聲發(fā)射檢測技術(shù)在管道泄漏信號識別中的應(yīng)用

1、第7卷第8期2007年4月167121819(2007)0821596206科學(xué)技術(shù)與工程ScieTechnologyandEngineeringVol17No18Apr120072007Sci1Tech1Engng.石油技術(shù)聲發(fā)射檢測技術(shù)在管道泄漏信號梁偉(,102249)摘要。從聲發(fā)射技術(shù)的基本理論入手,分析了聲發(fā)射技術(shù)的特點(diǎn)及檢測原理,然后進(jìn)一步將聲發(fā)射檢測技術(shù)應(yīng)用于輸油管道的泄漏檢測,并建立了兩種泄漏定位模型。對整個(gè)檢測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并進(jìn)行了管道泄漏聲發(fā)射實(shí)驗(yàn),對管道泄漏聲發(fā)射信號的特征進(jìn)行了分析和提取,為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究及現(xiàn)場應(yīng)用打下基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞管道泄漏檢測聲發(fā)射漏點(diǎn)定位中圖法分類

2、號TE88;文獻(xiàn)標(biāo)識碼A管道泄漏事故頻頻發(fā)生,不僅造成經(jīng)濟(jì)上的巨大損失,而且嚴(yán)重污染環(huán)境、影響生態(tài)平衡。因此,如何能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)事故,并精確定位出泄漏發(fā)生的地點(diǎn)是管道泄漏監(jiān)測面臨的主要問題。研究管道泄漏無損檢測方法及新技術(shù),具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。隨著管道工業(yè)的發(fā)展,泄漏檢測技術(shù)也得到了發(fā)展。目前已有的檢漏方法,從最簡單的人工分段沿管道巡視,發(fā)展到較為復(fù)雜的計(jì)算機(jī)軟硬件結(jié)合的方法。從陸上檢測發(fā)展到海底檢測,甚至利用飛機(jī)、衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行全天候檢測。本文分析了聲發(fā)射檢測技術(shù)對管道泄漏進(jìn)行檢測的優(yōu)勢及存在的問題。建立了聲發(fā)射管道泄漏檢測模型;分析比較了各種聲發(fā)射管道泄漏源定位方法,建立

3、了兩種聲發(fā)射管道泄漏源定位模型。并應(yīng)用特征參量分析法、時(shí)域波形分析法和頻譜特征分析法等多種方法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,驗(yàn)證了該方法對管道泄漏信號識別的可行性與正確性。2006年11月5日收到中國石油天然氣集團(tuán)公司創(chuàng)新基金;教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目;教育部霍英東青年教師教育基金項(xiàng)目(編號91051)資助第一作者簡介:梁偉,男(1978),博士,講師,研究方向:油氣安全監(jiān)測與智能診斷。1聲發(fā)射檢測技術(shù)基本理論及方法1.1聲發(fā)射產(chǎn)生機(jī)理及檢測原理當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用時(shí),由于其微觀結(jié)構(gòu)的不均勻,內(nèi)部缺陷的存在,導(dǎo)致了局部應(yīng)力集中,造成不穩(wěn)定的應(yīng)力分布。當(dāng)這種不穩(wěn)定應(yīng)力分布狀態(tài)下的應(yīng)變能

4、積累到一定程度時(shí),不穩(wěn)定的高能狀態(tài)一定要向穩(wěn)定的低能狀態(tài)過渡,這種過渡是以塑性變形、快速相變、裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展直至斷裂等形式來完成的。在此過程中,應(yīng)變能被釋放,其中一部分是以應(yīng)力波的形式快速釋放出來的彈性能,這種以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象叫做聲發(fā)射1。2聲發(fā)射檢測是一種動態(tài)無損檢測方法,即:使構(gòu)件或材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷或潛在缺陷處于運(yùn)動變化的過程中進(jìn)行無損檢測。裂紋等缺陷在檢測中主動參與了檢測過程。如果裂紋等缺陷處于精致狀態(tài),沒有變化和擴(kuò)展,就沒有聲發(fā)射發(fā)生,也就不能實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射檢測。聲發(fā)射檢測的這一特點(diǎn)使其區(qū)別于超聲、X射線、渦流等其他無損檢測方法。1.2聲發(fā)射檢測的參數(shù)分析法根據(jù)聲發(fā)射信

