声发射检测技术用于管道和储罐检测的实验研究

李霞 梁元杰 李子彬 王建全

(1.重庆科技学院安全工程学院，重庆 401331;2.中国石油集团长庆油田分公司采油九厂，银川 750000)

目前，我国已建油气管道总长度约为8.5×104km，形成了横跨东西、纵贯南北、覆盖全国、连通海外的油气管网格局［1］。但是随着管道使用时间的增长，管道逐渐老化，不同程度的腐蚀和泄漏现象严重影响了正常的管道运输，由此引发的火灾、爆炸事故也有所增多。为了保证天然气管道的正常运行，有效预防天然气管道事故的发生，有必要采用合理的检测方法对天然气管道、设备进行安全检测。

声发射检测技术是一种动态连续监测方法，主要利用缺陷本身发出缺陷信息，而不是用外部输入对缺陷进行扫描，可以用于大型构件的部分或整体快速检测。本次研究拟将声发射技术用于石油管道和油罐缺陷检测，探究一套合适的监测方案，提高检测成功率和效率。

1 管道声发射检测

声发射(acoustic emission，简称AE)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，是材料或结构受内外力作用产生变形或断裂后，以弹性波的形式释放出应变能的结果［2］。

声发射检测技术的基本原理:从声发射源产生的弹性波信号最终传播到被测材料的表面，从而产生可以检测到的表面位移;再由探测器将材料的机械振动转化为电信号，然后进行放大处理并记录;最后对观察到的声发射信号进行分析与推断，了解材料产生声发射的机制［3-8］。

1.1 实验原理

管道及储罐缺陷的发生和扩展均属于突发型声发射信号，突发型信号的定位技术主要包括时差定位和区域定位。本次研究中管道及储罐缺陷的声发射检测均采用时差定位。时差定位包括一维定位、二维定位、三维定位，管道声发射检测定位采用一维定位，即线性定位。线性定位至少需要2个传感器，其定位原理如图1所示。

图1 声发射线性定位原理图

在1#和2#传感器之间有一个缺陷产生声发射信号，到达1#传感器的时间为t1，到达2#传感器的时间为t2，该声发射信号到达2个传感器之间的时差t=t2-t1;用D来表示2个传感器之间的距离;用v来表示声波在试件(管道)中的传播速度;声发射源距1#传感器的距离为d。d由下式计算:

1.2 实验过程

管道声发射检测实验步骤如下:

(1)布置传感器。首先确认4个传感器的布置位置，传感器间距为400 mm;对传感器布置区域进行适当的打磨，将有杂质和油漆的地方打磨干净;在传感器表面涂抹适量的耦合剂，耦合剂不宜涂抹过多。

(2)AE通道设置。首先选择线性类型，单击各通道编号;门槛类型选择固定门槛，在本实验中将门槛设置为45 db。

(3)定时参数设置。实验中选择1—4通道，本实验的时间单位是μs，距离单位是mm。

(4)定位设置。定位组号，首先选择采集或重放时的定位组号，未被选择的定位组在采集或重放时将会被忽略，最终选择1号组;定位类型，选择线性定位;事件定义值，此项选择为2个传感器的间距，为400 mm;事件闭锁值，此项选择为事件定义值的1.5 ～2.0 倍即可，为800 mm。

(5)定位显示。首先选择定位显示框右侧的定位组号和结构类型，定位组号必须与通用页设置的定位组号一致，本次实验为1号组，结构类型选择自由体即可;线性定位只需要一个方向的尺寸，在尺寸输入框内x轴尺寸可以比探头的实际尺寸大些，y方向未限制输入(本次实验输入150 mm);右键点击定位显示对话框左侧空白区域，选择放置传感器，之后在任意位置放置4个传感器，在页面右上角输入4 个传感器的具体坐标，1#(0，0)，2#(400，0)，3#(800，0)，4#(1 200，0)。

(6)图形设置。选择通道，本实验有1—4号通道;选择定位组，本实验只有一组，输入数据选项选择事件;定位图的图形设置中，选择二维柱状图，y轴显示选项为事件，类型选择为压缩，x轴显示选项为x位置，类型为固定，数据输入选项选择事件;设置非定位图形，不需要选择定位组，只需选择相应的通道即可，数据输入选择撞击。

(7)记录幅值响应值。将所有探头布置好后，点击采集按钮，打开行列表，依次记录各个探头的幅值响应值。连接好仪器设备，按图2所示布置好传感器，完成AE-win软件各项设置后就可以开始采集了。在进行声发射信号定位之前，必须对每一个传感器的耦合质量进行检测，即用断铅法确定传感器的耦合质量。使用0.5 mm的HB铅芯，铅芯伸出距离约2.5 mm，与试件表面保持约30度夹角，断铅幅值在95 db以上则认为耦合质量很高。为了保证实验的准确性，在检测耦合质量时只能有一个通道处于工作状态，即在AE硬件设置时，每次只对一个通道打勾。本次实验管道传感器耦合质量检测结果如表1所示。

表1 管道传感器耦合质量检测结果

图2 声发射检测实验管道

从表1可以明显看出，1#、2#、4#传感器耦合质量很高，而3#传感器只有在第1次和第3次断铅时耦合质量很高，在第2次断铅时幅值低于95 db，耦合质量不佳。这可能是由于管道表面不是很平，使得传感器未能完全接触到管道，此问题对实验结果影响不大。传感器耦合质量检测完成后，将传感器用胶带固定在管道上以便于操作。

