李海云，朱漢華，吳 潔，尹志生

（武漢理工大學(xué) 船海與能源動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063）

閥門在管路系統(tǒng)和許多工業(yè)裝置中是不可缺少的流體控制部件之一，它起著控制介質(zhì)輸送、調(diào)節(jié)壓力與流量等工藝參數(shù)及應(yīng)急保護系統(tǒng)故障等作用。然而，由于工作環(huán)境、操作方式、閥門自身結(jié)構(gòu)特點等因素的影響，閥門泄漏尤其是閥門內(nèi)漏已經(jīng)成為閥門故障中普遍存在的現(xiàn)象。由于閥門內(nèi)漏在其故障前期不易被檢測，因此給管路系統(tǒng)和工業(yè)裝置的故障診斷和安全預(yù)警帶來障礙。研究閥門內(nèi)漏的特性和精確、便捷的閥門內(nèi)漏檢測方法成為急需解決的工程問題。

已有的閥門內(nèi)漏檢測方法有加壓檢測法、真空檢測法和氣泡法，由于其效率低、不能實現(xiàn)在線檢測等缺點，已不能滿足閥門內(nèi)漏檢測的客觀需求。經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者對閥門泄漏檢測的多年研究，目前可用的方法得到充分發(fā)展，比如壓降法、振動法、熱紅外法、超聲檢測法、聲發(fā)射檢測法等在線檢測技術(shù)。其中，聲發(fā)射檢測法因具有適用范圍廣、對線性缺陷敏感、適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點，已得到長足的發(fā)展。但聲發(fā)射檢測法仍存在局限性，如：未知因素過多、存在干擾信號、信號采樣頻率過高、對硬件設(shè)備要求高等[1]。

基于上述分析，本文在聲發(fā)射檢測法的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的聲發(fā)射檢測方法采集的信號有效頻率低，受環(huán)境噪聲和干擾的影響較小，信號采樣和處理速度大大提高。對采集的信號進(jìn)行時頻域特征分析與特征值提取，利用小波包分解對信號的能量分率進(jìn)行研究，探究其與閥門完全密封、閥門內(nèi)漏等工況的關(guān)系。

1 閥門內(nèi)漏聲波檢測方法

閥門泄漏可分為閥門外漏與閥門內(nèi)漏，產(chǎn)生閥門內(nèi)漏的原因較多，主要包括：閥門在生產(chǎn)時工藝缺陷，由此導(dǎo)致夾渣、砂眼等鑄造缺陷；現(xiàn)場施工、安裝質(zhì)量差，存在重視法蘭密封而輕視內(nèi)部密封的情況；介質(zhì)在運輸中含有雜質(zhì)，導(dǎo)致閥門閥桿卡死，閥桿阻塞，不能完全關(guān)閉；閥門在使用過程中操作不規(guī)范，如：不按規(guī)定打開和關(guān)閉，容易造成閥桿變形及密封面損壞，導(dǎo)致閥門不能完全關(guān)閉；閥門密封面在開關(guān)過程中可能發(fā)生機械損失，使密封表面磨損或者產(chǎn)生壓痕；閥門工作環(huán)境惡劣，長期處于溫度變化劇烈、壓力較大的環(huán)境中，對閥門密封件的影響很大，容易導(dǎo)致閥門加速老化和泄漏[2-5]。

本文選用聲發(fā)射（AE）方法檢測閥門內(nèi)漏，聲發(fā)射是指材料或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形或斷裂時，以彈性波的形式迅速釋放能量的現(xiàn)象[6-7]，當(dāng)閥門出現(xiàn)裂縫或漏孔時，閥門上下游存在的壓力差使得介質(zhì)從泄漏處高速噴射而出，由于沒有邊壁的限制，噴射出的介質(zhì)會在泄漏處擴散流動繼而形成湍性射流，引起閥門下游壓力波動，形成聲波，同時由于閥門上游介質(zhì)異常流失，同樣會造成上游壓力波動形成聲波。因此，通過傳感器將閥門內(nèi)漏產(chǎn)生的聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號并進(jìn)行特征分析，可以實現(xiàn)閥門內(nèi)漏的監(jiān)測。閥門內(nèi)漏檢測試驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。如果閥門發(fā)生內(nèi)漏，介質(zhì)流入下游產(chǎn)生聲波，下游的傳感器能檢測到明顯的異常信號，對信號進(jìn)行特征提取與小波包能量分率的研究可以有效區(qū)分閥門內(nèi)漏與閥門完全密封、閥門正常開啟、閥門正常關(guān)閉、外部敲擊管道等工況。