5、號的特點(diǎn),可以把聲發(fā)射信號分為突發(fā)型和連續(xù)型兩種。若以突發(fā)型標(biāo)準(zhǔn)聲發(fā)射信號8期梁偉,等:聲發(fā)射檢測技術(shù)在管道泄漏信號識別中的應(yīng)用1597為模型來定義聲發(fā)射的特征參數(shù),可得到波擊(事件)計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)、能量、幅度、持續(xù)時(shí)間和上升時(shí)間等參數(shù)。若以連續(xù)型聲發(fā)射信號,可得出振鈴計(jì)數(shù)、能量參數(shù)、平均信號電平和有效值電壓兩個(gè)參數(shù)。3是,它們可以用應(yīng)力波來描述材料結(jié)構(gòu)上的某種狀況,所以可認(rèn)為這也是一種廣義上的聲發(fā)射現(xiàn)象。2.1管道泄漏的聲發(fā)射檢測模型建立2管道泄漏聲發(fā)射檢測技術(shù)及檢測模型建立在聲發(fā)射技術(shù)的各種應(yīng)用中,泄漏檢測是一個(gè)4相當(dāng)重要的應(yīng)用研究方向征是在泄漏處形成多相湍射流,流體的正常流動發(fā)生紊亂,在

6、管壁上形成應(yīng)力波有效途徑,。從嚴(yán)格定義上講,泄漏達(dá)及閥的應(yīng)力波,不是聲發(fā)射現(xiàn)象;因?yàn)樵诖诉^程中,管壁只是波導(dǎo),本身并不釋放能量。但壓力管道泄漏所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號是廣義的聲發(fā)射現(xiàn)象,管壁本身不釋放能量,而只是作為一種傳播介質(zhì)。泄漏過程中,這一射,而且與管道及,在管壁上產(chǎn)生高該應(yīng)力波攜帶著泄漏點(diǎn)信息(泄漏孔形狀和大小等)沿管壁向兩側(cè)傳播,用聲發(fā)射傳感器拾取這種聲發(fā)射信號,并對其進(jìn)行采集和分析處理,就可以對泄漏及其位置進(jìn)行判斷。根據(jù)聲發(fā)射管道泄漏檢測原理,設(shè)計(jì)了管道泄漏聲發(fā)射檢測模型,如圖1所示。1、2預(yù)放大器,3聲發(fā)射儀,4管道,P1、P2壓力傳感器,Q管道泄漏點(diǎn)圖1聲發(fā)射管道泄漏的檢測模型示意圖

7、2.2管道泄漏聲發(fā)射檢測的源定位模型建立到的泄漏聲發(fā)射信號,分析得到對泄漏源的描述,其主要內(nèi)容是泄漏的位置、性質(zhì)和泄漏的嚴(yán)重性程度。2.2.1單模式波雙傳感器管道泄漏源定位模型所有無損檢測方法的共同目的都是為了發(fā)現(xiàn)缺5陷,而管道泄漏聲發(fā)射檢測的目的就是要利用接收圖2單模式波雙傳感器源定位模型1598科學(xué)技術(shù)與工程7卷選定單一模式的波以不變的波速V由泄漏點(diǎn)向管道兩側(cè)傳播,到達(dá)1號傳感器的時(shí)間為t1,到達(dá)2號傳感器的時(shí)間為t2,則信號到達(dá)兩個(gè)傳感器之間的時(shí)差t=t2-t1,已知兩傳感器間的距離為D,則聲發(fā)射源距1號傳感器的距離d可由下式求出:(1)d=D-22.2.2雙模式波單傳感器管道泄漏源定位

