船用管道及阀门状态的声发射监测

张彦敏，骆立强

(1.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064;2.中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

船用管道及阀门状态的声发射监测

张彦敏1，骆立强2

(1.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064;2.中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

基于舰船内部管道、阀门由于泄漏或者打开关闭时由各种原因所产生的声发射(AE)信号的特征分析，论述了针对管道、阀门状态声发射监测方法及试验研究。介绍了一种安装在船用管道或阀门上的声发射监测技术和设备，它可以实现对关键管道、阀门工作和运行状态，特别是针对一些高温、辐射、偏远部位的管道、阀门的远程、实时、无损监测。

船用管道、阀门;声发射;试验研究;状态监测

0 引言

大型船舶及舰艇上的管道纵横交错，绵延数千米，阀门有成百上千个，只有少数管道、阀门(如核级、蒸汽等)位于最危险、最不易接近的位置。而这些管道及阀门的状态都是动力系统安全运行的基础。

当前，舰艇对内部系统的安全性、可靠性、智能化有了更高的要求，管道泄漏、阀门的状态检测更加受到关注。本文基于管道、阀门泄漏或阀门启闭时由各种原因所引发的声发射信号，论述了针对管道、阀门状态的声发射检测方法及试验研究。

1 管道、阀门状态的声发射监测原理

1.1 声发射技术的定义

材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射(AE)［1］。借助灵敏的传感器检测，并用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术。

管道、阀门泄漏所产生的声发射信号是广义声发射信号，管壁或阀门本身不释放能量，而只是作为一种传播介质，利用声发射探头拾取沿管壁传播并携带泄漏源信息的应力波，对此分析处理，获得管道、阀门的泄漏信息，实现声发射监测的目的。

1.2 管道、阀门状态的监测原理

管道、阀门泄漏声发射信号主要来自3种声源:①气或水经缝隙喷射而出，高压射流与泄漏孔壁作用，泄漏点产生声发射信号;② 气或水高速流出内露孔，冲击阀门后方管道壁产生声发射信号;③ 气或水从阀门上游到下游是层流到湍流的过程，阀门下游产生白噪声。泄漏产生的声发射信号为连续型信号，所激发应力波频率范围非常宽，既有声频，又有超声频［2］，且泄漏信号频带随介质、压力、阀门类型、孔洞尺寸形状及泄漏量而变化。将传感器置于阀门、泄漏孔上下游或阀体上，便可检测出管道、阀门泄漏与否及泄漏程度或者阀门的状态。

1.3 声发射状态监测技术的优点

1)声发射是一种动态无损检验方法，声发射探测到的能量来自被测阀门自身的主动发射;

2)探测和评价管道、阀门的活性缺陷状态，对几何形状不敏感，不影响管道、阀门完整性;

3)提供管道、阀门随载荷、时间等变化的连续信息，适用于在线监控及早期、临近破坏预报;

4)对管道、阀门的接近要求不高，适用于难于或不能接近状况下的检测，如高温、辐射等环境;

5)在役检验，工作无中断，检测快捷、经济。

2 船用管道、阀门的声发射监测试验

2.1 管道、阀门声发射监测试验系统搭建

管道、阀门的声发射状态监测试验系统包括:①受监测试验装置及附件;② 监测设备(传感器及波导杆、声发射监测仪等);③试验辅助装置(饱和蒸汽、排气系统等)。试验装置包括手动阀门、泄漏阀门、管道等;管道介质有水、蒸汽;管道尺寸为 φ32 mm×2.5 mm;泄漏孔径为1 mm。

2.2 声发射试验监测设备及选型

1)波导杆与管道材料相同。在不致信号严重衰减情况下，加长波导杆使末端温度降至要求范围内。

2)声发射监测仪，采用美国物理声学公司SAMOS PCI－8系统与管道泄漏检测专家系统VPAC。分别采用62 kHz与150 kHz(数据未论述)高灵敏度探头进行对比检测分析，前置放大器增益设置为40 dB。

3 管道、阀门状态的声发射监测方法

3.1 试验准备

首先了解被检测构件、信号的特征。泄漏信号是连续型声发射信号，中心频率约为40 kHz;然后进行耦合性断铅试验。验证传感器与波导杆、波导杆与管道、阀体及法兰焊接、耦合良好性。

