天然气管道阀门内漏声场特征研究

工业泵网  国内对自然气需求不断增长促进了自然气管道行业的快速发展。按照相关规划，到2015年，中国自然气管道总长将达到6万km。自然气管道中，球阀是其重要组成部门，自然气管道上的球阀要求具有很好的密封性，不能存在内漏。因此如何了解自然气管道阀门内漏特征并开发出相应的内漏检测技术，实时、快速、精确检测球阀是否发生内漏，最大程度地减少泄漏，避免诱发重大安全事故的发生，将对自然气管道安全、经济运行具有重要意义。

国外从20世纪80年代起就开展了阀门内漏声场特征研究，阀门内漏检测比较难题，但是声发射检测技术作为一种新型的无损检测技术被证实是一种有效的检测手段。目前海内在阀门内漏声场特性研究方面刚刚起步，值得一提的是我国学者在阀门内漏实验和仿真研究方面也取得了一定的成果，戴光等以闸阀为研究对象，以水为实验介质，对闸阀内漏过程进行了理论分析和实验研究。张颖等以Lighthill气动力声学方程作为控制方程，采用有限差分法，对不同内漏程度和压力差下球阀气体内漏喷流声场进行数值模拟，因为声发射检测技术具有检测过程便捷、检测范围广、检测精度高等长处，因此更合用于自然气管道阀门的内漏检测。

笔者分别以自然气管道中常用的球阀和截止阀为研究对象，运用声发射理论和信号分析与处理方法探讨不同阀门类型和泄漏率等工况下阀门内漏声音在频域范围内和时域范围内声场特征，针对阀门发生内漏时其声场特征比较复杂，影响声发射信号的分析与处理等难点题目。采取小波包分析方法对声发射信号进行降噪处理，表征真实管道阀门内漏声场特征参数，为自然气输送行业管道阀门内漏检测和自然气管道泄漏检测提供理论和技术支持。

1球阀内漏声发射检测基本理论

声发射现象是指材料中局部区域应力集中，快速开释并产生瞬态弹性波的现象（AcousticEmission，简称AE）。声发射信号携带着属性变性、裂纹扩展和断裂等信息传播到物体表面，通过安装在物体表面的声发射检测仪拾取声发射信号，就可以对材料应力特征进行分析。自然气管道阀门内漏过程中产生的声信号严格意义上说不是声发射现象，阀门在泄漏过程中不会产生能量，而是作为声发射信号传播的媒介。然而阀门在内漏过程中因为上下压差的影响在泄漏口处，泄漏气体会产生涡流现象，涡流不仅会扰动气体活动而且会产生不同频率范围的应力波，该应力波携带着泄漏信息传播到阀门表面。因此阀门内漏可以称之为非严格意义上的声发射现象。

球阀泄漏产生的声发射信号在时域上呈现出一种连续变化的类型，且伴随大量的环境干扰噪声，可以表征球阀内漏特征的声发射信号经常被沉没在大量的干扰噪声当中。为了从检测信号中提取可以表征球阀内漏特征的信息，小波包变换作为有效的信号处理方法已经广泛应用于平稳信号和非平稳信号分析和处理中。小波变换采用二进变换的方法对每一层分解后的高频段进行再分解，弥补了小波变换中高频段局部性分解差的局限。因为管道泄漏声发射信号为一宽频信号，因此采用小波包变换能够更正确的提取泄漏源信息。

小波包变换定义为：设｛hn｝n∈z是正交标准函数μ0（t）＝Φ（t）对应的正交低通实系数滤波器，｛gn｝n∈z是正交小波函数μ1（t）＝φ（t）对应的高通滤波器，其中gn＝（-1）nh1-n，则他们知足以下二标准方程和小波方程：

