王 瓊

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

現(xiàn)代聲發(fā)射技術(shù)(Acoustic Emission)開始于20世紀(jì)50年代初Kaiser所做的研究。20世紀(jì)80年代中期，美國PAC公司研制的新型聲發(fā)射儀器的引入，保證了國內(nèi)聲發(fā)射技術(shù)研究的硬件需求，國內(nèi)進(jìn)入聲發(fā)射技術(shù)研究熱潮。20世紀(jì)90年代至今，國內(nèi)聲發(fā)射儀器研制水平以及技術(shù)應(yīng)用水平不斷提高，并呈快速發(fā)展趨勢[1－4]。

在石油化工行業(yè)中，為優(yōu)化維修計劃、減少支出，需要對石油化工行業(yè)生產(chǎn)中閥門氣體泄漏情況有更深入的研究。聲發(fā)射技術(shù)可以簡單有效地測量泄漏流量。聲發(fā)射檢測系統(tǒng)通過采集氣體湍流產(chǎn)生的表面聲波轉(zhuǎn)換形成的聲發(fā)射信號，對閥門泄漏流量進(jìn)行檢測。

1 閥門氣體內(nèi)漏過程聲源特性分析

閥門氣體內(nèi)漏過程產(chǎn)生的聲源是由高速噴流產(chǎn)生的噴流噪聲。同時，由于受內(nèi)部復(fù)雜固體流道邊界的影響，將伴隨有強渦流噪聲。此外，由于內(nèi)漏流道截面的變化，當(dāng)截流口的上下游壓力之比大于臨界值(n≥1.893)時，出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，產(chǎn)生阻塞噴注噪聲。這些噪聲源共同作用，相互影響，使得閥門氣體內(nèi)漏聲源特性分析十分困難。下面對這三種聲源的特性進(jìn)行分析，并結(jié)合閥門氣體內(nèi)漏噴流過程，分析實際內(nèi)漏過程的聲源形式。

氣流從管口以高速(介于聲速與亞聲速之間)噴射出來，由此而產(chǎn)生的噪聲稱為噴流噪聲(亦稱噴注噪聲，或射流噪聲)。閥門氣體內(nèi)漏噴流過程雖然復(fù)雜，但噴流噪聲的產(chǎn)生機理和聲源特性仍可用軸對稱自由噴流進(jìn)行分析[5]。

噴口直徑為D的軸對稱自由噴注結(jié)構(gòu)如圖1所示。流體噴入靜止空氣時，充分發(fā)展的噴注分三個部分:混合區(qū)，過渡區(qū)和充分發(fā)展區(qū)。混合區(qū)中只是部分的湍動，核心中的速度是常數(shù)，等于出口速度，核心長度大約是4.5D。噴注面積越來越大，它的邊緣不容易確定，半發(fā)散角大約是8°(邊緣與軸大約成8°角)?；旌蠀^(qū)后面是過渡區(qū)。過渡區(qū)中處充滿湍流，但平均速度隨x增加而漸減，過渡區(qū)大致延伸到10D。以后就是噴注的充分發(fā)展區(qū)。

沿軸方向，噴注速度在混合區(qū)內(nèi)不變，在過渡區(qū)內(nèi)迅速降低，在充分發(fā)展區(qū)內(nèi)側(cè)與到噴口的距離(x)成反比。徑向速度的變化和軸向距離有關(guān)。在混合區(qū)內(nèi)，徑向速度基本不變，直到噴注邊緣附近才很陡地下降。在下游，速度曲線變寬，梯度也小得多。到充分發(fā)展區(qū)，速度變化曲線幾乎不變。

湍流強度(用軸向速度起伏與噴口速度之比表示)的大小和速度梯度有關(guān)。在各個x截面上，y/D=0.5附近，湍流最強。在充分發(fā)展區(qū)，速度梯度最小，湍流強度也小了。通過噪聲測量證明，噴注噪聲大部分是由混合區(qū)和過渡區(qū)內(nèi)的湍流產(chǎn)生的[6－7]。