3.2 阀门泄漏的试验监测方法

阀门必须泄漏时才能检出声发射信号［4］。

1)无泄漏状态信号监测(背景噪声检测)

监测阀门2上下游传感器的声发射信号。将待检测阀门2关闭，而阀门2前端的所有的通路打开，此时待检阀门上游有压力，而下游无压力，声发射监测仪监测判定无泄漏所引起声发射信号。

2)管道、阀门模拟泄漏的声发射监测

模拟阀门泄漏，由于阀门前后压差产生声发射信号。通过阀门上下游传感器监测阀门泄漏情况。而将管道泄漏孔打开监测管道泄漏的声发射信。

图4 0.5 MPa阀门阀体声发射检测图(幅值/时间)Fig.4 AE detection sketch of valves underwater 0.5 MPa(Amplitude/time)

通过试验模拟泄漏声发射信号的幅值、能量、ASL及频谱随压力(0.1/0.5/1.0 MPa)的变化关系。

3)模拟阀门开启、关闭时的声发射监测

阀门在开启、关闭过程中，由于从高压向低压或者从对气、水流的阻滞向导通转换，对阀体、管壁产生流冲击、湍流、扰流，多方作用引起广义上的声发射信号。通过声发射监测判定阀门的状态。

4 阀门状态的声发射检测结果

4.1 背景及流体噪声检测

试验过程如图4(a)所示:① 阀门1打开/阀门2关闭，传感器1接收到信号幅值最高达到31 dB，且处于平稳阶段(无流体噪声);② 打开阀门2后，流体开始流动，产生高幅值(60～75 dB)、高能量信号(5000～20000);③随着时间延长，流体流动趋于平稳，信号幅值与能量保持在一定水平(幅值为58～65 dB，能量为8000～14000);④ 当关闭阀门2后，信号幅值与能量呈下降趋势并最终达到平稳状态。

图5为能量对时间的表征向量图，图6为ASL对时间的表征向量图，反映流体状态的变化状况。ASL为信号平均电平，用以表征采样时间内信号电平的均值，主要用于连续性声发射活动性评价。

4.2 泄漏状态下声发射检测

图1中，管道上钻有1 mm直径的小孔，进行泄漏模拟，小孔距离传感器1约100 mm。

试验过程如图4(b)和图6所示。打开阀门1，流体产生泄漏，此时的声发射信号处于泄漏突发阶段，信号不平稳，信号幅值较为分散，最高达到满幅值。随着时间的推移，泄漏状态平稳，信号幅值维持在70～80 dB之间。外加干扰信号后，信号幅值明显高于泄漏信号，泄漏信号处于淹没状态。去除干扰并打开阀门2，使得流体开始流动，此时信号趋于平稳。第2次外加信号同上分析。最后，当阀门1关闭后，由于流体压力的滞后效应，信号并没有立刻消失，而是逐渐减少，衰减过程持续5 s左右，最后趋于结束。图4(b)和图6(b)分别为管道泄漏信号幅值－时间参数图和ASL－时间间参数图，很好地反映了泄漏过程的各种干扰阶段:通过图4(b)、图6(b)可以明显看出当泄漏产生时有明显的声发射信号的跃变，泄漏信号的幅值原高于背景信号，泄漏信号相对于外界干扰(主要是机械干扰)来说其频率更高，能量更加集中(如图4(b)的杂散干扰)。

4.3 泄漏源的定位

一般连续型声发射信号的定位采用基于信号幅值衰减的定位方法和互相关定位方法。

1)基于信号幅值衰减的定位方法。该方法首先要知道信号在被检测构件中的衰减特性，其次所有传感器的灵敏度要调节到一致。

信号幅值衰减定位方法的一般步骤如下:首先通过传感器阵列找出输出最大的和第二大的传感器(如图1中的传感器1和传感器2)，这2个传感器距离泄漏源最近;其次观察2个传感器输出的不同处;再次画出2个传感器之间的信号衰减曲线;最后基于传感器输出的不同，根据信号衰减曲线定位泄漏源。

