李振林， 張海峰， 郝一博， 張 寧， 雷紅祥， 陳 鑫， 劉治超

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院 北京， 102249) (2.過(guò)程流體過(guò)濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京, 102249)(3.中石油管道科技研究中心 廊坊， 065000) (4.中石油東部管道有限公司 上海，200120)

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天然氣管道球閥內(nèi)漏發(fā)聲機(jī)理及檢測(cè)試驗(yàn)

李振林1,2， 張海峰3， 郝一博4， 張 寧1,2， 雷紅祥1,2， 陳 鑫1,2， 劉治超1,2

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院 北京， 102249) (2.過(guò)程流體過(guò)濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京, 102249)(3.中石油管道科技研究中心 廊坊， 065000) (4.中石油東部管道有限公司 上海，200120)

球閥作為高壓天然氣輸送管道的主要設(shè)備，其內(nèi)漏時(shí)的噴流氣體會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，通過(guò)研究該聲發(fā)射信號(hào)特征規(guī)律將有助于閥門內(nèi)漏流量量化檢測(cè)。針對(duì)這一問(wèn)題，進(jìn)行了天然氣輸送管道球閥內(nèi)漏發(fā)聲機(jī)理和檢測(cè)試驗(yàn)研究，分析了閥門內(nèi)漏聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理和內(nèi)漏流量檢測(cè)評(píng)價(jià)方法。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)3種不同尺寸內(nèi)漏球閥進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)分析了球閥在不同內(nèi)漏流量下的聲發(fā)射信號(hào)頻譜特征分布規(guī)律，并采用小波包分析方法進(jìn)行信號(hào)特征參數(shù)(信息熵、均方根、頻域峰值)提取。擬合特征參數(shù)與內(nèi)漏流量關(guān)系曲線，采用R2(確定系數(shù))指標(biāo)對(duì)曲線擬合程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果表明，采用均方根值(root mean square,簡(jiǎn)稱RMS)的曲線擬合程度最高(R2為0.979)，可以用于天然氣輸送管道球閥內(nèi)漏流量的量化檢測(cè)。

天然氣管道；球閥；發(fā)聲機(jī)理；檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

引 言

據(jù)國(guó)家安全監(jiān)督管理總局統(tǒng)計(jì)，2014年我國(guó)陸上油氣輸送管線總長(zhǎng)度約12萬(wàn)公里，其中天然氣管道為7.54萬(wàn)公里，輸氣管道運(yùn)行的安全性在很大程度上取決于所安裝閥門的性能[1-2]。BP公司對(duì)相關(guān)閥門失效統(tǒng)計(jì)分析表明，輸氣管道存在5%～10%的泄漏閥門。因此，進(jìn)行管道閥門的內(nèi)漏試驗(yàn)規(guī)律研究將對(duì)管道運(yùn)行安全起到重要的保障作用。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)閥門內(nèi)漏研究主要分為以下3個(gè)方面：內(nèi)漏流場(chǎng)和聲場(chǎng)仿真模擬研究、不同工況下的內(nèi)漏聲學(xué)時(shí)頻域特征研究以及聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)和特征參數(shù)計(jì)算研究。戴光等[3]采用Lighthill方程進(jìn)行了閘閥的噴流聲場(chǎng)仿真研究。楊晶等[4]以水為介質(zhì)進(jìn)行了低壓力(<1MPa)條件下的DN80閥門內(nèi)漏聲學(xué)頻域特征分析。文獻(xiàn)[5-7]以空氣為介質(zhì)進(jìn)行了壓力<1MPa下DN80球閥內(nèi)漏聲發(fā)射特征參數(shù)(RMS)與內(nèi)漏流量關(guān)系模型的建立及檢測(cè)儀器開(kāi)發(fā)研究。Meland等[8]進(jìn)行了DN100球閥在4MPa壓差下的以空氣、水為介質(zhì)的內(nèi)漏聲學(xué)頻域譜特征研究。文獻(xiàn)[9-11]進(jìn)行了閥門內(nèi)漏診斷及機(jī)理分析。文獻(xiàn)[12]進(jìn)行了DN80球閥的內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)計(jì)算和不同內(nèi)漏程度的分類識(shí)別研究。從國(guó)內(nèi)外近期的研究成果來(lái)看，閥門內(nèi)漏過(guò)程中聲學(xué)特征變化主要與閥門壓差、內(nèi)漏孔徑以及閥門尺寸有關(guān)，內(nèi)漏檢測(cè)方面的研究主要集中在低壓力(壓差<1MPa)、小口徑(尺寸

