阀门内漏声发射检测信号特征研究

刘治超，张悠江（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京102249）

阀门内漏声发射检测信号特征研究

刘治超，张悠江
（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京102249）①

阀门在天然气管道运输中具有重要的作用，阀门内漏会给天然气管道运输造成安全隐患。采集阀门内漏的声发射信号，采用改进的小波阈值去噪方法对采集的信号进行降噪处理，提高信号的信噪比，进而提取降噪后信号的频域峰值和峰值频率，探究阀门内漏的信号特征，为阀门内漏检测提供参考。

声发射；小波阈值；信噪比；均方根误差值；频谱特征

随着环境治理力度的不断加大及国家能源结构的调整，天然气作为一种清洁能源越来越被重视。同等热量，天然气的二氧化碳排放量为煤炭和石油的56%和71%，氮氧化物的排放量为煤炭和石油的20%。管道运输是天然气的主要运输方式，阀门作为管道运输的重要组成部分，其主要功能是接通或切断管路介质的流通，改变介质的流动方向，调节介质的压力和流量，保证管路和设备的正常运行。在实际工作中，由于运输或者安装不当很可能造成阀门的内漏，并且这种内漏不容易被发现［1］。阀门一旦出现内漏，会在短时间内造成阀门损坏，并且对管道的安全运行带来严重的威胁。

声发射作为一种新型的检测技术［2］应用在阀门内漏检测上，被证明具有良好的效果。本文采用自主开发的声发射仪器，在现场和试验室内采集高压下阀门内漏信号，对阀门内漏做出定性和定量分析。通过大量的现场试验，采集的声发射信号中包含有大量的噪声，对阀门内漏的检测产生较大的影响。本文对声发射信号采用改进的小波阈值进行去噪处理，对重构的信号进行时频特性研究［3］，得出声发射信号的频域峰值和峰值频率，探究高压下阀门内漏的声发射信号特征。

1 声发射检测机理

声发射（A E）可以定义为物体或材料内部迅速释放能量而产生瞬态弹性波的一种物理现象，声发射源释放出的弹性波在结构中传播时携带有大量结构或材料缺陷处的信息，用仪器检测、分析声发射信号可以对结构或材料中的缺陷进行检测和定位［4］。

2 阀门内漏检测系统

试验中采用的自主开发的声发射检测装置试验平台如图1所示。检测装置主要由声发射信号传感器（中心频率为150kH z）、信号放大器（增益40dB±1dB）、四通道阿尔泰数据采集卡（单通道2MHz）、声发射检测软件（LABVIEW和MATLAB联合开发）组成。

试验模型的承压能力为12MPa，最大许用工作压力为10MPa，喷管上下游管径为DN80，内径为76．2m m。阀门的内漏类型采用不同直径的阀芯划痕模拟阀门泄漏，采用氮气作为试验的气源，上游和下游均为数显压力表，以及末端的流量计。

图1 试验平台

3 基于改进小波阈值的信号去噪

小波阈值降噪方法是一种常用的降噪方法，具有降噪效果好、原理简单，易操作的特点。但是传统的阈值选取方法，硬阈值和软阈值都存在的一定的缺陷。硬阈值去噪后的信号在阈值点处不连续，重构回的信号可能会出现振荡，且容易出现吉布斯效应。软阈值去噪函数虽然在阈值点处连续，但是存在着恒定的偏差，重构回的信号可能会出现模糊失真［5］。本文基于改进的小波阈值选取方法，科学的选取小波分解后的高频系数和低频系数的小波阈值进行去噪，相对于软阈值和硬阈值去噪方法，提高了信噪比，降低了均方根误差值。

改进的阈值选取为

式中：σ为噪声的标准方差；N为信号的长度；j为分解尺度，随着分解尺度的增加，阈值T会相应的减小。

改进的阈值函数表达式为

式中：n为调节参数，选用合理的调节参数，可以使改进的阈值函数合理地介于硬阈值和软阈值之间，取得良好的去噪效果。

改进的小波阈值函数图像如图2。

图2 改进的小波阈值函数图像

3．1 评价标准

通过对采集的信号进行改进的小波阈值去噪后进行信号的重构，以信噪比和均方根误差值作为评价标准，去噪后信号的信噪比Rsn越大，均方根误差值Rmse越小，说明信号去噪的效果越好［6］。

式中：s（n）为采集的声发射信号；＾s为去噪后的信号；M为采样点数。

3．2 去噪实例

图3为采集的声发射信号，在M atlab中选取Daubechies小波函数，分解层数为3，采用不同的阈值去噪。

图3 采集的声发射信号

采用改进的小波阈值进行去噪处理，根据式（1）得出各层小波系数阈值，然后通过式（2）对每层的细节小波系数进行改进阈值处理，其中n取0．5，最后进行声发射信号重构，得出的改进小波阈值去噪信号如图4所示。

