夹套结构内管泄漏声发射检测与评价方法

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(1.南京市锅炉压力容器检验研究院,南京 210019；2.大连民族大学 机电工程学院，大连 116600；3.东北石油大学 机械科学与工程学院，大庆 163318)

夹套结构设备是化学行业中比较通用的装置，其主要由主体和夹套两部分组成。夹套结构设备的内管易产生腐蚀、磨损、疲劳等问题，进而发生内管泄漏事故。据统计，我国每年夹套结构设备失效事故约 40 多起，其中夹套结构中的内管为首要影响因素[1]。因此，夹套结构的检测和评价得到了越来越多的重视。

声发射检测是一种动态的无损检测方法，其具有实时性的特点，可以有效检出活性缺陷，适用于长期连续地监测缺陷，这是其他无损检测方法难以实现的。特别是在管道泄漏领域，声发射检测得到了广泛关注，并取得了大量成果[2-9]。在泄漏评价方面，ISERMANN等采用相互分析技术对流入和流出端口的信号进行了分析，极大地提高了分析的精确度。20世 纪90年代，壳牌公司在这方面有了突破性研究，发明了一种新的统计检测泄漏方法，实现了对压力和流量间相互关系的实时监测[10]，然而该方法在泄漏定位方面准确度不高。2014年，东北石油大学王琼[11]采用声发射技术对夹套结构的内管泄漏检测进行了研究，提出了夹套内管泄漏声发射信号的变化规律。2016年，刘延军[12]对夹套内管泄漏的声源机理进行了理论分析，并采用声发射技术分析了不同参量对泄漏信号的影响。综上可知，国内外关于管道检测的研究众多，但是关于夹套结构泄漏检测以及声发射评价参量的研究却很少，且仍处于试验研究阶段。笔者针对夹套结构声发射检测的评价问题，开展了声发射评价参量和定位技术的研究，解决了夹套结构声发射检测的部分瓶颈问题，提高了评价准确度，推动了夹套结构声发射检测技术的发展，提高了声发射技术在夹套结构内管泄漏检测方面的评价效果。

1 声发射评价参量研究

目前，常用的声发射评价参量包括幅值、平均信号电平以及均方根电压等，对泄漏的评价常采用RMS(均方根电压)和ASL(平均信号电平)。声发射波形信号以撞击为单位，每个试验信号包含N个撞击信号，记为S=[s0,s1,s2,s3,…,sN-1]，每个撞击信号的采样点为n，记为sn=[x0,x1,x2,…,xn-1]，则

(1)

ASL=20×lgRMS-Pre

(2)

式中：Pre为前置放大器增益，dB。

RMS算法是基于单一撞击信号进行的，能及时反映当前信号强度，而ASL通过对数运算降低了参数值的波动，更能体现信号规律。然而，夹套内管泄漏声发射信号属于连续信号，基于单一撞击信号的声发射评价不能完整而准确地反应设备缺陷的真实情况。针对夹套内管泄漏信号的连续性特点，综合RMS、ASL在声发射评价中所表现的优势，构造了平均能量(AE)作为夹套结构内管泄漏声发射评价参量，算法如式(3)所示。

(3)

2 试验过程

2.1 试验方案

为了研究夹套内管气体泄漏过程的声发射响应，搭建了夹套结构内管泄漏的模拟试验平台(见图1)，用来模拟内管气体的泄漏过程，设计试验方案，进行试验。

图1 夹套结构内管泄漏模拟试验平台示意

系统主要由夹套结构泄漏模拟系统和声发射检测系统两部分组成，所用夹套结构内管的外径为60 mm，壁厚为3 mm，长度为4 650 mm；外管的外径为142 mm，壁厚为6 mm，长度为4 750 mm。

声发射检测系统主要由传感器、前置放大器、声发射检测仪以及声发射软件等组成，声发射检测系统组成框图如图2所示。试验选用R3α型谐振式传感器，2/4/6型前置放大器(增益为40 dB)，PCI-8声发射采集卡(采样频率为1 MHz，采样长度为1 024个点)。

图2 声发射检测系统组成框图

声发射传感器布置于夹套外管的外管壁，呈线性分布，其中2#传感器正对泄漏孔。试验选用4根相同尺寸管道作为夹套内管，在如图1所示位置人工开孔，孔径分别为1.0，1.2，1.8，2.0 mm。泄漏孔位置距密封法兰1 300 mm。采用5 m3立式储罐作为气源以保证泄漏过程压力稳定，分别在0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 MPa压力下进行泄漏试验，采用声发射模式采集数据。

2.2 试验结果分析

基于波形数据及AE的算法，采用MATLAB软件重新计算生成的声发射参量，根据撞击信号选取幅值最大原则选取最大幅值撞击信号，得到AE与ASL随压力P的变化曲线(见图3)。

图3 AE，ASL与压力的关系曲线

近年来的研究表明[15]，夹套结构内管泄漏信号幅值随泄漏孔孔径的增大而增大，然而从声发射角度进行分析，采用幅度进行评价不能代表泄漏强度，然而采用ASL-P曲线分别在孔径为1.0，1.2 mm，压力为0.2 MPa处和孔径为1.8，2.0 mm，压力0.1 MPa处存在交叉，即不同孔径、相同压力下泄漏信号ASL幅值相同，这显然会带来评价误差。新构建的AE参量所形成的曲线显然更利于夹套结构内管泄漏的评价。同一泄漏孔下，AE随着夹套内压力的上升而增加；相同压力下，随着泄漏孔孔径的增大，幅值也随之增加。

3 互相关定位研究

由于夹套设备结构复杂，声源众多，无法保证所采集信号为同源信号，进而给定位造成困难，故采用互相关定位方法对夹套内管泄漏进行定位。采用2.1节中的试验方案进行夹套结构内管泄漏模拟试验，在TRA模式(特殊采集操作模式)下以同步触发方式采集试验信号。

以夹套管道靠近1#传感器一端的某处作为坐标原点(即泄漏孔坐标为1 300)进行互相关定位。由于5#，6#传感器距离信号源较远，且距离夹套外管端部较近，对反射信号与直接信号相关性影响较大，所以以1#传感器信号为参考信号，分别以2#，3#，4#传感器信号作为被测信号进行互相关定位计算，结果如图4所示。

图4 互相关定位结果

在图4中，各峰值所对应的距离即泄漏孔的定位坐标，红色直线处为泄漏孔的实际坐标，互相关定位结果及误差如表1所示。

4 结论

表1 互相关定位结果及误差

(1) 通过分析ASL，RMS参量的算法，构造新的声发射评价参量AE，并通过夹套结构内管泄漏模拟试验将AE-P曲线与ASL-P曲线进行对比。结果表明，AE不仅能表征泄漏信号的强度，而且曲线区分度较大，评价准确性较高。

(2) 泄漏孔径不变，AE随着压力的增大而增大；相同压力下，泄漏孔孔径越大，AE越高。

(3) 根据夹套设备结构和声源的特点，采用互相关定位法对夹套结构内管泄漏的声源进行定位研究，结果误差低于10%。