筆者在結(jié)合前期國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，依托中石油西氣東輸公司進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)高壓力球閥內(nèi)漏聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)研究，分析球閥在高壓力條件下發(fā)生天然氣內(nèi)漏時(shí)聲學(xué)特征，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了閥門尺寸、壓差以及內(nèi)漏流量等參數(shù)與聲發(fā)射信號(hào)特征關(guān)系的研究。

1 閥門內(nèi)漏噪聲產(chǎn)生機(jī)理及其特征

1.1 閥門內(nèi)漏噪聲產(chǎn)生的機(jī)理

閥門內(nèi)漏過(guò)程產(chǎn)生的噪聲本質(zhì)為氣動(dòng)噪聲，起因于氣體內(nèi)部的脈動(dòng)質(zhì)量源、作用力的空間梯度以及應(yīng)力張量的變化。輸氣管道閥門內(nèi)漏過(guò)程中的壓力分布曲線如圖1所示。在閥門內(nèi)漏孔及附近，由于截流效應(yīng)會(huì)造成較大的壓力降，形成最高的流動(dòng)速度，內(nèi)漏噪聲也主要存在于該區(qū)域。閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，泄漏為微小泄漏，可以認(rèn)定為閥門上游壓力P1為定值。當(dāng)下游壓力P0降低，會(huì)使在泄漏孔處達(dá)到較高速度而出現(xiàn)噴流現(xiàn)象。如果達(dá)到聲速或者超聲速，則會(huì)在孔口附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流運(yùn)動(dòng)，同時(shí)有可能會(huì)伴隨激波的產(chǎn)生。此時(shí)，當(dāng)噴流噪聲輻射進(jìn)入閥門周圍和下游管道時(shí)，會(huì)通過(guò)脈動(dòng)壓力與閥門和管道連接系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生噪聲。文獻(xiàn)[13]指出：對(duì)于簡(jiǎn)單孔口，離該泄漏孔3倍管徑內(nèi)噪聲由湍流占主要地位；當(dāng)距離孔口10倍管徑之外，則是由聲波激勵(lì)管壁產(chǎn)生的振動(dòng)，而不是由壓力脈動(dòng)湍流產(chǎn)生。

圖1 閥門內(nèi)漏過(guò)程管線壓力分布Fig.1 The static pressure along pipeline

對(duì)于閥門內(nèi)漏過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲，其聲源主要包括以下3個(gè)方面：

1) 閥門內(nèi)漏過(guò)程中高速氣體射入到靜止或者相對(duì)低速的閥門下游管道而產(chǎn)生的噴流噪聲；

2) 內(nèi)漏流體在流道中受到復(fù)雜固體流道邊界影響而產(chǎn)生的強(qiáng)渦流噪聲，高速氣流與閥門和管道內(nèi)壁相互作用而產(chǎn)生的噪聲；

3) 當(dāng)內(nèi)漏流道截面積發(fā)生變化成收縮噴口，同時(shí)氣流的駐點(diǎn)壓力大于臨界面壓力時(shí)會(huì)形成阻塞噴注噪聲，此時(shí)由于閥門噴注附近壓力的不連續(xù)性將會(huì)產(chǎn)生沖擊波的相互干涉，進(jìn)而形成阻塞噴注中的沖擊氣室，此時(shí)的噴注過(guò)程除了會(huì)產(chǎn)生湍流混合噪聲之外也會(huì)產(chǎn)生沖擊伴隨噪聲，沖擊伴隨噪聲則是阻塞噴注噪聲的主要組成部分。

1.2 閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)評(píng)價(jià)參數(shù)的選取