8、模型12-預(yù)放大器,3-聲發(fā)射儀,4-管道,P1P2-壓力傳感器,Q-管道泄漏點(diǎn)圖3雙模式波單傳感器源定位模型選定的兩種不同模式的波以不同的聲波v1和v2由泄漏點(diǎn)向管道兩側(cè)傳播,到達(dá)傳感器的時(shí)間分號,采集相應(yīng)的泄漏聲發(fā)射信號。分析比較這些數(shù)據(jù)得出泄漏聲發(fā)射信號隨泄漏孔大小的變化關(guān)系。3.1實(shí)驗(yàn)管道設(shè)計(jì)管道泄漏聲發(fā)射檢測實(shí)驗(yàn)利用了實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的管道實(shí)驗(yàn)平臺,并做了適當(dāng)改造。如圖4所示,該試驗(yàn)平臺由泵、閥、水箱和金屬管道等構(gòu)件組成,泄漏閥組4至10分別由一組大小不同的泄漏閥組成,泄漏孔徑從1mm到10mm,模擬不同大小的管道泄漏。管道設(shè)計(jì)長度為1.30×104cm,管道直徑為7.62cm。

9、管道共盤旋四圈,每圈間隔距離60.0cm,到達(dá)出口離地面高度為202.0cm。沿管道共有19個(gè)曲率半徑為100.0cm的彎管。別為t1和t2,則信號到達(dá)兩個(gè)傳感器之間的時(shí)差t=t2-t1,則聲發(fā)射源距傳感器的距離d可由下式求出:vvt(2)d=v1-v23管道泄漏聲發(fā)射檢測實(shí)驗(yàn)研究在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的管道泄漏檢測系統(tǒng)上建立泄漏聲發(fā)射檢測系統(tǒng)。針對不同大小的泄漏孔,在距離泄漏孔相同距離處安裝傳感器采集泄漏聲發(fā)射信圖4管道泄漏實(shí)驗(yàn)平臺示意圖8期梁偉,等:聲發(fā)射檢測技術(shù)在管道泄漏信號識別中的應(yīng)用15993.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析3.2.1定性判斷泄漏的發(fā)生在距離泄漏位置3m的地方安裝傳感器,采集管道正常運(yùn)行時(shí)的

10、背景噪聲信號;打開泄漏閥門模擬管道泄漏,待信號穩(wěn)定后再采集一次信號,得到管道正常運(yùn)行和發(fā)生泄漏時(shí)的聲發(fā)射信號。圖5a是管道正常運(yùn)行時(shí)采集的噪聲信號,圖5b是在管道發(fā)生泄漏時(shí)采集到的泄漏聲發(fā)射信號。從兩幅時(shí)域圖上可以看出,沒有泄漏時(shí)的信號雜亂無章且相對平穩(wěn),象,并且呈現(xiàn)一定的周期性規(guī)律(a)無泄漏時(shí)聲發(fā)射信號及其頻譜(b)泄漏孔1mm時(shí)聲發(fā)射信號及其頻譜圖5a無泄漏時(shí)聲發(fā)射信號及其頻譜(c)泄漏孔2mm時(shí)聲發(fā)射信號及其頻譜圖5b泄漏孔1mm時(shí)聲發(fā)射信號及其頻譜3.2.2隨泄漏孔徑大小變化規(guī)律在距離泄漏位置3m的地方安裝傳感器,改變泄漏孔的大小,分別采集泄漏孔是1mm、2mm、3mm的泄漏信號,得

11、到不同大小泄漏孔的泄漏聲發(fā)射信號。(d)泄漏孔5mm時(shí)聲發(fā)射信號及其頻譜圖6無泄漏及不同泄漏孔徑下聲發(fā)射信號及其頻譜1600科學(xué)技術(shù)與工程7卷圖6是管道未發(fā)生泄漏和發(fā)生泄漏時(shí)不同泄漏孔徑對應(yīng)的聲發(fā)射信號及其頻譜圖,從頻譜圖上可以看到,泄漏信號的頻帶范圍是(0250)kHz,主要能量集中在(140160)kHz,并且在148kHz處有非常陡峭的尖峰。由圖6可以看出,不同泄漏孔徑下的泄漏所激發(fā)的聲發(fā)射信號的頻譜略有不同,當(dāng)泄漏孔的直徑比較小時(shí),泄漏所激發(fā)的聲發(fā)射信號頻帶范圍較寬,并且含有較多的高頻成分;隨著泄漏孔的直徑增大,泄漏聲發(fā)射的主要能量將逐漸集中在頻(140150)kHz的范圍內(nèi)。3.2.

