数字化声发射技术在潜水器管道泄漏监测中的应用研究

韦朋余，岳亚霖，张 炜，陈 颖，李盛华

（中国船舶科学研究中心，无锡 214082）

1 引 言

潜水器体现一个国家的综合技术力量，是海洋技术开发的前沿与制高点，可以用于援潜救生、海洋资源勘探和海洋平台支持作业等领域。特别是近年伴随着海洋油气资源的大规模开发已建造了大量的海洋石油开采平台。一旦平台出现故障，就需要潜器下潜排除故障提供支持作业能力。潜水器在下潜过程中用来保证主压载水舱注水或排水以消除或恢复潜水器储备浮力的设备和管路，我们称之为潜浮系统[1]。在过去的潜器下潜过程中曾遇到因潜浮系统管道泄漏导致潜器被迫紧急上浮、维修中断，带来了巨大的经济损失[2]。因此如何及时准确地对泄漏漏点进行检测和预报，保障潜水器正常作业就显得非常重要。潜水器潜浮系统发生管道泄漏时，泄漏点处由于管内外压差，管内的高压流体由裂缝处向外喷射，在泄漏处形成多相湍射流，一方面与管道及周围介质相互作用向外辐射能量，在管壁上产生弹性波；另一方面从泄漏点向外喷射的高速流体对壁面产生激励作用和摩擦，在管壁上也产生弹性波。该弹性波携带泄漏源信息（如泄漏部位、泄漏速率以及泄漏孔大小等）沿管壁向四周传播，形成声发射源。利用声发射传感器拾取管壁上的声波信号，并对其进行分析处理，进而获得管道泄漏信息，实现声发射泄漏检测的目的[3]。

本文建立了管道泄漏声发射检测系统，确定了应用于潜水器管道泄漏的声发射通道采集控制参数，进而对潜水器管道泄漏现象进行了试验研究，验证了系统的实用性和有效性；通过研究获得了泄漏声发射信号的RMS、ASL、能量及频谱随压力、传播距离的变化规律，为在潜水器服役过程中进行声发射实时监测提供物质基础和技术支撑。

2 潜水器管道泄漏声发射检测系统

2.1 试验系统

本文根据潜水器潜浮系统结构特征和声发射检测技术内在要求，建立了管道泄漏声发射检测系统，具体包括管道泄漏装置、声发射检测系统及加压系统，如图1所示。管道泄漏装置包含管道泄漏模型、封头、开孔螺钉、铜垫圈、球阀以及法兰等。其中管道泄漏模型材料选用紫铜管（潜水器管道通用材料），具体尺寸为外径170 mm，壁厚10 mm，长度分别为3 m和6 m，中间采用法兰或球阀连接，两端自由支撑，无外包层。在长度为6 m的紫铜管上加工含有内螺纹的孔，通过拧上开有模拟泄漏孔的螺钉来实现泄漏模拟[4]。声发射检测系统包括信号处理器、传感器、信号线以及耦合剂等。试验信号处理器采用美国引进的PCI-2数字化声发射检测系统，可实现数字信号处理，传感器选用WDI，其频响范围100～1000 kHz，以黄油作为耦合剂。加压系统包含压力变送器、电动试压泵、压力表、连接管以及阀门等。目前南海和东海的采油平台所处海域的最大水深达到332 m，因此试验时，管道内部压力取0.5～3 MPa。

图1 试验系统示意图Fig.1 The sketch map of experiment system

2.2 设备参数配置

声发射传感器能否成功捕捉到有效信号，采集通道参数的设置是一个关键因素。特别是潜水器管道泄漏信号是连续型信号，且目前国内外暂无关于潜水器管道（紫铜管）泄漏声发射检测文献的相关报道，因此如何找到适合紫铜管泄漏的声发射技术参数将是试验前要解决的第一个问题。试验前利用Fieldcal声发射校准仪在紫铜管上产生连续型正弦信号对PCI-2声发射检测系统通道参数进行多次调试，获得最优参数设定如下:采样率1MSPS、采样长度1 k、模拟滤波范围1 kHz～3 MHz、预触发时间256 usec、压力参数通道倍数1.25和偏差-1.28。

在试验过程中，会受到机械噪声、电磁噪声以及水流声干扰，因此信号背景噪声的排除成为要解决的第二个问题。预试验发现通过调整幅度门槛值可以有效地减少噪声信号，但是幅值门槛过高容易漏检有效声信号，门槛过低不能完全地排除噪声。通过断铅试验模拟声信号来调整门槛值的方法，进行多次反复试验，得到适用于紫铜管的门槛参数:门槛值30 dB、浮动门宽6 dB。