閥門內(nèi)漏噴流過(guò)程復(fù)雜，聲傳播衰減以及檢測(cè)過(guò)程中受環(huán)境噪聲干擾的影響，如何準(zhǔn)確地從檢測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)中提取有效聲發(fā)射源信息將對(duì)閥門內(nèi)漏流量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)起到?jīng)Q定性作用。因此，針對(duì)輸氣管道閥門內(nèi)漏的非平穩(wěn)性，筆者采用了信息熵、均方根和頻域峰值3種特征參數(shù)進(jìn)行閥門不同內(nèi)漏工況下的聲發(fā)射信號(hào)特征規(guī)律研究。

筆者根據(jù)閥門內(nèi)漏中聲發(fā)射信號(hào)為連續(xù)型信號(hào)的特點(diǎn)，除提取信息熵參數(shù)外，還在時(shí)域內(nèi)提取均方根值，在頻域范圍內(nèi)提取峰值參數(shù)進(jìn)行內(nèi)漏特征規(guī)律研究。假設(shè)一個(gè)聲發(fā)射樣本為x[0],x[1],…,x[N-1]，其對(duì)應(yīng)特征參數(shù)可表示為

峰值

2 高壓、大口徑球閥內(nèi)漏聲發(fā)射檢測(cè)方法及試驗(yàn)

2.1 球閥內(nèi)漏聲發(fā)射檢測(cè)原理

輸氣管道閥門內(nèi)漏所產(chǎn)生的聲發(fā)射源主要為閥門出現(xiàn)磨損、腐蝕及劃傷等損傷情況時(shí)，閥門的密封面密封不嚴(yán)導(dǎo)致內(nèi)漏而產(chǎn)生的彈性波聲發(fā)射源。因此，可以通過(guò)吸附在閥門上的聲發(fā)射傳感器檢測(cè)內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)，分析處理后進(jìn)行閥門內(nèi)漏的定性、定量和定位識(shí)別。建立聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)與閥門內(nèi)漏流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要考慮影響聲發(fā)射信號(hào)的相關(guān)因素，包括閥門類型、流體密度、聲音在流體中傳播速度、閥門壓差、介質(zhì)溫度、流速、內(nèi)漏孔結(jié)構(gòu)尺寸及閥門結(jié)構(gòu)尺寸等。上述影響因素中，閥門類型、閥門壓差、閥門結(jié)構(gòu)尺寸和內(nèi)漏孔結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)聲發(fā)檢測(cè)信號(hào)的變化起到了主要的影響作用。筆者將天然氣管道常用的球閥作為研究對(duì)象，以天然氣為試驗(yàn)介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析球閥在不同閥門尺寸、壓差及流量下的聲發(fā)射信號(hào)特征，分析信號(hào)特征參數(shù)與閥門內(nèi)漏流量間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為后期球閥內(nèi)漏流量量化檢測(cè)提供有效的檢測(cè)參數(shù)。

2.2 高壓、大口徑球閥內(nèi)漏檢測(cè)試驗(yàn)

輸氣管道實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中多為高壓力工作狀況，且球閥尺寸使用范圍廣(DN50～DN1016)。為了分析高壓條件下不同尺寸球閥內(nèi)漏過(guò)程中氣體噴流噪聲聲學(xué)特征變化規(guī)律，以及特征參數(shù)與內(nèi)漏流量對(duì)應(yīng)關(guān)系，本試驗(yàn)在中國(guó)石油西氣東輸南京分站(國(guó)家大流量天然氣計(jì)量中心)進(jìn)行，對(duì)常用DN150，DN200，DN250這3種口徑球閥進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)場(chǎng)地見(jiàn)圖2，選擇其中3條管線安裝待測(cè)球閥，管線基本參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)條件Fig.2 Field experiment conditions

上游管線基本參數(shù)管線尺寸DN150DN200DN250長(zhǎng)度/m39.65036.69063.200管徑/m0.1520.2030.254面積/m20.0180.0320.051體積/m30.7231.1893.201介質(zhì)天然氣