圖1 閥門內(nèi)漏檢測試驗系統(tǒng)示意圖

2 閥門內(nèi)漏試驗檢測方案

液體介質(zhì)閥門內(nèi)漏模擬裝置包括水箱、離心泵組、管道、壓力表、流量計、閥門等。該裝置可通過調(diào)節(jié)8 個離心泵組成的4 個泵組，進(jìn)而提供0.2～1.2 MPa 的管道進(jìn)口壓力。被測閥門的尺寸為DN40，可手動調(diào)節(jié)閥門開度并有具體數(shù)值顯示。內(nèi)漏信號檢測系統(tǒng)包括三相振動加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡NI9234 和計算機等，試驗所用的三相振動加速度傳感器在X、Y、Z3個方向的頻率響應(yīng)范圍為0.3～10.0 kHz，靈敏度為1 mv/ms-2，傳感器可黏在底座或用砂紙打磨后的管道上。數(shù)據(jù)采集卡NI9234 為4 通道動態(tài)信號采集模塊，動態(tài)范圍為102 dB，廣泛應(yīng)用于加速度傳感器和聲信號傳感器。試驗時，通過離心泵組將閥門進(jìn)口壓力增加至0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa、1.0 MPa、1.1 MPa、1.2 MPa，壓力穩(wěn)定后，分別采集閥門開度為5%、7.5%、10%、12.5%、15%、17.5%、20%的內(nèi)漏信號，并對流量進(jìn)行監(jiān)測[8]。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 內(nèi)漏信號時頻域特征分析

通過提取3 個傳感器所采集的信號特征值，決定采用1#傳感器的數(shù)據(jù)。閥門完全密封及內(nèi)漏工況的時域圖如圖2所示。圖2（a）為閥門完全密封工況，圖2（b）為內(nèi)漏工況（進(jìn)口壓力0.4 MPa、閥門開度為15%）。

圖2 閥門完全密封及內(nèi)漏工況的時域圖

由圖2 可知，在閥門正常及內(nèi)漏工況下，其聲波信號為隨機分布狀態(tài)，閥門內(nèi)漏時，其信號幅值明顯增大。閥門完全密封及內(nèi)漏工況的頻域圖如圖3 所示。由圖3 可知，閥門未發(fā)生內(nèi)漏時，其信號大多集中在低頻段，且頻譜能量大部分較低，個別頻率幅值突出，而閥門發(fā)生內(nèi)漏時，信號集中在中高頻段，頻譜能量高于正常工況，在正常工況下幅值突出的個別頻率在內(nèi)漏工況下依然存在，大部分幅值在0.5（m·s-2）2/Hz 以下。因此，根據(jù)信號的時域圖和頻域圖可以判斷閥門處于正常狀態(tài)或內(nèi)漏狀態(tài)。

圖3 閥門完全密封及內(nèi)漏工況的頻域圖

為排除閥門在工作時的各種干擾對信號的影響，試驗采集了閥門正常開啟、正常關(guān)閉和外部敲擊管道3 種工況，并對其信號進(jìn)行時頻域分析。干擾信號的時域圖如圖4所示，干擾信號的頻域圖如圖5所示。

圖4 干擾信號的時域圖

圖5 干擾信號的頻域圖

對比圖2 與圖4，閥門在正常開啟時，信號幅值在某一時間點發(fā)生突變，隨著開啟角度的增大，幅值隨之先增大后減小，最后信號趨于平穩(wěn)，呈現(xiàn)為隨機分布狀態(tài)，且此時幅值大于初始時的幅值；閥門正常關(guān)閉的信號波形在初始時為隨機信號，由于閥門關(guān)閉，信號幅值先增大后減小，且在某一時間點突變，最后亦發(fā)展為隨機信號，且此時幅值小于初始時的幅值；管道受到外部敲擊時，信號幅值發(fā)生突變，其余時間均呈現(xiàn)隨機分布狀態(tài)。對比圖3 與圖5，閥門正常開啟與正常關(guān)閉的頻域波形與泄漏的頻域波形較為類似，但在分布上，閥門正常開啟與關(guān)閉的頻率集中在2 000～8 000 Hz，在其余頻率分布較少，且閥門開啟的幅值大于關(guān)閉時的幅值，而閥門內(nèi)漏的信號在2 000～12 000 Hz 上分布較為均勻；管道在受到敲擊時，信號幅值更為突出且大多集中在低頻段。因此，通過時頻域圖像的特征差別可以判斷閥門內(nèi)漏、完全密封、正常啟停泵和外部敲擊等工況。