图4 改进的小波阈值去噪后的信号图像

不同小波阈值去噪评价的量化标准如表1所示，通过对比改进的小波阈值去噪函数具有明显的优势。

表1 不同阈值去噪方法的评价

4 阀门内漏信号特征提取

为了研究阀门内漏信号的特点，进行了不同压差和不同直径的试验研究，首先对采集的信号进行基于改进小波阈值的去噪处理，然后对重构信号进行时频特性分析，得出信号的频域峰值和峰值频率等信号特征信息，研究不同的压差和直径对信号特征的影响。

4．1 同一直径不同压差下泄漏信号特征

图5～7为划痕直径D为0．35mm，不同上下游压差下的阀门内漏信号的频谱特征。

图5 Δp＝0．4MPa时的声发射信号特征

图6 Δp＝0．6MPa时的声发射信号特征

图7 Δp＝1．0MPa时的声发射信号特征

4．2 Δp＝0．6 M Pa不同划痕的泄漏信号特征

图8～10为上下游压差△p＝0．6MPa，不同直径划痕的阀门内漏信号的频谱特征。

图8 D＝0．35mm时的声发射信号特征

图9 D＝0．45mm时的声发射信号特征

图10 D＝0．55mm时的声发射信号特征

由图5～10可知，采集的声发射峰值频率主要集中在3．5kH z附近，并且随着上下游压差的增加和划痕直径的增加有所变化。表2是通过试验数据提取的声发射信号的特征参数频域峰值和峰值频域。

通过试验数据的对比可以看出，同一直径下，随着压差的增加，频域峰值出现了明显的上升趋势，峰值频率也出现了小幅的上升；同一压差，随着划痕直径的增加，频域峰值也出现了明明显的上升趋势，峰值频率小幅上升。

表2 声发射信号特征

5 结论

1） 采用改进的小波阈值去噪，可以有效提高信号的信噪比，降低均方根误差值，为声发射信号的特征提取奠定了基础。

2） 提取试验室内采集的声发射信号的频域特征，信号的频域峰值主要集中在了3．5kH z附近，并且随着压差及划痕直径的变化有所浮动。

3） 随着上下游压差的增加，声发射信号的频域峰值明显上升，峰值频率也有逐渐增加的趋势；随着划痕直径的上升，声发射信号的频率峰值也会相应的增加，峰值频率也随之小幅上升。

［1］ 张海峰．天然气管道阀门内漏声发射检测系统设计及试验研究［J］．石油化工自动化，2013，48（6）：10-13．

［2］ 董世方，同长虹．利用声发射诊断技术在线监测输油气管裂纹［J］．石油矿场机械，2009，38（4）：61-63．

［3］ 白小亮，韩新利．基于小波重构的输油管线压力信号降噪分析［J］．石油矿场机械，2009，38（11）：72-76．

［4］ Tonolini F，Saia A，Villa G．General review of develop-ments in Acoustic E mission methods［J］．International Jowrnal of Pressure Vessele and Piping，1987，28（5）：179-201．

［5］ 王遥遥．基于小波理论的信号降噪方法的研究［D］．武汉：武汉理工大学，2013．

［6］ 王宏强，尚春阳，高瑞鹏，等．基于小波系数变换的小波阈值去噪算法改进［J］．振动与冲击，2011，30（10）：165-168．

Research on the Acoustic Emission Signai Feature for the Inner Leakage of Vaives

LIU Zhichao，ZHANGY oujiang
（College of Mechanical and Transportation Engineering，China Universitu of Petroleum，Beijing102249，China）

Valves have an im portant role in the transport of natural gas，and the safety operation of gas pipelines is threatened by valve inner leakage．T he acoustic emission signals are collected，and the im proved threshold de-noising algorith m is applied to signal analysis，in order to im prove the signal-to-noise-ratio，and decrease the root-mean-square-error（RMSE）value．T hen，the frequency do main peak and peak frequency of the de-noising signal are extracted to research the acoustic e-mission signal feature for the inner leakage of valve and lay the foundation for the valve leak de-tection．

acousticemission；thresholdde-noisingalgorithm；signal-to-noise-ratio；RME；spectral characteristics

T E973

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．06．003

1001-3482（2015）06-0013-04

①2015-01-27

刘治超（1988-），男，河北廊坊人，硕士研究生，主要从事声发射阀门内漏检测，Email：liuzhichaoboa＠163．com。