試驗(yàn)過(guò)程中采用本實(shí)驗(yàn)室所開(kāi)發(fā)的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行輸氣管道球閥在不同尺寸、壓差以及內(nèi)漏孔徑下內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)的特征檢測(cè)。該檢測(cè)采用寬頻雙通道聲發(fā)射傳感器(SR150N)，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)40dB放大器進(jìn)入高速數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換采集(采樣頻率為200kHz)，采集后的內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)上傳至上位機(jī)進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)的特征參數(shù)計(jì)算。聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)基本性能參數(shù)如表2所示。對(duì)每種球閥，分別建立不同壓差下(2,4,5MPa)內(nèi)漏流量與聲發(fā)射特征參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于試驗(yàn)過(guò)程中球閥內(nèi)漏流量微小，計(jì)算球閥內(nèi)漏流量需通過(guò)讀取安裝在靠近待測(cè)球閥上游的數(shù)字壓力計(jì)、溫度計(jì)、測(cè)量時(shí)間以及上游管道容積，應(yīng)用氣體狀態(tài)方程計(jì)算在標(biāo)況下氣體內(nèi)漏流量。

表2 采集系統(tǒng)性能指標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)具體檢測(cè)過(guò)程如圖3所示，其詳細(xì)檢測(cè)過(guò)程如下：

1) 將聲發(fā)射傳感器A和B置于空氣中，檢測(cè)環(huán)境噪聲并進(jìn)行傳感器初始化標(biāo)定；

2) 如圖3所示，將聲發(fā)射傳感器A與閥門上游管道A處表面經(jīng)耦合劑耦合后采用磁性?shī)A具進(jìn)行固定，聲發(fā)射傳感器B固定于下游B處；

3) 分別給定球閥上游壓力為2，4，5MPa，下游為放空狀態(tài)；

4) 每種測(cè)試壓力下依次調(diào)節(jié)球閥進(jìn)行模擬閥門內(nèi)漏；

5) 調(diào)試準(zhǔn)備好后，每分鐘記錄1次球閥壓差、溫度以及聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)域數(shù)據(jù)，待壓力計(jì)示數(shù)下降至20kPa時(shí)停止采集數(shù)據(jù)，完成一個(gè)試驗(yàn)周期；

6) 通過(guò)氣體狀態(tài)方程計(jì)算該壓力下球閥內(nèi)漏流量；

7) 提取聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)建立特征參數(shù)與內(nèi)漏流量對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖3 檢測(cè)示意圖Fig.3 Diagrammatic sketch of detection

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

3.1 閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)頻譜特征分析

設(shè)定DN150球閥壓差為2MPa，閥體未內(nèi)漏和發(fā)生內(nèi)漏兩種工況，其中內(nèi)漏工況下內(nèi)漏流量分別為10.81，19.89和41.14L/min，內(nèi)漏過(guò)程中聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)域信號(hào)及頻域信號(hào)如圖4所示。從圖中可以看出：圖4(a)為閥門在未發(fā)生內(nèi)漏情況下檢測(cè)的管道基準(zhǔn)背景噪聲信號(hào)，該環(huán)境噪聲為一非平穩(wěn)波動(dòng)信號(hào)，通過(guò)傅里葉變換后管道基準(zhǔn)噪聲為一寬頻帶的白噪聲；圖4(b)為球閥發(fā)生小泄漏時(shí)檢測(cè)到聲發(fā)射信號(hào)，可知閥門開(kāi)始發(fā)生泄漏時(shí)主要會(huì)產(chǎn)生30kHz以下的低頻噴流噪聲信號(hào)，高頻信號(hào)部分沒(méi)有明顯變化；當(dāng)閥門內(nèi)漏流量增加到19.89L/min時(shí)，如圖4(c)所示，雖然信號(hào)頻率范圍變化不大，但是其幅值由10.81L/min時(shí)頻率峰值的5.5dB增加到10dB；當(dāng)內(nèi)漏流量繼續(xù)增大到圖4(d)所示的41.14L/min時(shí)，則不僅產(chǎn)生的30kHz以下噴流噪聲強(qiáng)度開(kāi)始急劇加強(qiáng)，同時(shí)在30kHz～70kHz的高頻部分也會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的噴流噪聲。

通過(guò)閥門不同內(nèi)漏流量下的聲發(fā)射信號(hào)變化特征可以發(fā)現(xiàn)，閥門內(nèi)漏過(guò)程中產(chǎn)生的噴流噪聲為一寬頻信號(hào)，且在不同內(nèi)漏流量下，內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)不同頻率范圍內(nèi)信號(hào)幅值變化有所不同。因此，可分析內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)頻譜特征尋求內(nèi)漏流量與聲發(fā)射信號(hào)間對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.2 基于小波包分解下的特征參數(shù)分析

