声发射技术在管道泄漏监测中的应用研究
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作者:吴铮
摘 要：本文主要研究声发射检测在螺栓法兰接头（BFJ）连接的管路系统及监测阀门泄漏监测中的应用，研究模拟不同工况下（泄漏量、阀门内漏）声发射泄漏信号的特性参数的规律，以便更好地指导该技术在日常检验、监测中的应用。通过在搭建的试验平台上进行的一系列试验可以得出通过监测声发射幅值、平均信号电平（ASL）、有效值电压（RMS）等数值的规律能比较灵敏地应用于监测BFJ连接系统泄漏和阀门的内漏中。
关键词：声发射 管道;阀门 泄漏
中图分类号：TP274.5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）03（b）-0033-03
Abstract： This paper mainly studies the application of acoustic emission detection in pipeline system connected by bolted-flange-joint（BFJ）and monitoring valve leakage monitoring， and studies the rule of characteristic parameters of acoustic emission leakage signal under different working conditions （leakage rate ， valve leakage）， so as to better guide the application of this technology in daily inspection and monitoring.Through a series of tests conducted on the built test platform， it can be concluded that BFJ connection system leakage and internal leakage of valve can be detected sensitively by monitoring the law of acoustic emission amplitude， average signal level （ASL）， RMS and so on.
Key Words： Acoustic emission; The pipe; The valve; Leakage
管道泄漏的起因主要由閥门的泄漏、BFJ连接系统和焊缝处制造缺陷引起。这三部分组成的管道广泛应用于石化行业的厂内压力容器和工艺管道的连接中，管道的泄漏导致的事故时有发生，特别是近年来引起了使用单位特别是相关监管部门的高度重视，并逐渐推广对未经投用前检验的管道进行定期检验，通过现有的检验技术针对管道开展的常规检验项目主要有宏观检验、壁厚检测、探伤抽查和耐压试验等，这些检测手段能有效地检测出母材和焊缝的制造缺陷，但是BFJ连接系统和阀门在运行时受到操作温度、介质压力和管路自重产生的附加弯矩、轴向力等载荷作用下，易发生泄漏事故。通过管道定检的常规检验不能有效地检测、监测，造成漏检的风险，降低了检验工作的可靠性。目前针对管道泄漏有效的检测手段有直接检漏和间接检漏两种方式[1]。而声发射在管道直接检漏的应用还比较少，现在还处在实验室阶段。需要通过大量的试验来验证该检测方法的有效性，因此本实验室搭建了一个模拟不同工况的实验平台来对声发射在管道不同部位中的监测应用进行研究，以便更好地指导该技术在日常检验、监测中的应用。
1 管道泄漏监测的发展现状
1.1 管道泄漏监测的主要方法
管道系统泄漏监测的方法主要分为硬件和软件两种方法和技术[2]。基于硬件的方法有声发射检测——通过贴在管道外壁上的传感器采集到的实时数据直接监测泄漏点。也有现场的气体探测器直接检测泄漏到外面的气体等方法;软件法主要是通过上述硬件技术采集管道内介质的压力、温度、流量等相关参数的变化。有基于物质平衡的检测方法，基于模型的检测方法和基于信号处理的等方法[4]。通过数学建模对管道数据的并结合管道内介质的流动状态实现对泄漏的检测及定位。其中基于软件的管道检漏方法是通过与其对应的硬件技术相结合共同实现的。
1.2 管道泄漏监测及研究现状