12、3采用1mm,距離變化從0.8m到5,分別采集距離是0.8m、1m、3m、5m的泄漏信號,得到泄漏信號在傳播不同距離后的聲發(fā)射信號。圖7是管道泄漏孔為1mm時(shí)泄漏信號傳播到0.8m、1m、3m、5m時(shí)的聲發(fā)射信號及其頻(b)泄漏孔1mm傳播距離1m時(shí)的聲發(fā)射信號及其頻譜譜。從圖7中可以看出:隨著傳播距離的增大,泄漏所激發(fā)聲發(fā)射信號頻譜的幅值在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都呈衰減趨勢,并且隨著傳播距離的增大,泄漏聲發(fā)射信號中的高頻成分衰減的速度要比低頻成分衰減速度快。(c)泄漏孔1mm傳播距離3m時(shí)的聲發(fā)射信號及其頻譜(d)泄漏孔1mm傳播距離5m時(shí)的(a)泄漏孔1mm傳播距離0.8m時(shí)的聲發(fā)射信號及其頻譜聲

13、發(fā)射信號及其頻譜圖4-7不同傳播距離時(shí)的聲發(fā)射信號及其頻譜4結(jié)論本文設(shè)計(jì)了管道泄漏聲發(fā)射檢測系統(tǒng),并在實(shí)8期梁偉,等:聲發(fā)射檢測技術(shù)在管道泄漏信號識別中的應(yīng)用1601驗(yàn)室管道泄漏實(shí)驗(yàn)平臺上實(shí)施了管道泄漏聲發(fā)射檢測實(shí)驗(yàn),研究了泄漏聲發(fā)射信號的特征,及其頻譜隨泄漏孔徑、傳播距離變化的變化規(guī)律,通過對大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析總結(jié),得出以下結(jié)論:1)泄漏聲發(fā)射信號是一種連續(xù)型信號,頻帶范圍是(0250)kHz,主要能量集中在(140160)kHz,并且在148kHz處有陡峭的尖峰。2)當(dāng)泄漏孔的直徑比較小時(shí),泄漏所激發(fā)的聲發(fā)射信號頻帶范圍較寬,并且含有較多的高頻成分隨著泄漏孔的直徑增大,逐漸集中在低頻段(1

14、40150)。3)并且高頻成分衰減的速度比低頻成分衰減速度快。4)泄漏聲發(fā)射信號具有多模態(tài)特性,并且在管道內(nèi)傳播時(shí)存在頻散現(xiàn)象;因此,根據(jù)導(dǎo)波理論在提取單一模態(tài)導(dǎo)波基礎(chǔ)上進(jìn)行互相關(guān)時(shí)差計(jì)算,能夠有效地提高定位精度。參考文獻(xiàn)1LongR,VineK,LoweMJS,.oringacousticwavepropa2gationiniri.ReviewofProgressinQuantita212021209.:機(jī)械工業(yè)出版社,19933,董云朝.聲發(fā)射檢測中用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)剔噪的分.無損檢測,1999;21(9):3994014焦敬品,何存富,吳斌,等.管道聲發(fā)射泄漏檢測技術(shù)研究進(jìn)展.無損檢測,20

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16、ectronicEngineeingintheChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,P.R.China)AbstractAnewpipelineleakagedetectionschemeispresents,whichbasesonAcousticEmissionTechnique.Asaripenondestructivedetectiontechnique,acousticemissiontechniquehasbeensuccessfullyusedinmanyfields.Firstlythebasictheoryoftheacousticemissiontechniqueisintroduced.Andthefeaturesandthedetectionprinciplesofthetechnique