如图2所示，4个传感器之间的距离均为400 mm。在管道上选择一处位置，用断铅法来模拟缺陷的产生位置。该处缺陷点位于3#与4#传感器之间，距4#传感器100 mm处。在该处断铅3次来模拟缺陷的产生，每2次断铅时要保证足够的时间间隔，采集传感器接收到的声发射信号各项参数，记录相应的波形信息，并对缺陷进行定位。表2为管道模拟缺陷实验的定位结果，由表可看出声发射检测技术可以很好地对管道缺陷进行定位。

表2 模拟缺陷的定位结果

2 油罐声发射检测

2.1 实验原理

储罐缺陷的发生和扩展也属于突发型声发射信号，储罐声发射检测定位采用柱面定位。柱面定位实际上也是平面定位，属于平面定位的一种特例。

进行平面定位时至少需要3个传感器，2组时差，为了得到单一解一般使用4个传感器，3组时差。传感器的布置方式可任意选择，如三角形、四边形、方形、菱形等。

图3所示为声发射平面定位原理示意图，S1，S2，S3，S4分别为4个传感器所在位置。由S1和S3之间的时差Δtx所得到的双曲线为曲线1，由S2和S4之间的时差Δty所得到的双曲线为曲线2，声发射源Q离S1和S3，S2和S4各自的距离差分别为ΔLx和ΔLy，波速为v，2组传感器的间距分别为a和b，声发射源就在2条双曲线的交点Q(X，Y)上，其坐标为:

图3 声发射平面定位原理示意图

柱面定位也属于平面定位，是平面定位的一种特例。如图4所示，声发射源即声音在柱面上的传播与在平面上的传播相似，只是矩形的两边相连接，圆柱面的剖面AB和CD实际上连接在一起，声发射信号从M点传播到P点后并未反射，而是继续从P点向N点传播。

2.2 实验过程

本次实验的实验设备，实验仪器及软件连接与管道声发射检测实验相同。实验步骤也基本相同，只是有些设置不同。

图4 柱面定位原理图

实验的具体步骤分述如下:

(1)布置传感器。本次实验传感器布置如图5所示。

(2)定位设置。本实验事件定义值为1 000，实验时间闭锁值为2 000。

(3)定位显示。定位组号为1号，结构类型为垂直容器;容器尺寸，外径3 000 mm，高度为3 000 mm;传感器坐标分别为 1#(200，200)，2#(200，800)，3#(1 000，200)，4#(1 000，800)。

(4)图形设置。选择事件组，在定位图中设置柱面定位。

各项设置完成后需进行传感器耦合质量检测，其检测方法仍是3次断铅法。本次检测结果如表3所示。

表3 油罐检测中传感器耦合质量检测结果

从表3可以看出1#、3#、4#传感器耦合质量很高，并且1#和4#传感器的重复性很好。2#传感器第1次断铅幅值为94 db，略低于95 db，耦合质量基本满足要求。

完成耦合质量检测后，开始进行罐体缺陷定位实验。如图 5 所示，1#、2#、3#、4#传感器构成一个矩形，边长为600 mm×800 mm，即1#与2#传感器间距为600 mm，1#与3#传感器间距为800 mm。在罐体上选择一处位置，用断铅法来模拟缺陷的产生位置，该处缺陷点坐标为(600，500)。在该处断铅3次来模拟缺陷的产生，每2次断铅要保证足够的时间间隔，采集传感器接收到的声发射信号各项参数，记录相应的波形信息，并对缺陷进行定位。如表4所示，声发射检测技术可以很好地对罐体缺陷进行定位。

图5 声发射实验立式油罐

表4 罐体缺陷定位结果

3 结语

通过本次实验，可以得出以下结论:

(1)实验结果表明，应用声发射技术可以对管道和立式油罐缺陷准确定位;

(2)声发射技术有平面定位、柱面定位、三位定位等定位方法，这就决定其可以进行大范围快速检测，并且不需要进行扫查;

(3)声发射技术是动态检测，可以进行在线监测，但不能检测出声发射源内缺陷的性质和大小。

［1］蒲明，马建国.2010年我国油气管道新进展［J］.国际石油经济，2011(3):26-34.

［2］刘洋，王征，栾鑫.声发射信号处理在轮轴故障检测中的应用研究［J］.气象水文海洋仪器，2010(4):54-57.

［3］王牛俊，陈莉.声发射检测技术的原理及应用［J］.广西轻工业，2010(3):49-50.

［4］黎昕，周宗红，金小川，等.白云岩单轴压缩试验声发射特性研究［J］.中国安全生产科学技术，2013(10):10-14.

［5］闫河，王十，邢述.声发射检测技术在玻璃钢管道检测中的应用［J］.无损检测，2015(7):67-70.

［6］袁俊，沈功田，吴占稳，等.轴承故障诊断中的声发射检测技术［J］.无损检测，2011(4):5-11.

［7］赵永涛，李原欣，孙大明，等.储罐声发射在线检测装置的建立及其实际应用研究［J］.新疆石油天然气，2014(3):108-113.

［8］巨佳，王银强，刘天时.计算机控制的超声导波技术在石油管道腐蚀检测中的应用［J］.价值工程，2013(27):227-229.