基于声发射理论的安全阀气体内漏信号特征研究

(北京航天动力研究所,北京 100076)

0 引言

安全阀是一种自动阀门，利用介质本身的压力来排出额定数量的流体，防止锅炉、压力容器或压力管道等承压装置和设备内压力超过预定安全值，发生超压而破坏，以保证设备的正常运行和人员安全[1-3]。但安全阀容易发生内漏，引起介质流失浪费，严重的可引发安全事故。

安全阀内漏主要有以下几种原因。

(1)密封面损伤：蒸汽冲蚀阀瓣产生划痕，腐蚀性介质的侵蚀，高速介质冲刷划痕。

(2)密封面材质不良:维修多年，密封面研磨过低，硬度和密封性能下降。

(3)硬质物卡在密封面上:研磨磨料清除不干净，脏污水垢积存。

(4)密封面研磨质量差。

(5)安全阀零件同轴度损坏。

具体案例如图1，2所示。

图1 阀瓣密封面损伤图片

图2 阀瓣密封面锈蚀划伤图片

传统检测方法需要经验丰富的技术人员听声判断或将安全阀从管路上拆下进行离线检测，费时费力，不能及时掌握安全阀的内漏情况。声发射检测技术是一种动态无损检测方法，具有检测方便、无需停产、成本低等优点[4-9]。采用该技术可监测安全阀内漏情况，以便能及时维修更换受损安全阀，防止介质浪费，减小安全事故发生的概率，具有重要的研究意义。

1 安全阀内漏声信号检测基本理论

1.1 声发射理论

图3 声发射原理示意

声发射是指物体或材料在受到形变或外力作用时，因迅速释放弹性能量而产生瞬态应力波的一种物理现象[10]，如图3所示。安全阀内漏声发射属于广义声发射现象，当安全阀发生内漏时，流体从阀座与阀瓣缝隙中喷出，产生应力波声发射信号，其中包含了安全阀内漏特征，因此，可以采用灵敏的仪器来接收和处理声发射信号，通过对声发射源特征参数的分析和研究，推断出安全阀内漏位置、泄漏程度和发展趋势等。

1.2 安全阀内漏声发射信号时频特征

安全阀内漏声发射信号属于连续型声发射信号，为了从声发射时域信号中提取表征安全阀内漏特征的信息，需要采用信号特征平均值而非瞬时值，平均信号电平ASL表示采样时间内信号电平的均值，可将其作为安全阀内漏判别标准[11]。平均信号电平ASL表示如下:

(1)

式中ASL——声发射信号平均信号电平，dB；

RMS——有效值电压，mV；

pre——前置放大器放大倍数。

有效值电压RMS表示采样时间内信号的均方根值，对于离散声发射信号，其中含有N个样本，分别为x[0]，x[1],x[2]，…，x[n-1],均方根值方程可表示为：

(2)

内漏声发射信号可以估算安全阀泄漏率，需要借助声功率作为中间变量。对于安全阀来说，内漏信号的声功率近似等于泄漏信号的平均能量，两者关系简单定义如下[12]：

P∝RMS2

(3)

式中P——声功率，W。

而声功率的对数与泄漏率的对数呈线性关系[13]，即有：

lgRMS=blgQ+c

(4)

式中Q——泄漏率，ml/min；

b,c——系数，其值与安全阀类型、漏孔类型、泄漏孔径大小、入口压力、泄放介质类型以及安全阀阀体尺寸等因素有关。

由式(1)，(4)可得：

ASL=blgQ+d

(5)

式中d——系数，由公式(1)，(4)推导后所得。

安全阀内漏声发射频域信号中的特征频率、频率峰值等特征值，同样能提供安全阀内漏特征，这些特征值可通过对安全阀内漏声发射时域信号进行傅里叶变换(FFT)得到。

2 试验装置与检测系统

安全阀内漏检测系统[14]由安全阀内漏模拟试验台和安全阀内漏信号声发射检测系统两部分组成,如图4所示。

图4 安全阀内漏检测系统

安全阀内漏模拟试验台由氮气气源、压力调节阀、压力表、流量计和安全阀内漏模拟样机组成，如图5,6所示。安全阀内漏模拟样机选用规格为3K4的HTO系列弹簧载荷式安全阀，入口公称压力600磅。为了模拟安全阀不同泄漏状态，对安全阀阀瓣进行加工处理。试验用阀瓣共有4个，其中3个进行了开槽处理，尺寸分别为：0.15 mm×0.5 mm，0.3 mm×0.5 mm、双槽0.15 mm×0.5 mm×2，用来模拟密封面出现单个和多个漏孔的情况；另外一个通过砂纸在密封面上进行了手工打磨、模拟密封面划伤。由于安全阀内漏气体泄漏率很小，所以气体体积泄漏率采用皂膜流量计进行测量。