3 潜水器潜浮系统管道泄漏声发射信号特性研究

3.1 泄漏声发射信号随传播距离的衰减特性研究

声发射信号在不同介质中传播时，其信号频率、幅度等特性与传播介质密切相关，而声发射信号频率、幅度等参数的传播衰减特性直接影响声源定位时参考标准的选取[5]。因此本文首先对管道泄漏声发射信号沿紫铜管传播时其RMS、ASL、能量以及频率等参数随传播距离的衰减特性进行研究。

本文对采集到的管道泄漏声发射信号进行了统计分析。图2为声发射信号有效值电压RMS在泄漏速率为10 mL/s、压力为2.5 MPa下随传播距离变化的衰减曲线，图3为声发射信号平均信号电平ASL在泄漏速率为10 mL/s、压力为2.5 MPa下随传播距离变化的衰减曲线，图4为声发射信号能量计数在泄漏速率为10 mL/s、压力为2.5 MPa下随传播距离变化的衰减曲线。从图2至图4中可以看出:靠近泄漏源的传感器比远离时的传感器所接受的信号更加强烈；随着传播距离的增大，泄漏所激发的声发射信号RMS、ASL和能量计数值越来越小，都呈衰减趋势；RMS和能量计数的衰减曲线呈以自然对数为底的负指数形式衰减，ASL的衰减曲线呈以线性形式衰减。通过重复试验发现在不同压力不同泄漏速率下ASL随传播距离呈以线性方式衰减，且传感器距泄漏源2 m之内具有较高的灵敏度；而RMS和能量计数则都呈以自然对数为底的负指数形式衰减，不过RMS在距泄漏源2 m之内具有较高的灵敏度，而能量计数的灵敏度在距泄漏源1 m之内较高。

图2 RMS随传播距离变化的衰减曲线Fig.2 The attenuation curve of RMS with propagation distance

图3 ASL随传播距离变化的衰减曲线Fig.3 The attenuation curve of ASL with propagation distance

图4 能量计数随传播距离变化的衰减曲线Fig.4 The attenuation curve of energy count with propagation distance

图5为距泄漏源500 mm、800 mm、1000 mm、2000 mm处的声发射信号频谱对比图。从图5中可以看出:潜水器潜浮系统管道泄漏所激发的声发射信号的频谱在60 kHz附近有很陡的尖峰；泄漏声发射信号的频谱范围为0～500 kHz，靠近泄漏源的声信号中含有较多的300～500 kHz高频成分，远离泄漏源的声信号频谱逐渐集中到0～100 kHz低频段范围内；随着传播距离的增大，泄漏声信号的频谱幅值在整个频率范围内都呈衰减趋势，且高频成分衰减速度比低频成分要快[6]。

图5 频谱对比图Fig.5 The frequency spectrum contrast diagram

3.2 泄漏声发射信号随压力的变化特性研究

当管道内部压力改变，泄漏孔处液体的流速会发生变化，最终会导致泄漏孔处的声发射信号随之改变。因此本文通过详细研究，创建了一套压力信号转换成电信号的数据传输系统，通过压力变送器将管道内部压力这一外部参数输入到PCI-2声发射采集系统，研究泄漏声发射信号沿紫铜管传播时其RMS、ASL、能量以及频率等参数随管道内部压力的变化关系。

图6为泄漏时管道内部压力随时间变化曲线，图7为声发射信号有效值电压RMS在泄漏孔径一定、距声源500 mm处随压力的变化曲线（图中虚线为拟合曲线），图8为声发射信号平均信号电平ASL在相同泄漏孔径下、距声源500 mm处随压力的变化曲线（图中虚线为拟合曲线），图9为声发射信号能量计数在相同泄漏孔径下、距声源500 mm处随压力的变化曲线（图中虚线为拟合曲线），从图6至图9中可以看出:高压状态下所产生的泄漏声发射信号比低压状态下产生的声信号更加明显；随着管道内部压力降低，泄漏所激发的声发射信号RMS、ASL和能量计数值越来越小，都呈衰减趋势；当压力较高时，声发射信号的RMS、ASL和能量计数值等衰减趋势较为平缓，但随着压力的逐步减小，RMS、ASL和能量计数值的衰减趋势趋于明显[7]。通过重复试验发现在压力高于0.5 MPa时，潜水器潜浮系统管道泄漏声发射检测具有较高的灵敏度。