3.2 閥門內(nèi)漏信號特征值提取

通過對采集的內(nèi)漏信號進(jìn)行特征值提取，可以提取信號的有效信息，便于閥門是否發(fā)生泄漏及泄漏量的判斷。以試驗的進(jìn)口壓力為0.4 MPa、閥門開度為15%的數(shù)據(jù)為參考，對其特征參數(shù)與進(jìn)口壓力、泄漏速率的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行探究。部分特征參數(shù)與閥門進(jìn)口壓力、泄漏速率的定量關(guān)系如圖6所示。

圖6 部分特征參數(shù)與閥門進(jìn)口壓力、泄漏速率的定量關(guān)系

由圖6 可知，由于閥門進(jìn)口壓力與泄漏速率的增大，聲源活性增強，因此信號的各個特征參數(shù)也隨之增大。振動加速度aRMS值的增加與泄漏速率的增加為近似線性關(guān)系。

信號的幅值與泄漏速率、進(jìn)口壓力正相關(guān)，且在壓力、泄漏速率較低時增加速度較快，在其較高時增速緩慢；信號的能量值增加幅度大，數(shù)量級由105增至108，增速則與幅值相反。

3.3 閥門內(nèi)漏信號的能量分布

為進(jìn)一步確定閥門內(nèi)漏信號的頻率范圍和實現(xiàn)信號的有效識別，將內(nèi)漏信號進(jìn)行小波包能譜分析。由于小波分解在時域和頻域同時具有良好的局部化性質(zhì)，是目前聲發(fā)射信號處理中應(yīng)用最廣泛的方法之一[9]。將信號進(jìn)行3 層小波包分解，得到[3，0]、[3，1]、[3，2]、[3，3]、…、[3，7]共8 個小波包，每個小波包的頻帶為1 600 Hz，頻率范圍為0～12 800 Hz。閥門內(nèi)漏信號各頻段能量占比與閥門進(jìn)口壓力、泄漏速率的關(guān)系如圖7 所示；進(jìn)口壓力為0.4 MPa、閥門開度為15%時，其余工況的各頻段能量分布如圖8所示。

圖7 閥門內(nèi)漏信號各頻段能量占比與閥門進(jìn)口壓力、泄漏速率的關(guān)系

圖8 進(jìn)口壓力為0.4 MPa、閥門開度為15%時，其余工況的各頻段能量分布

閥門在開度為15%時，內(nèi)漏信號能量集中在2#～5#子帶，對應(yīng)的信號頻率為3 200～8 000 Hz，閥門進(jìn)口壓力由0.2 MPa 增至1.2 MPa 時，其能量占比由63.52%增至95.04%，高頻段（8 000～12 800 Hz）在壓力較低時有一定的能量占比，但壓力增大后所占比重則迅速下降；閥門進(jìn)口壓力一定時，不同閥門開度的能量信號各子帶的能量占比與固定閥門開度時的規(guī)律大致一致，大部分仍集中在2#～5#子帶，且以3#子帶所占能量最多。

對比圖7 與圖8，可以看出閥門正常啟閉時的各頻段能量占比與閥門發(fā)生內(nèi)漏時的特征較為類似，均在3#子帶占比最多，且大部分集中在2#～5#子帶，因此均可將其歸類為閥門關(guān)閉不嚴(yán)時的信號，根據(jù)其時頻域特征可對閥門狀態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步區(qū)分；閥門完全密封與外部敲擊管道的能量分率與閥門關(guān)閉不嚴(yán)信號的能量分率完全不同，完全密封與外部敲擊管道均有約90%的能量位于1#子帶（0～1 600 Hz），其余子帶所占能量極少，也可根據(jù)信號的時頻域特征對這2種工況加以區(qū)分。

4 結(jié)束語

本文通過液體介質(zhì)閥門內(nèi)漏的模擬試驗，采集了不同工況下的信號，通過分析閥門在不同進(jìn)口壓力、不同開度及其他工況下信號的特性，得到以下結(jié)論。

1）利用三相振動加速度傳感器對閥門內(nèi)漏信號進(jìn)行監(jiān)測，內(nèi)漏信號頻率范圍較寬且為連續(xù)型波形。內(nèi)漏信號的特征參數(shù)與閥門進(jìn)口壓力、泄漏速率為正相關(guān)關(guān)系，且aRMS值與泄漏速率近似線性相關(guān)。

2）進(jìn)行工況信號的時頻域和小波包能量等分析，能夠有效區(qū)分閥門完全密封、發(fā)生內(nèi)漏、受到外界干擾等工況。閥門發(fā)生內(nèi)漏時信號幅值較大，頻率范圍較寬，且信號的能量主要集中在2#～5#子帶（3 200～8 000 Hz），該區(qū)間單個子帶最高能量占比可達(dá)48.299 9%，該區(qū)間能量占比之和最高可達(dá)95.04%。該結(jié)論可為后續(xù)的閥門內(nèi)漏診斷建模提供依據(jù)。