基于声发射技术的气体阀门内漏诊断

邹　兵，贾招弟，李　伟

(1.中国石化安全工程研究院， 青岛 266071;2.东北石油大学， 大庆 163318)



基于声发射技术的气体阀门内漏诊断

邹兵1，贾招弟2，李伟2

(1.中国石化安全工程研究院， 青岛 266071;2.东北石油大学， 大庆 163318)

针对石化企业阀门内漏在线诊断中存在的问题，建立了预置缺陷闸阀内漏模拟试验平台，应用声发射检测技术，结合Fluent软件对泄漏状态下流场的模拟，探讨了气体阀门内漏过程中声发射特征参数分布规律。利用小波分析技术，研究了内漏声发射信号频率分布规律。结果表明：随着压差的增大，阀门泄漏率增大，声发射信号特征参数(能量、幅值、平均信号电平等)也随之呈规律性变化，且阀门缺陷尺寸越大，变化趋势越明显。对均方根-泄漏率关系曲线进行最小二乘法拟合，提出阀门内漏定量诊断公式。

气体；阀门；声发射技术；内漏

在石化企业运行装置中，阀门总是处于各关节部位，主要起着控制装置、管路的启闭，改变介质流向的作用。经过长时间的工作，由于介质的冲刷和腐蚀，阀门经常出现不同程度的泄漏。阀体泄漏、阀杆泄漏、填料泄漏和阀体连接部位的泄漏主要为阀门外漏。在国外，一些国家已经针对阀门外漏实施了多种较成熟的检测手段，其中泄漏检测与维修(Leak Detection and Repair，LDAR)计划是美国环保局推行，主要针对逸散性泄漏的检测方法。在我国也将此技术应用于苯、硫化氢、挥发性有机化合物等的泄漏检测中[1-3]。阀门内漏主要是启闭件与阀座两密封面间接触处的泄漏，这种泄漏直接影响阀门截断介质的能力。LEE等[4]利用声发射技术对阀门泄漏进行了试验，提出信号幅值与泄漏率的关系可以用于阀门泄漏的定量研究；KAEWWAEWNOI等[5-6]针对介质为气体、液体的阀门分别研究了泄漏率与声发射信号特征参数之间的关系，提出了内漏诊断关系式，并研发了一套声发射内漏检测系统，提出了一种基于微控制和声发射技术理论模型的低成本声发射检测仪，来预测阀门泄漏率。而国内对气体内漏的检测方法只限于试验研究阶段[7-9]。目前国内的阀门维修手段，主要是停机、大面积的拆卸、维修和更换，这种方法缺乏针对性，又需要大量的人力物力。然而据统计，有50%以上的阀门不需要拆卸解体，拆卸解体会造成劳动力的浪费以及停工的损失，更有可能在拆修过程中由于各种原因造成一些人为的破坏。笔者建立了预置缺陷闸阀内漏模拟试验平台,应用声发射检测技术,探讨了内漏过程中声发射特征参数分布规律。

1　阀门内漏声发射检测试验

声发射动态无损检测技术正逐步成为阀门泄漏检测的重要方法，可以根据需要实现对阀门的实时监测，及时地发现阀门是否泄漏，为阀门提供预知性维修手段[10]，延长无泄漏阀门的检测周期，减少阀门拆卸带来的污染，还能减少由于拆卸给阀门带来的损坏。阀门内漏声发射检测技术具有简便快捷，对阀门完整性要求低，检测距离接近程度不高，成本低，污染少等特点[11-12]。通过对预置缺陷闸阀进行声发射泄漏检测试验，提取声发射信号特征，建立特征参数与阀门泄漏率之间的关系，为阀门泄漏诊断提供了有效依据。

笔者通过模拟不同密封面缺陷大小的闸阀声发射检测试验，采集泄漏时声发射信号，测量泄漏量;再利用对声发射信号特征参数的提取与分析，建立泄漏量与信号参数的关系;采用小波分析技术，识别泄漏信号。