图6 泄漏时管道内部压力随时间变化曲线Fig.6 The pipeline internal pressure change curve with time at leakage

图7 RMS随压力变化曲线（虚线为拟合曲线）Fig.7 RMS change curve with pressure(The dotted line is a fitting curve)

图10 3.0 MPa时信号频谱Fig.10 The signal frequency spectrum at 3.0 MPa

为了研究泄漏声发射信号随压力变化的频谱特性，本文在保证泄漏孔径不变的情况下、分别采集3.0 MPa、2.5 MPa、2.0 MPa、1.5 MPa、1.0 MPa 和 0.5 MPa 时距泄漏源 500 mm 处的声发射信号，并将其时域波形进行快速傅里叶变换得到频谱图，如图10至图15所示。从图10至图15中可以看出:泄漏声发射信号的频谱范围较宽，涵盖0～500 kHz；当压力较高时声信号中含有较多的300～500 kHz高频成分，当压力较低时声信号频谱逐渐集中到0～200 kHz的低频段范围内；泄漏所激发的声发射信号的频谱在60 kHz附近有很陡的尖峰；随着管道内部压力的降低，泄漏声信号的频谱幅值在整个频率范围内都呈衰减趋势[8]。

图11 2.5 MPa时信号频谱Fig.11 The signal frequency spectrum at 2.5 MPa

图12 2.0 MPa时信号频谱Fig.12 The signal frequency spectrum at 2.0 MPa

图13 1.5 MPa时信号频谱Fig.13 The signal frequency spectrum at 1.5 MPa

图14 1.0 MPa时信号频谱Fig.14 The signal frequency spectrum at 1.0 MPa

图15 0.5 MPa时信号频谱Fig.15 The signal frequency spectrum at 0.5 MPa

4 结 论

首先创建了管道泄漏声发射检测系统，在此基础上，对潜水器管道泄漏问题开展了系统的研究，得到以下结论:

（1）所建立的潜水器管道泄漏声发射检测系统，不仅可以动态跟踪管道内部压力变化，实时显示声发射信号参数随压力的变化过程，而且测量简便有效、适用性广，可以应用于其它管道泄漏检测。

（2）通过模拟信号试验研究，获得了利用声发射检测系统监测潜水器管道泄漏时应配置的最佳通道采集控制参数。该控制参数的设置可以高保真地采集泄漏声发射信号，避免有效信号漏检。

（3）通过对管道泄漏声发射信号参数的统计分析和傅里叶变换，获得了潜水器管道泄漏声发射信号的RMS、ASL、能量以及频率等幅频响应特性随传播距离和管道内部压力的变化规律，为在潜水器服役过程中进行声发射检测时定位方法的选择、定位参数的设定、传感器的布置以及危险等级的划分提供基础数据和理论依据。

（4）本文研究表明:利用数字化声发射技术监测潜水器管道泄漏是可行的，且在距泄漏源2 m之内、压力高于0.5 MPa时具有较高的检测灵敏度。

[1]赵永甫,李 炜编.舰艇概论[M].北京:海潮出版社,2004:356-360.

[2]徐秉汉,朱邦俊,欧阳吕伟,裴俊厚著.现代潜艇结构强度的理论与试验[M].北京:国防工业出版社,2007:313-324.

[3]杨明纬编.声发射检测[M].北京:机械工业出版社,2005:5-20.

[4]ASTM E1211-07.Standard Practice for Leak Detection and Location Using Surface-Mounted Acoustic Emission Sensors[S].2007.

[5]岳亚霖,李盛华,张 炜.声发射衰减特性研究[C].中国第十届声发射学术研讨会论文集,2004:116-119.

[6]岳亚霖,韦朋余,李盛华,张 炜.船用金属材料声发射信号特性研究[J].实验力学,2008,23(6):496-502.

[7]Yue Yalin,Wei Pengyu,Li Shenghua,Zhang wei.Research on acoustic emission signature of fatigue cracks at titanium alloy weld joints[J].Journal of Ship Mechanics,2008,12(3):429-439.

[8]韦朋余,岳亚霖,李盛华,张 炜.钛合金焊接工艺过程声发射信号特性研究[C].翁震平.中国钢结构协会海洋钢结构分会2010年学术会议论文集.无锡:《船舶力学》编辑部出版,2010:388-394.