在平行于噴注邊界的15°線上測量近場聲壓，得到的結(jié)果是:在噴口附近，聲壓較低，在三、四倍噴口直徑的距離內(nèi)迅速增加到極大值，以后又慢慢降低。這個結(jié)果和湍流測量曲線，特別是在y/D=0.5線上的測量曲線相似。這些關(guān)系說明，噪聲的產(chǎn)生和軸向速度的起伏有一定關(guān)系，也即和湍流強度有關(guān)系。在噴流噪聲中，高頻率聲主要是在噴口附近產(chǎn)生的，隨x的增加，噪聲頻率越低;低頻率噪聲主要是在下游產(chǎn)生的，頻譜峰在核心的尖端附近。資料和實驗表明，泄漏噴流噪聲具有寬頻帶聲的特性。

圖1 軸對稱噴流分析模型

2 系統(tǒng)研究

課題組正在研發(fā)閥門內(nèi)漏無線監(jiān)測設(shè)備及便攜式閥門內(nèi)漏檢測儀。由采集終端設(shè)備與診斷算法集成的遠(yuǎn)程智能監(jiān)測系統(tǒng)將于今年問世，用于工業(yè)閥門在線監(jiān)測應(yīng)用，遠(yuǎn)程智能監(jiān)測系統(tǒng)由聲學(xué)數(shù)據(jù)采集無線采集設(shè)備、內(nèi)漏特征數(shù)據(jù)庫、包含信號處理方法的在線診斷平臺三部分組成。具有無線數(shù)據(jù)交互功能的閥門內(nèi)漏信號采集終端完成現(xiàn)場閥門聲學(xué)信號采集，內(nèi)漏特征數(shù)據(jù)庫內(nèi)置實驗所得不同工況條件下的內(nèi)漏特征，組建聲發(fā)射在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，通過在線自學(xué)習(xí)診斷方法提供基于云計算的閥門內(nèi)漏監(jiān)測平臺，判定閥門內(nèi)漏狀態(tài)及內(nèi)漏程度。

2.1 無線采集設(shè)備研發(fā)

研發(fā)的聲發(fā)射采集設(shè)備主要有無線傳輸、采集存儲、數(shù)據(jù)交互等功能，可以通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸聲發(fā)射波形及參數(shù)，采用防爆設(shè)計滿足現(xiàn)場采集要求。為了覆蓋閥門內(nèi)漏產(chǎn)生的信號頻段，硬件可滿足采集20 kHz到300 kHz區(qū)間的信號，采樣率大于2Msps。傳感器安裝在閥體后即可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，不影響裝置正常運行，不損害閥門，操作簡便。

無線采集設(shè)備的研發(fā)，可以對閥門內(nèi)漏進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，網(wǎng)絡(luò)傳輸，減少檢測人員的現(xiàn)場操作，實時監(jiān)控閥門安全運行狀態(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)庫建立

課題組在安工院即墨實驗基地建立模擬石化裝置常見閥門內(nèi)漏工況，進(jìn)行聲發(fā)射檢測模擬采集，包含閘閥、截止閥、球閥等常見閥門，數(shù)據(jù)庫包含模擬實驗參數(shù)見表1。建立數(shù)據(jù)庫，形成閥門內(nèi)漏診斷數(shù)據(jù)庫。

2.3 在線診斷系統(tǒng)

石化現(xiàn)場及實驗裝置環(huán)境噪聲復(fù)雜，需要對采集的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行濾躁處理，再通過公式模型關(guān)系建立內(nèi)漏診斷算法公式，形成閥門內(nèi)漏率診斷系統(tǒng)。