现在国内大部分的石化工厂对管道的泄漏监测主要停留在现场的巡检和定期检修阶段，没有很好地推广应用实时监测的检验方法。管理比较好的企业会在现场配备一定数量的气体检测仪器，但都是停留在被动检测。不能很好地对关键部位管道的泄漏缺陷进行提前预防和监测。管道的在线监测已逐渐成为研究的热点。李振林等基于阀门气体体积泄漏率与声发射信号均方根定量关系的声发射技术对阀门泄漏率的误差可以控制在10%以内[5];张鹏林等通过互相关分析法对泄漏管道进行了定位[6];王永涛等利用DSP技术进行谱分析，并将泄漏谱在频域相减，实现了弱小泄漏的有效检测。然而声发射在管道的检测中的应用难点——对于大流量的管道，背景噪音会把泄漏的声发射信号淹没;声发射技术在管道泄漏技术的检测泄漏的准确性和定位精度与其他技术相比还具有一定的误差。因此，如何基于声发射技术对管道进行泄漏监测的应用需要进一步的试验研究。
2 管道泄漏的声发射监测原理及试验平台的搭建 管道的泄漏主要由阀门和BFJ连接系统的泄漏引起的。介质在泄漏过程中伴随着与管道壁的摩擦冲击，产生的弹性波沿着壁面传播到声发射传感器使得其产生表面位移，这些传感器将壁面的机械振动转换为电信号，然后被放大、处理和记录。根据不同传感器接收到信号的时间差及接收到信号的能量大小，可以定性以及定量出泄漏的位置。试验室为研究管道BFJ连接系统和阀门的泄漏特搭建了一个检测平台（见图1），来采集泄漏信号进行分析。
3 试验方案
3.1 声发射检测参数
检测仪器：SAMOS PCI-8 48通道声发射检查系统;传感器信号：R3I-AST;检测频率：20～100kHz;增益：40dB;门槛电平：40dB;检测参考标准：GB/T 33643-2017《无损检测 声发射泄漏检测方法》[6]。
3.2 传感器的布置
对于BFJ连接系统和阀门的内泄漏工况，传感器布置在连接系统法兰和储罐底部的排放阀门的外表面，采用单传感器如图1所示。
3.3 试验步骤
（1）将设备内通入氮气/压缩空气静置，关闭设备与其相连的阀门。
（2）如图1布置传感器，对通道进行模拟源声发射幅度值灵敏度校准，灵敏度不低于85dB。
（3）背景噪声测试，设置门槛值。
（4）运行声发射检测仪，检测时通过人为的拧动螺母和控制阀门的开合度大小，来模拟BFJ连接系统、阀门的不同泄漏量，记录声发射信号，检测结束后，再次按2）进行通道灵敏度校准。
（5）检测结束后，提取出有用的参数进行分析，观察泄漏信号的特征和规律。
4 管道泄漏的信号分析
4.1 BFJ连接系统的检测信号分析
采用声发射单通道ASL、RMS采集模式，通过力矩扳手松动BFJ连接系统中的单个螺母来模拟系统的泄漏，通过声发射幅值-时间，ASL-时间的数据采集如图2，从数据表1可以得出信号的大小随着螺母的开合度增大而增大，幅值、RMS、ASL值和能量值也随着泄漏的增加而增大。
4.2 阀门泄漏在线检测信号分析
采用声发射单通道ASL、RMS采集模式，针对阀门内漏的模拟信号采集声发射幅值-时间，ASL-时间的数据采集如图3，等数据稳定后，通过2组控制阀门开合度大小模拟阀门内漏的试验和数据表2的规律可得随着阀门开度的减小，阀门内漏信号的幅值、RMS、ASL和能量逐渐降低。
5 结语
（1）在压力不变的情况下，通过调整BFJ连接系统中个别螺母的松紧来模拟系统的泄漏，通过对单通道声发射信号的监测，信号的幅值和ASL等数据随泄漏率程规律变化，可作为泄漏监测的依据。
（2）在压力不变的情况下，通过控制阀门的开合度大小来模拟泄漏，随着模拟泄漏率从大到小观察其声发射信号的规律可知信号的幅度和ASL值也由大变小，呈一定规律，可以很好地运用在阀门内漏的监测中。
（3）试验难点：对微小泄漏的声发射强度极其微弱，检验现场的背景噪音可能将泄漏的信号淹没，需要使用两个传感器，一个检测泄漏信号，另一个检测背景噪声并将其过滤，同时在数据采集时要对采集的数据进行滤波设置，以滤除泄漏信号频谱以外的叠加信号[3];连续泄漏的定位精度不高，需要后期进一步的试验研究。
参考文献
[1] 孔德连，霍臻，杨元庆，等.声发射技术在阀门泄漏在线监测方面的应用[A].中国第十五届声发射学术研讨会[C].2016.
[2] 丁輝，王立，张贝克，等.现代管道泄漏检测技术[J].现代科学仪器，2005（6）：11-15.
[3] 王永涛，韩建，牟海维，等.基于声谱分析的阀门内泄漏检测系统[J].大庆石油学院学报，2006（3）：72-73.
[4] 刘恩斌，彭善碧，李长俊.现代管道泄漏检测技术探讨[J].管道技术与设备，2004（5）：17-19.
[5] 李振林.基于声发射理论的阀门气体内漏量化检测研究[J].振动与冲击，2013，32（15）：77-81.
[6] 张鹏林，王汝姣，姜宜成，等.基于声发射技术的管道泄漏检测研究[J].甘肃科学学报，2017，29（3）：86-91.
[7] GB/T 33643-2017，无损检测 声发射泄漏检测方法[S].
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