圖4 2MPa壓差下球閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)特征Fig.4 Ball valve leakage acoustic emission signal characteristic under 2MPa

如何準(zhǔn)確地從檢測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)中提取有效聲發(fā)射源信息，將對(duì)閥門內(nèi)漏特征分析起到?jīng)Q定性作用。小波包分析由于其具有獨(dú)特的變時(shí)窗性能使其對(duì)信號(hào)的時(shí)/頻域分析都具有優(yōu)越的分析能力，是分析復(fù)雜聲發(fā)射信號(hào)的有效工具。筆者采用小波包變換和信息熵、均方根和頻域峰值相結(jié)合的方法進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)處理，采用該方法對(duì)檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行不同頻帶的小波包分解處理，對(duì)分解后頻帶內(nèi)信號(hào)進(jìn)行特征參數(shù)計(jì)算，分析閥門在不同內(nèi)漏工況下聲發(fā)射信號(hào)變化規(guī)律。聲發(fā)射信號(hào)的小波包分解的核心問(wèn)題為小波基函數(shù)的選擇，根據(jù)球閥內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)特點(diǎn)和數(shù)據(jù)處理的要求，需要小波基在時(shí)域范圍內(nèi)具有緊支性、在頻域具有快速衰減性特點(diǎn)，筆者參照文獻(xiàn)[15]采用db5小波基進(jìn)行3層小波包分解。

基于小波包分解下的特征參數(shù)計(jì)算過(guò)程具體流程為：首先，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行3層小波包分解，在第3層中得到S(3,0)～S(3,7)共8個(gè)小波包頻帶，其分別對(duì)應(yīng)(單位為kHz)：0～12.5，12.5～25，25～37.5，37.5～50，50～62.5，62.5～75，75～87.5，87.5～100；然后，對(duì)每個(gè)小波包頻帶系數(shù)進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)；最后，對(duì)8個(gè)頻帶內(nèi)的重構(gòu)信號(hào)在時(shí)域范圍內(nèi)分別提取信息熵、均方根值和頻域范圍內(nèi)的頻域峰值參數(shù)值。由于閥門內(nèi)漏信號(hào)為一非平穩(wěn)信號(hào)，不同小波包頻帶內(nèi)特征參數(shù)變化規(guī)律有所不同，因此需要獲取最具有變換規(guī)律的那組頻帶信號(hào)進(jìn)行分析。筆者對(duì)DN150球閥在2MPa壓差下內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行3層小波包分解后計(jì)算特征參數(shù)(均方根值)的變換規(guī)律，如圖5所示。對(duì)每個(gè)小波包頻帶內(nèi)的計(jì)算所得均方根值采用冪指數(shù)(y=axb+c)進(jìn)行擬合，并計(jì)算擬合曲線的確定系數(shù)(R2)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，判斷其擬合程度。確定系數(shù)本身是通過(guò)數(shù)據(jù)的變化來(lái)表征擬合程度的好壞，其正常取值范圍為[0,1]。當(dāng)數(shù)值越接近1時(shí)，其模型對(duì)數(shù)據(jù)的擬合程度越好。