1.1试验设计

预置缺陷：采用三个Z40W-150LB型号闸阀，在闸板密封面底部两侧均加工了贯穿式缺陷，如图1所示。表1为各缺陷阀门类型。

图1　闸板缺陷预处理示例

阀门编号尺寸(宽×高)/mm阀门规格1#0.6×0.6Z40W-150LB,DN802#1.0×1.0Z40W-150LB,DN803#1.4×1.4Z40W-150LB,DN80

1.2流场分析

利用声发射检测方法对阀门泄漏进行检测，基本原理是通过分析泄漏过程中流体的喷流噪声来判断是否泄漏，并根据声信号的特点对泄漏孔进行分析。

Workbench是ANSYS公司提出的仿真协同环境，通过对产品研发流程中仿真环境的开发与实施，搭建一个具有自主知识产权的、集成多学科异构CAE(计算机辅助工程)技术的仿真系统。其以产品数据管理(PDM)为核心，组建一个基于网络的产品研制虚拟仿真团队，基于产品数字虚拟样机，实现产品研制并行仿真和异地仿真。

模拟所用的软件为Ansys Workbench模块。Ansys Workbench模块中包含的Fluent部分可以对流体的流动情况进行数值模拟，通过分析流体的速度场及压力场得到阀门泄漏的相关信息。通过Workbench中自带的DM建模软件对DN80闸阀进行模型建模，预置缺陷1 mm，再对整个模型进行网格的划分，通过对阀门开口处网格划分加密，以便对气体通过阀门的流动情况进行更准确的模拟，如图2所示。设置上游压力为0.5 MPa，下游为大气压力。

图2　阀门模拟网格划分及网格加密处细节模拟

图3　阀门泄漏压力场模拟

图4　泄漏速度场模拟

从图3所示压力云图中可以看出,在流体通过泄漏孔隙时，压力逐渐减小，压力梯度有明显变化。图4为速度云图，表示流体在阀门中的速度大小分布情况;由图可见，通过两次节流点，泄漏速度均明显增大，内壁面的速度明显偏高，而且在下游处流体的流动形成了部分漩涡。经过总体分析，选定阀门下游靠近闸板处作为传感器黏贴位置，适合声发射信号的采集，但为了更好地控制变量，各个阀门传感器黏贴位置应保证相同。

2　试验过程及结果

2.1试验装置

试验装置主要有空气压缩机、3 m3缓冲罐、阻断球阀、待测闸阀、流量计等。采集系统主要包括北京声华科技公司的2通道SAEU2S板卡，40 dB前置放大器，SR150M传感器等。试验模拟装置系统示意如图5所示。

图5　声发射试验模拟装置系统示意

试验时,压缩空气进入缓冲罐，待气流稳定，压力保持不变后再打开阻断球阀，气体通过待测阀门预置泄漏孔隙流出。当气体通过泄漏孔隙时，气流的复杂喷流撞击在管壁时会使管壁上产生局部的应力集中，应变能逐渐累积到一定程度后，以弹性波的形式释放并在管壁传播，而引起振动信号的强度增大;振动信号在声发射传感器的探测范围内被传感器探测到，传感器将探测到的机械振动转换为电信号，通过放大器放大，滤波器信号处理后，再利用A/D转换器转换为数字信号送到计算机内进行信号的采集、保存和处理。

试验前，用断铅的方法对传感器进行标定，确定设备连接无误且传感器接收信号正常后，采集周围环境噪声，根据结果设定门槛值及其他参数值，声发射采集仪参数为:门槛值35 dB;采样频率1 000 kHz;闭锁时间1 000 ms;峰值间隔30 ms;采集参数为幅值、能量、ASL(平均信号电平)、RMS(均方根)等。

2.2试验内容

关紧阻断球阀，向缓冲罐内充气加压至0.7 MPa，静置3 min，使气体稳定，待测阀门下游放空；打开阻断球阀，待流量计示数稳定，读取示数，记录压力值，采集声发射信号，持续15 s，关闭球阀；对缓冲罐放气，降压至0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1 MPa。分别重复上述试验，记录各工况流量计示数，采集声发射信号。