2.3.1 信號處理研究

閥門內(nèi)漏過程中產(chǎn)生聲源構(gòu)成復(fù)雜，又極易受到環(huán)境噪聲、閥門結(jié)構(gòu)、泄漏流量、泄漏壓力、閥體厚度等多種因素的影響，因此，必須對聲發(fā)射檢測系統(tǒng)所采集到的信號進(jìn)行噪聲濾出，以獲得能較準(zhǔn)確表征閥門內(nèi)漏過程和內(nèi)漏特征的聲信號，并在此基礎(chǔ)上選取或構(gòu)造適宜于閥門內(nèi)漏評價的聲學(xué)參量，以實現(xiàn)對不同類型閥門內(nèi)漏過程的準(zhǔn)確評價。課題組采用傅里葉帶通濾波方法，對實驗室環(huán)境下獲得的閥門內(nèi)漏聲發(fā)射檢測實驗數(shù)據(jù)，提取波形文件后進(jìn)行傅里葉變換，得到閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號頻譜并確定峰值頻率，進(jìn)而確定不同尺寸、不同類型閥門內(nèi)漏聲發(fā)射信號頻帶分布。再使用小波包分析方法對波形進(jìn)行重構(gòu)，提取了有效內(nèi)漏信號，并將方法寫入系統(tǒng)中，實現(xiàn)自動濾躁功能。

表1 數(shù)據(jù)庫模擬實驗閥門參數(shù)

2.3.2 診斷平臺

系統(tǒng)內(nèi)包含的診斷平臺，包含數(shù)采維護(hù)、算法管理、數(shù)據(jù)管理、智能診斷、閥門臺賬和系統(tǒng)設(shè)置等功能，通過建立閥門工況信息，采集聲發(fā)射信號，可以實現(xiàn)閥門內(nèi)漏在線診斷。

遠(yuǎn)程智能監(jiān)測系統(tǒng)可全天候監(jiān)測石化裝置閥門泄漏，通過無線傳輸監(jiān)測閥門內(nèi)漏，實現(xiàn)分級診斷，可以通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、報警，保障現(xiàn)場閥門運行安全。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)美國無損檢測學(xué)會研究的結(jié)果，煉化企業(yè)閥門的5% ～10%存在不同程度的內(nèi)漏，火炬系統(tǒng)閥門內(nèi)漏比例更是高達(dá)20%左右。因此，課題組在試點應(yīng)用過程重點選擇與火炬系統(tǒng)密切相關(guān)的閥門，如各單元安全閥組中的旁路閥，或者企業(yè)認(rèn)為內(nèi)漏可能性較大的閥門。課題組分別在中石化的多個石化公司進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用(圖2)。項目組共對一百余個閥門進(jìn)行了聲發(fā)射信號采集和內(nèi)漏診斷。發(fā)現(xiàn)部分存在內(nèi)漏的閥門，在企業(yè)進(jìn)行大檢修拆檢閥門時，對照課題組的檢測結(jié)果，均準(zhǔn)確可靠。

圖2 現(xiàn)場檢測

本課題研發(fā)的閥門內(nèi)漏診斷系統(tǒng)后臺存在大量實驗數(shù)據(jù)庫支撐的內(nèi)漏診斷公式，可以通過采集信號估算閥門內(nèi)漏率。

以對某石化廠某裝置的檢修結(jié)果為例，對該裝置的8個內(nèi)漏閥門分別進(jìn)行了診斷分析，診斷結(jié)果如表2所示。內(nèi)漏率在2.7 L/min～36.5 L/min，判定泄漏診斷等級。在大檢修拆檢閥門后驗證，符合檢測結(jié)果。

表2 某石化廠內(nèi)漏診斷結(jié)果 dB

4 結(jié)論

我國閥門內(nèi)漏聲發(fā)射檢測技術(shù)研究大多數(shù)主要局限于理論研究，缺乏數(shù)據(jù)依據(jù)，在工程上沒有得到廣泛應(yīng)用。課題組開發(fā)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)測系統(tǒng)包含實驗室及現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)庫，研究多種信號處理方法，可對現(xiàn)場含噪聲信號進(jìn)行有效處理，有效準(zhǔn)確地診斷閥門狀態(tài)，滿足現(xiàn)場對閥門內(nèi)漏監(jiān)檢測的需求，可實現(xiàn)不停產(chǎn)的情況下，對閥門進(jìn)行在線診斷，監(jiān)測閥門內(nèi)漏狀態(tài)，診斷內(nèi)漏等級，為裝置安全生產(chǎn)運行提供有效保障。