圖5為不同小波包頻帶內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)均方根值與內(nèi)漏流量對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中S為原始信號(hào)，不同小波頻帶擬合曲線R方如下：R=0.932，R0=0.917，R1=0.971，R2=0.985，R3=0.956，R4=0.969，R5=0.989，R6=0.993，R7=0.994。從中可以看出：未采用小波分解前的原始信號(hào)S的擬合曲線R=0.932，擬合程度較低，在內(nèi)流流量小于5L/min時(shí)擬合曲線出現(xiàn)負(fù)值，與真實(shí)結(jié)果不符；而采用了小波分解后選取特定頻帶如S(3,7)，擬合R2可達(dá)到0.994。因此，采用小波分解方法可以提高內(nèi)漏流量曲線擬合程度，提高了內(nèi)漏流量量化檢測(cè)準(zhǔn)確度。但是由于S(3,7)頻帶內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)均方根值幅值變化范圍較小，變化規(guī)律不明顯，因此筆者采用R2為0.993的S(3,6)小波包頻帶信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)后求取信息熵、均方根和頻域峰值，并采用冪指數(shù)(y=axb+c)進(jìn)行擬合，尋求對(duì)應(yīng)關(guān)系。設(shè)定球閥壓差分別為2，4，5MPa，每種工況下通過(guò)調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉程度進(jìn)行不同內(nèi)漏流量聲發(fā)射檢測(cè)。其中：DN150球閥在S(3,6)頻帶內(nèi)的特征參數(shù)變化規(guī)律見(jiàn)圖6；DN200球閥特征參數(shù)變化規(guī)律見(jiàn)圖7；DN250球閥特征參數(shù)變化規(guī)律見(jiàn)圖8。

圖5 不同小波包頻帶內(nèi)漏均方根值Fig.5 RMS values of different wavelet packet frequency bands

圖6 DN150球閥聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)與內(nèi)漏流量對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.6 Acoustic emission signal characteristics-leakage flow curve for ND150 ball valve

圖7 DN200球閥聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)與內(nèi)漏流量對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.7 Acoustic emission signal characteristics-leakage flow curve for ND200 ball valve

圖8 DN250球閥聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)與內(nèi)漏流量對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.8 Acoustic emission signal characteristics-leakage flow curve for ND250 ball valve

從圖6(a)～圖8(a)中可以看出，信息熵可以反映球閥內(nèi)漏噴流噪聲波動(dòng)性的穩(wěn)定程度，在同一壓差下，隨著氣體內(nèi)漏流量的增加，內(nèi)漏的氣體噪聲波動(dòng)性越為劇烈，其表現(xiàn)出信息熵值越高。圖6(b)～圖8(b)為聲發(fā)射信號(hào)均方根值，表現(xiàn)為同一壓差下，內(nèi)漏流量增加時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)均方根值也隨之增加。圖6(c)～圖8(c)是在頻域范圍內(nèi)分析內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)與內(nèi)漏流量對(duì)應(yīng)關(guān)系，表現(xiàn)為流量增加時(shí)，頻域信號(hào)峰值隨之增加，與圖4中隨流量增加聲發(fā)射信號(hào)頻域峰值變化規(guī)律相一致。

對(duì)比內(nèi)漏流量相同而壓差不同的工況，試驗(yàn)設(shè)定原理為：對(duì)高壓差(如4MPa)的閥門給定較小的內(nèi)漏孔尺寸，而較低壓差(如2MPa)的閥門給定較大的內(nèi)漏孔尺寸，通過(guò)調(diào)整合適的內(nèi)漏孔尺寸，實(shí)現(xiàn)兩種不同壓差的閥門達(dá)到同一內(nèi)漏流量。通過(guò)檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)可以看出，高壓差下的內(nèi)漏聲發(fā)射信號(hào)幅值會(huì)高于低壓差下信號(hào)幅值，這是由于閥門上游氣體靜止，動(dòng)能為零。對(duì)于相同質(zhì)量的氣體，當(dāng)壓強(qiáng)越高時(shí)產(chǎn)生的氣體壓能就越大，此時(shí)相同質(zhì)量流量氣體內(nèi)漏到下游管道時(shí)，壓能越高的氣體發(fā)聲做功越多，從而檢測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)幅值越高。

圖9為2MPa壓差下，DN150，DN200，DN250這3種尺寸球閥聲發(fā)射特征參數(shù)均方根與內(nèi)漏流量關(guān)系曲線。從圖中可以看出，相同流量下DN150球閥測(cè)得特征參數(shù)高于DN200球閥和DN250球閥。分析其本質(zhì)為：若閥門尺寸增加，閥門泄漏孔處產(chǎn)生的噴流噪聲隨著下游混合區(qū)空間的增大，內(nèi)漏噴流噪聲通過(guò)管壁傳播能量減小，因此當(dāng)球閥尺寸增加時(shí)其表現(xiàn)出的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度隨之減弱。