图5 安全阀内漏模拟样机

安全阀内漏信号声发射检测系统采用美国某公司生产的声发射系统，包括：传感器、前置放大器、声发射采集卡及配套的声发射软件。声发射传感器为宽带传感器，频率范围15 Hz～40 kHz，谐振频率为30 kHz。前置放大器增益为40 dB。

图6 安全阀内漏模拟试验台

3 试验结果分析

安全阀内漏检测试验时，首先将安全阀内漏模拟样机固定在安全阀内漏模拟试验台上，连接安全阀内漏检测系统；接着，打开气源，调节样机入口处压力，控制气体流量，待泄漏稳定后，通过皂膜流量计测量流量，并通过声发射系统记录安全阀内漏声发射信号；然后，改变安全阀入口压力(分别为0.01，0.02，…,0.1 MPa)，对不同泄漏状态进行测量试验；最后，通过安全阀内漏信号声发射检测系统，将信号进行采集放大滤波等处理，提取需要的信号特征值。更换不同类型、不同尺寸的安全阀漏孔，重复上述试验过程。

3.1 安全阀内漏声发射信号时域与频域特征

选用不同类型、不同口径安全阀漏孔在不同压力下进行安全阀内漏模拟试验，采集内漏声发射时域频域信号，并对信号进行对比分析。通过分析安全阀内漏声发射时域频域信号，可以初步判断安全阀是否处于内漏状态。由于漏孔类型不同，试验所需入口压力会相应变化，以图7～9几种情况为例(其中，左图为时域波形图，右图为频谱图)，选取内漏声发射信号时域波形图及频谱图，对安全阀内漏声发射信号进行对比分析。

通过对以上各类型漏孔在不同入口压力下的内漏声发射信号图形分析，得出如下结论。

(1)安全阀内漏声发射信号为连续型信号，通过观察声发射频域信号是否具有频域峰值，可初步判断安全阀是否发生内漏。

(2)峰值频率处于超声频段范围为20～30 kHz，对于单个漏孔内漏，峰值频率在20 kHz附近，对于密封面划伤，峰值频率在30 kHz附近，损伤越小，峰值频率越大。

(3)对于同类型漏孔，入口压力越大，泄漏率越大，安全阀内漏信号峰值频率随孔径减小而增大，随泄漏率增大而增大，但是影响很小、变化不明显，幅值随泄漏率增大而增大。

(a)入口压力0 MPa

(b)入口压力0.03 MPa

(c)入口压力0.05 Pa图7 0.15 mm×0.5 mm方形漏孔在不同入口压力时的 声发射信号及频谱

图8 0.3 mm×0.5 mm方形漏孔在入口压力为 0.03 MPa时声发射信号及频谱

图9 手工打磨漏孔在入口压力为4.5 MPa时 声发射信号及频谱

3.2 单个漏孔内漏声发射信号的影响及泄漏率量化分析

3.2.1 单个漏孔内漏声发射信号的影响

安全阀单个漏孔内漏情况下，泄漏率和漏孔大小会对声发射信号产生影响。平均信号电平ASL表示采样时间内信号电平的均值，可将其作为安全阀内漏声发射信号强度判别标准。判断泄漏率大小对于安全阀内漏声发射信号的影响，需要在相同漏孔的情况下进行比较；而判断泄漏孔大小对于安全阀内漏声发射信号的影响，需要在相同泄漏率的情况下进行比较。由式(5)可知，泄漏率Q的对数与平均信号电平ASL呈线性关系，为便于观察对比，拟合图像时，图像横坐标选取为泄漏率的对数。以0.15 mm×0.5 mm和0.3 mm×0.5 mm方形漏孔为例进行试验，拟合泄漏率与平均信号电平ASL的曲线，如图10所示。