2)信号的互相关定位方法。互相关技术是一种更为先进的泄漏定位技术，它可以确定信号到达不同传感器的时间差。

4.4 采用VPAC对阀门泄漏的定性分析

阀门泄漏的声发射检测也可以采用阀门声发射监测的专家系统实现，在此试验中我们也同时使用了美国物理声学公司的VPAC进行了定性分析。

表1 VPACK检测阀门泄漏的定性分析Tab.1 Qualitative analysis when use VPACK for valve leak detection

当阀门有泄漏时，阀体声发射信号上游比下游高，可定性判断阀门是否有泄漏。在阀门关紧的情况下，两阀上游的幅值最高，阀本体和下游幅值基本相同，这说明阀本身没有泄漏。略微拧开阀门，幅值分布发生变化，阀本体幅值最高，而上游和下游基本相同，检测结果与实验条件相符。

4.5 关于阀门开度状态的监测

声发射传感器的时间常数(反应时间)的阶数为10－6s，远比其他的传感器要小得多，这样，利用声发射技术可以以极高的灵敏度跟踪、监测船用阀门的安全运行［6］。如图7所示，在阀门的打开、关闭的瞬间，声发射系统将可以瞬间监测到船用阀门声发射水平的声源级的阶越(非常陡)，可以实现对船用阀门工况状态的无延时、无故障的监测，即使是阀门的打开状态极短。利用此原理，可以将声发射技术应用到船用安全阀的状态及开度监测中。

图7 声发射与其他手段的阀门检测对比Fig.7 Contrast of AE and other instrument for valve

5 结语

本文通过理论研究和试验验证，论述了声发射检测技术在船用管道、阀门实时状态监控中应用的可行性和有效性。利用声发射技术较好地监测舰艇内部不易接近观察的管道、阀门在各种复杂情况下的信号变化特征，得到声发射信号在不同试验过程中的变化趋势。

声发射在船用领域的应用也需要大量的基础工作，如长时间连续的声发射检测从而获得管道、阀门不同工况下的声发射信号，主要是将舰艇相关部位的振动、传导等噪声源进行摸底，摸清不同泄漏状态下的舰艇管道、阀门的声发射信号特征从而经过长期积累建立舰艇管道及阀门的声发射监测专家系统，从而实施对异常状况进行确认。经过长时间理论与相关的舰艇应用的结合，声发射技术定将在船用管道、阀门的状态监测领域得到广泛应用，进一步保障舰艇的动力系统的安全。

［1］王祖荫.声发射技术基础［M］.济南:山东科学技术出版社，1990.

［2］石志标，陈向伟，张学军.声发射技术在阀门检漏中的应用［J］.无损检测，2004，26(8):391 －401.

［3］张颖，戴光，韩波，等.利用声学检测方法估算气体阀门的内漏率［J］.大庆石油学院学报，2005，29(4):79－82.

［4］张艾萍，金建国.声发射检漏仪在阀门密封性检验中的应用［J］.阀门，2002，(4):39 －41.

［5］李善春，郭福平，王为松.压力管道泄漏声发射监测试验研究［J］.无损检测，2007，29(2):74 －79.

［6］MCSHANE J L，BORO C.System and method for valve monitoring using pipe-mounted ultrasonic transducers［P］.United States Patent:US005115672A，1992 －5 －26.

Monitoring for marine pipes and valves using acoustic emission

ZHANG Yan-min，LUO Li-qiang
(1.Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China;2.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China)

Based on the AE signal character because of the marine pipes and valves'leak and the open and close movement，this paper discourses upon the status surveillance method and the experimentation and research of AE for the marine pipes and valves.This paper introduces AE surveillance technology，in which transducers were fixed on the pipes or valves，thus in virtue of it we can realize the status of key valves'work and functions，realize the long-distance and real time and lossless and continual surveillance，especially for some key pipes and valves.

marine pipes and valves;acoustic emission;experimentation and research;status surveillance

TGl15.28

A

1672－7649(2011)12－0072－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.12.016

2010－10－11;

2011－02－14

张彦敏(1980－)，男，工程师，研究方向为水声电子工程。