通过μ0、μ1、h、g在固定尺度下可定义一组称为小波包的函数。为推广二尺度方程，定义下列递推关系：

式中：当n＝0时，μ0（t）＝Φ（t），μ1（t）＝φ（t）。以上定义的函数集合｛μn（t）｝m∈z为由μ0（t）＝Φ（t）所确定的小波包，由此，小波包｛μn（t）｝n∈z是包括尺度函数μ0（t）和小波母函数μ1（t）在内的一个具有一定联系的函数集合。

声发射传感器检测信号x（t）在子空间Unj+1上的投影（小波包）系数可以表示为：

记x（t）在子空间U2nj和U2n+1j上的投影（小波包）系数分别为d2nj和d2n+1j，则可得：

小波包分解公式为：

 小波包重构公式为：

阀门内漏过程中产生的声发射信号在时域范围内呈现出一种连续变化的类型，为了在时域范围内了解不同泄漏率下声场特征，可以采用声发射信号均方根（AERMS）作为评价标准，例如一个声发射信号含有N个样本，x［0］，x［1］，…，x［n-1］均方根的方程如下：

同时通过频域范围内的声发射信号参数测量也可以表征球阀内漏特征，例如功率谱密度（PSD）、频率峰值、主频率的相位值以及能量所集中的主要部分功率谱密度是指声发射信号功率在频谱图上的分布情况，功率谱密度（PSD）可以由下式获得：

式中，P［k］是功率谱密度，X［k］是一个声发射信号的离散傅里叶变换，x［n］和T是样本和周期。在以前的研究中得出球阀内漏信号的声功率直接近似等于泄漏信号的平均能量，这个关系可以简单的定义为：

声功率的指数与内漏率的指数成线性关系，即：

设置带通滤波带通频率为12.5～75kHz，重复以上实验过程，并提取不同泄漏率下声发射信号值，球阀和截止阀内漏声发射检测实验结果如图6所示。通过实验结果可以看出：内漏过程产生的喷流与阀壁相互作用而产生高频应力波，该应力波强度随气体泄漏率增加而增大，但是因为球阀和截止阀的内部结构不同，声发射信号从泄漏源传播到球阀外壁检测传感器探头过程中传播路径和间隔不同，信号的衰减程度也不同，因此在统一泄漏率处两者的AERMS有所不同。将球阀和截止阀不同泄漏率下检测声发射信号AERMS值带入到等式（9），计算求得阀门内漏率声发射信号AERMS和体积泄漏率（Q）的双对数关系曲线longAERMS＝blogQ+c，利用Matlab对二者进行拟合（见图7），求得球阀和截止阀泄漏过程中双对数系数为b＝0.3443、c＝0.916和b＝0.3713、c＝1.293。从图7可以看出，2种结构形式的阀门在内漏过程中声发射信号随泄漏率变化规律基本保持一致，其双对数曲线斜率基本一致，因为2种阀门结构不同，声发射信号在传播过程中衰减程度不同，导致在统一泄漏率下对数值不同。

5结论

利用声发射检测技术对阀门气体体积泄漏率检测分析表明，阀门内漏过程中产生的声发射信号为一宽频范围，球阀和截止阀在密封圈划伤宽度0.5mm、深度0.5mm时，其主要能量分布的频率范围为12.5～75kHz；泄漏过程中气体泄漏产生的声发射信号均方根（AERMS）与气体泄漏率有关，且随泄漏率增大而增大；通过实验研究确定DN50球阀和截止阀密封圈处发生内漏时，声发射信号值与内漏率的双对数关系logAERMS=blogQ+c中系数分别为：b＝0.3443、c＝0.916和b＝0.3713、c＝1.293，因此可以采用声发射技术对阀门内漏进行无损检测。

在分析阀门内漏过程中气体体积泄漏率与声发射信号特征参数均方根（AERMS）函数关系时，选取了有代表性的球阀和截止阀作为研究对象，因为不同种类阀门结构不同，在一定程度上不能完全分析出其对应关系，故在以后的工作中选取更多的阀门如闸阀、针阀等作为研究对象，以便使分析结果更为正确。