圖9 2MPa壓差下不同尺寸球閥聲發(fā)射均方根變化關(guān)系Fig.9 Ball valve acoustic emission signal RMS for different sizes under 2MPa

為了對(duì)比3種不同特征參數(shù)與內(nèi)漏流量擬合關(guān)系，筆者計(jì)算所得3種聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)擬合模型確定系數(shù)(R2)如表3所示。其中：采用均方根值的特征參數(shù)擬合模型確定系數(shù)的平均值最高(均為0.979)，其擬合程度最好；其次是信息熵；最后為頻率峰值。

表3 不同參數(shù)擬合曲線確定系數(shù)

通過(guò)高壓大口徑球閥檢測(cè)試驗(yàn)可以得出，球閥內(nèi)漏過(guò)程產(chǎn)生的噴流噪聲頻率分布為一寬頻率，且隨著內(nèi)漏流量的增加，信號(hào)不僅在低頻范圍內(nèi)有所增加，而且在高頻部分內(nèi)同樣有所增加。聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)與內(nèi)漏流量、壓差及閥門尺寸存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。信息熵、均方根、頻率峰值能夠分別從不同角度反映了閥門泄漏特征，可為后期閥門內(nèi)漏量化檢測(cè)提供檢測(cè)評(píng)價(jià)參數(shù)，其中均方根值最能反映內(nèi)漏流量變化。

4 結(jié) 論

1) 本研究針對(duì)天然氣輸送行業(yè)中的大口徑球閥進(jìn)行內(nèi)漏噪聲源特征分析，總結(jié)了輸氣管道閥門內(nèi)漏噪聲主要來(lái)源。試驗(yàn)結(jié)果表明，球閥在高壓條件下的內(nèi)漏過(guò)程所產(chǎn)生的噴流噪聲的頻率分布為一寬頻范圍，當(dāng)閥門發(fā)生小泄漏時(shí)會(huì)產(chǎn)生30kHz以下的低頻噴流噪聲信號(hào)，當(dāng)內(nèi)漏流量繼續(xù)增大到40L/min時(shí)，不僅產(chǎn)生的30kHz以下噴流噪聲強(qiáng)度開(kāi)始急劇加強(qiáng)，同時(shí)在30kHz～70kHz的高頻部分也會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的噴流噪聲。

2) 聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)與內(nèi)漏流量、壓差及閥門尺寸呈現(xiàn)出一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)計(jì)算對(duì)比擬合曲線計(jì)算擬合程度確定系數(shù)(R2)表明，均方根值為最佳球閥內(nèi)漏流量表征參數(shù)(確定系數(shù)的平均值最高為0.979)。采用以上特征參數(shù)分別從不同角度反映了球閥內(nèi)漏聲學(xué)特征，可為后期采用多參數(shù)融合技術(shù)對(duì)球閥內(nèi)漏流量進(jìn)行量化檢測(cè)確定了可行性。

3) 本試驗(yàn)采用閥門尺寸較大，且上游穩(wěn)壓管道較長(zhǎng)，試驗(yàn)過(guò)程繁雜，聲發(fā)射信號(hào)與內(nèi)漏關(guān)系擬合采用的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)較少，若要獲得更為準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在后期的試驗(yàn)中可繼續(xù)補(bǔ)充數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。另外，本研究只采用天然氣為介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，后期可繼續(xù)采試氮?dú)鉃榻橘|(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比兩種介質(zhì)測(cè)試結(jié)果的差異性。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.03.017

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51106180);中國(guó)石油天然氣股份科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012E-2802)

2015-10-08；

2016-04-18

TH48

李振林，男， 1967年9月生，博士、教授。主要研究方向?yàn)槭汀⑻烊粴庥?jì)量技術(shù)及輸氣管道設(shè)備故障診斷技術(shù)。曾發(fā)表《基于聲發(fā)射理論的閥門氣體內(nèi)漏量化檢測(cè)研究》(《振動(dòng)與沖擊》2013年第15卷)等論文 E-mail：zhenlinli@263.net 通信作者簡(jiǎn)介： 張海峰,男,1986年2月生,工程師。主要研究方向?yàn)檩敋夤艿篱y門內(nèi)漏檢測(cè)技術(shù)。 E-mail:haifengzhang1986@163.com