图10 0.15 mm×0.5 mm和0.3 mm×0.5 mm 方形漏孔ASL随泄漏率的变化曲线

由图10可以看出，对于单个漏孔内漏，在同一漏孔条件下，泄漏率越大，泄漏声信号平均信号电平ASL值越大，这是由于泄漏率越大，泄漏流速越大，气体与阀瓣阀座的冲击作用越剧烈，造成的声发射信号强度越大；在相同泄漏率条件下，泄漏孔越小，泄漏声信号平均信号电平ASL值越大，信号强度越高，越容易检测到。这是因为在相同泄漏率的条件下，漏孔越小，气体喷流流速越快，气体与阀瓣阀座的冲击作用越剧烈，造成的声发射信号强度越大。所以对于单个漏孔安全阀内漏来说，在同一漏孔的条件下，泄漏越大越容易被检测到；在相同泄漏率的条件下，小漏孔的泄漏更容易被检测到。

3.2.2 单个漏孔内漏泄漏率量化分析

如能根据安全阀内漏声发射信号特征值计算出安全阀内漏泄漏率，则可以更直接地判断安全阀的内漏程度或密封面损伤程度。根据式(5)可知，对于单个漏孔内漏，安全阀泄漏声发射信号ASL值与泄漏率的对数符合线性关系，由此，可通过测得安全阀内漏声发射信号ASL值，估算出安全阀内漏率。以0.15 mm×0.5 mm方形漏孔为例，通过采集不同泄漏率下的声发射信号ASL值，利用origin对两者进行一次线性拟合，拟合出的曲线,如图11所示。

图11 0.15 mm×0.5 mm方形漏孔ASL随泄漏率的变化曲线

3.3 多个漏孔内漏下声发射信号的影响因素

当安全阀发生内漏时，有时会产生不止一个漏孔，当多个漏孔都产生泄漏导致介质流失时，由于每个漏孔的泄漏率占总泄漏率的百分比未知，此时泄漏率就无法与声发射信号相对应，无法根据单孔内漏的情况进行分析,所以有必要对多孔内漏情况下的安全阀内漏声发射信号进行探究。对此，本试验设计了一个双漏孔结构，两个漏孔类型尺寸均为0.15 mm×0.5 mm的方形开槽漏孔。同时，用一个0.15 mm×0.5 mm方形开槽单漏孔结构作为对比，分析漏孔数量对于声发射信号ASL值的影响,如图12,13所示(图中Q为安全阀内漏泄漏率)。

图12 ASL随单漏孔和双漏孔泄漏率的变化曲线

图13 ASL随单漏孔泄漏率和双漏孔一半泄漏率的 变化曲线

由图12,13可以看出，在相同ASL值条件下，双漏孔的泄漏率近似等于单漏孔泄漏率的2倍。而双漏孔结构中每个漏孔尺寸完全相同，每个漏孔的泄漏率相同，则双漏孔结构每个漏孔的泄漏率与单漏孔的泄漏率一样。说明对于多孔泄漏的情况，声发射信号的ASL值与单个漏孔的信号ASL值有关，并不会因为漏孔数量多而产生信号叠加的情况。综上可知，在安全阀多漏孔内漏情况下，声发射信号ASL值与单个漏孔的泄漏率有关，而与总泄漏率无关。

4 结论

针对石油天然气储运行业中的安全阀，基于理论分析和试验研究的方法，模拟了安全阀密封面划伤、密封面出现单个漏孔、密封面出现多个漏孔等内漏情况，并研究了这些情况下声发射信号的频谱特征，泄漏率对于声发射信号特征参数平均信号电平ASL的影响，以及泄漏率与平均信号电平之间的量化关系，得出如下结论。

(1)首次将声发射技术应用在安全阀的内漏检测中，利用声发射技术能够有效检测安全阀的内漏状态，为安全阀内漏检测提供了一种新的方法。

(2)安全阀内漏峰值频率范围为20～30 kHz。对于单个漏孔内漏情况，峰值频率在20 kHz附近；对于密封面划伤内漏情况，峰值频率在30 kHz附近。安全阀内漏峰值频率随孔径减小而增大，随入口压力增大而增大，但是影响很小,变化不明显。

(3)安全阀单个漏孔内漏情况，在同一漏孔的条件下，泄漏越大越容易被检测到，在相同泄漏率的条件下，小漏孔的泄漏更容易被检测到。可根据公式ASL=blgQ+d对泄漏率Q和平均信号电平ASL进行拟合;通过测量内漏声发射信号平均信号电平ASL值即可估算安全阀内漏泄漏率,确认了后期在线监测安全阀内漏、估算泄漏率的可行性。

(4)安全阀多漏孔内漏情况下，声发射信号的ASL值与单个漏孔泄漏率有关，与总泄漏率无关，并不会产生各漏孔声发射信号叠加的情况。