2.3试验结果与分析

小波对信号的分解是简单的频谱分析技术，可以将声发射信号按频率逐层分解，对泄漏信号的识别与噪声信号的剔除有重要作用。将缺陷尺寸为1.0 mm×1.0 mm的2#阀门在压差为0.5 MPa工况下的声发射信号分解，采用db10小波基将采集到的阀门内漏声发射信号进行5层小波分解，得到图6所示信号。可知较强信号主要分布在d4，可以判断泄漏信号频率主要分布在62.5125 kHz范围，而在d1、d2中有较多复杂的微弱信号，这些为采集过程中产生的干扰噪声信号。可见,应用小波分析方法可以初步对泄漏情况进行判断。

图6　2#阀门声发射信号小波分解

在压差变化的情况下，研究不同泄漏孔隙阀门的泄漏情况，并对数据进行线性拟合，得到曲线如图7所示，阀门的泄漏率(流量)随压力的变化呈线性趋势增长，并且随着泄漏尺寸的增大，泄漏率增长幅度也随之增大。能量是阀门泄漏判定的一个重要参数，如图8所示，泄漏能量随压力的增大而增大，且泄漏孔尺寸越大，能量的增长越快，但并不随尺寸均匀增长。

图7　不同泄漏孔隙阀门压力-泄漏率曲线

图8　不同泄漏孔隙阀门压力-能量曲线

针对单个阀门泄漏模拟试验，以2#阀门为例，对相同孔隙阀门，随着压力的增大，泄漏源的声发射信号幅值、平均信号电平(ASL)、均方根(RMS)也随之增大。整理得到如图9所示曲线。按公式

对RMS值-泄漏率进行三次多项式拟合，得到图10所示曲线，其中系数值如表2所示。

图9　2#阀门压力-声发射特征参数曲线

图10　2#阀门泄漏率-RMS拟合

参数CB1B2B3值-0.46-4.03X10-50.01-1.39X10-4标准差1.370.180.018.35X10-5

3　结论

(1) 贯穿式缺陷的声发射源信号频率主要分布在62.5125 kHz范围内，采用小波分析技术可以对阀门泄漏状态进行初步判断。

(2) 阀门泄漏率随压差的变化呈正比例变化，且泄漏孔越大，变化趋势越明显;声发射信号能量值随着压力的升高而增大，变化趋势也与泄漏孔大小有关。

(3) 同一泄漏孔隙阀门，随着阀门压差增大，因泄漏源激发的声发射信号幅值、ASL、RMS也随之增大，且RMS与泄漏率呈多次方关系。

(4) 通过模拟试验可以看出，声发射特征参数如能量、幅值、ASL、RMS等均能很好反应阀门的泄漏状态。

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Internal Leakage Diagnosis for Gas Valve Based on AE Technique

ZOU Bing1, JIA Zhao-di2, LI Wei2

(1.SINOPEC Safety Engineering Institute, Qingdao 266071, China;2.Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

Aiming at on-line diagnosis problem about valve leakage in petrochemical enterprises, a simulation test platform of preset defect gates valve leakage is established. By the application of acoustic emission (AE) technology testing means combined with Fluent software simulation of flow field under leakage state, the distribution of AE characteristic parameters are studied in the process of internal leakage. Results show that as the pressure increases, the leakage rate in valve will increase, and the AE signal characteristic parameters (including energy, amplitude, ASL, RMS, etc) will also change regularly. The larger the size of the defect is, the more obvious the change trend shall be. RMS-leakage rate curve is fitting with least squares, and the formula is put forward on quantitative diagnosis for valve leakage.

Gas; Valve; AE technique; Internal leakage

2015-07-21

邹兵(1961-),男,本科,教授级高级工程师,主要从事石化企业安全管理、泄漏检测与修复相关工作。

10.11973/wsjc201603014

TG115.28

A

1000-6656(2016)03-0056-04