(fā)射信號(hào)。

2.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

小波對(duì)信號(hào)的分解是簡(jiǎn)單的頻譜分析技術(shù)，可以將聲發(fā)射信號(hào)按頻率逐層分解，對(duì)泄漏信號(hào)的識(shí)別與噪聲信號(hào)的剔除有重要作用。將缺陷尺寸為1.0 mm×1.0 mm的2#閥門在壓差為0.5 MPa工況下的聲發(fā)射信號(hào)分解，采用db10小波基將采集到的閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行5層小波分解，得到圖6所示信號(hào)?？芍^強(qiáng)信號(hào)主要分布在d4，可以判斷泄漏信號(hào)頻率主要分布在62.5125 kHz范圍，而在d1、d2中有較多復(fù)雜的微弱信號(hào)，這些為采集過程中產(chǎn)生的干擾噪聲信號(hào)?？梢?應(yīng)用小波分析方法可以初步對(duì)泄漏情況進(jìn)行判斷。

圖6　2#閥門聲發(fā)射信號(hào)小波分解

在壓差變化的情況下，研究不同泄漏孔隙閥門的泄漏情況，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到曲線如圖7所示，閥門的泄漏率(流量)隨壓力的變化呈線性趨勢(shì)增長(zhǎng)，并且隨著泄漏尺寸的增大，泄漏率增長(zhǎng)幅度也隨之增大。能量是閥門泄漏判定的一個(gè)重要參數(shù)，如圖8所示，泄漏能量隨壓力的增大而增大，且泄漏孔尺寸越大，能量的增長(zhǎng)越快，但并不隨尺寸均勻增長(zhǎng)。

圖7　不同泄漏孔隙閥門壓力-泄漏率曲線

圖8　不同泄漏孔隙閥門壓力-能量曲線

針對(duì)單個(gè)閥門泄漏模擬試驗(yàn)，以2#閥門為例，對(duì)相同孔隙閥門，隨著壓力的增大，泄漏源的聲發(fā)射信號(hào)幅值、平均信號(hào)電平(ASL)、均方根(RMS)也隨之增大。整理得到如圖9所示曲線。按公式

對(duì)RMS值-泄漏率進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合，得到圖10所示曲線，其中系數(shù)值如表2所示。

圖9　2#閥門壓力-聲發(fā)射特征參數(shù)曲線

圖10　2#閥門泄漏率-RMS擬合

參數(shù)CB1B2B3值-0.46-4.03X10-50.01-1.39X10-4標(biāo)準(zhǔn)差1.370.180.018.35X10-5

3　結(jié)論

(1) 貫穿式缺陷的聲發(fā)射源信號(hào)頻率主要分布在62.5125 kHz范圍內(nèi)，采用小波分析技術(shù)可以對(duì)閥門泄漏狀態(tài)進(jìn)行初步判斷。

(2) 閥門泄漏率隨壓差的變化呈正比例變化，且泄漏孔越大，變化趨勢(shì)越明顯;聲發(fā)射信號(hào)能量值隨著壓力的升高而增大，變化趨勢(shì)也與泄漏孔大小有關(guān)。

(3) 同一泄漏孔隙閥門，隨著閥門壓差增大，因泄漏源激發(fā)的聲發(fā)射信號(hào)幅值、ASL、RMS也隨之增大，且RMS與泄漏率呈多次方關(guān)系。

(4) 通過模擬試驗(yàn)可以看出，聲發(fā)射特征參數(shù)如能量、幅值、ASL、RMS等均能很好反應(yīng)閥門的泄漏狀態(tài)。

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Internal Leakage Diagnosis for Gas Valve Based on AE Technique

ZOU Bing1, JIA Zhao-di2, LI Wei2

(1.SINOPEC Safety Engineering Institute, Qingdao 266071, China;2.Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

Aiming at on-line diagnosis problem about valve leakage in petrochemical enterprises, a simulation test platform of preset defect gates valve leakage is established. By the application of acoustic emission (AE) technology testing means combined with Fluent software simulation of flow field under leakage state, the distribution of AE characteristic parameters are studied in the process of internal leakage. Results show that as the pressure increases, the leakage rate in valve will increase, and the AE signal characteristic parameters (including energy, amplitude, ASL, RMS, etc) will also change regularly. The larger the size of the defect is, the more obvious the change trend shall be. RMS-leakage rate curve is fitting with least squares, and the formula is put forward on quantitative diagnosis for valve leakage.

Gas; Valve; AE technique; Internal leakage

2015-07-21

鄒兵(1961-),男,本科,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事石化企業(yè)安全管理、泄漏檢測(cè)與修復(fù)相關(guān)工作。

10.11973/wsjc201603014

TG115.28

A

1000-6656(2016)03-0056-04