基于声发射技术的阀门泄漏在线检测系统
2016-11-22纪鹏飞
胡 新 纪鹏飞
(1.温州职业技术学院机械工程系,浙江 温州 325000；2.中国船舶重工集团公司第七一一研究所,上海 200090)
基于声发射技术的阀门泄漏在线检测系统
胡 新1纪鹏飞2
(1.温州职业技术学院机械工程系,浙江 温州 325000；2.中国船舶重工集团公司第七一一研究所,上海 200090)
设计了一种基于声发射技术的阀门泄漏在线检测系统。介绍声发射泄漏检测技术的基本理论和特点，分析阀门泄漏声发射信号的产生机理、信号特征和泄漏率与声发射信号特征参数的关联。给出系统的硬件平台，并在LabVIEW平台上开发了系统的软件功能。实验结果表明：该系统基于声发射信号均方根值能够实现不同工况下阀门泄漏率的定量计算和分级报警。
阀门泄漏 声发射技术 在线检测 阀门泄漏率 报警
阀门广泛应用于现代工业中的各行各业，是不可或缺的流体控制设备。阀门泄漏故障会对设备的安全性造成威胁进而影响企业的经济效益，尤其在石化、矿业、电力及国防军工等领域，阀门一旦出现内漏，将引发严重的安全生产事故。而传统的阀门定期检修方法由于缺乏针对性，会造成人力、财力和物力浪费，同时在拆卸检修过程中还可能造成一些人为损坏[1]。据统计，在大修时50%以上的阀门都是不需要被解体拆修的[2]。因此，使用无损检测方法，及时准确地发现阀门泄漏，对避免重大安全事故、保证安全生产、节省维修费用具有重要意义。
声发射检测技术是一种新兴的动态无损检测方法，近年来广泛应用于石油化工、天然气及核能等领域。声发射检测技术作为一种完整性评价方法，适用于阀门泄漏故障的在线连续检测，其结果直观、操作方便[3]。笔者基于声发射泄漏检测技术，设计了一套阀门泄漏在线检测系统，并在LabVIEW平台上开发阀门泄漏在线检测系统的各项功能，实现阀门泄漏的实时在线检测和预测报警。
1 声发射泄漏检测技术①
物体受到外力作用或形变时迅速释放弹性应力波的物理现象称为声发射[4]。与材料变形或发生断裂没有直接关系的瞬态弹性波称之为二次声发射源，如物体撞击、燃烧、流体泄漏及机械摩擦等。阀门泄漏也属于二次声发射源。声发射检测技术就是利用声发射信号来判断材料或结构内部活动缺陷位置、变化程度和发展趋势的无损检测方法。声发射信号根据其时间间隔和信号区分的难易程度可分为突发型声发射信号和连续型声发射信号(图1)。阀门泄漏则属于连续型声发射信号。
图1 两类声发射信号
相比于传统的阀门泄漏检测方法，声发射技术在阀门泄漏检测中的优点主要表现为以下几方面：
a. 无需拆卸阀门，可实现阀门泄漏的在线检测，能预测阀门早期泄漏故障；
b. 可实现恶劣工作环境下阀门的远程检测，保障工作人员的安全；
c. 检测速度快、灵敏度高且检测结果直观可靠；
d. 对阀门种类适用性广、成本低且操作简单。
2 阀门泄漏声发射信号的特征
2.1机理
当阀门因密封较差而发生泄漏时，在泄漏口会有气或水形成高速射流喷射而出，射流与阀门管壁相互冲击进而激发弹性波，产生连续型声发射信号，其频率范围在30～50kHz，属于超声波频带。将声发射传感器置于阀体或阀门附近，便可检测出阀门是否泄漏以及泄漏程度[5]。阀门泄漏的声发射信号主要受环境噪声和电气噪声干扰，声发射泄漏检测中，除了需要选择合适的声发射传感器降低频带外的噪声响应之外，还需要采用带通滤波器、差动电路及软件自适应滤波等手段来提高信噪比。
2.2特征参数
如图2所示，描述阀门泄漏产生的声发射信号的时域概率统计参数主要有振铃计数、幅度、能量、上升时间、持续时间和有效(RMS)电压值，各参数定义见表1。
图2 声发射信号的时域特征参数
参数定义振铃计数超过门槛电压的振荡次数幅度信号波形的最大幅值能量信号波形包络线下的面积上升时间信号第一次越过门槛电压至最大振幅所经历的时间间隔持续时间一个声发射事件持续的时间RMS电压值采样时间内信号的均方根值
阀门泄漏所产生的声发射信号(振铃计数、能量值、幅值和RMS电压值)均随着阀门入口流体压力的增大呈上升趋势。其中，阀门泄漏时气体体积泄漏率Q与泄漏声发射信号均方根ERMS之间的对应关系如下[6]：
式中C1——简化的流体变量函数；
Cf——阀门阻尼孔系数；
D——阀门公称直径；
p1——阀门进口压力；
Δp——阀门进、出口压差；
α——声音在流体中的传播速度；
ρ——阀门泄口处的流体密度。
对于同一种型号的阀门，可在实验室条件下测得不同泄漏率阀门的声发射信号，并计算分析得到声发射信号的均方根值，然后通过数据拟合算法建立阀门泄漏率与声发射信号均方根值之间的数学模型，最后根据此模型即可实现阀门泄漏故障的声发射在线检测。
3 基于声发射技术的阀门泄漏在线检测系统
3.1硬件组成
图3为阀门泄漏在线检测系统的原理示意图，测试系统由声发射传感器、声发射前置放大器、28V(DC)电源、高速数据采集卡和安装有实验数据采集处理系统软件的工控机组成。其中，声发射传感器为SR150型声发射传感器，工作频率范围22～220kHz，声发射信号采集卡为PCI-6133数据采集卡，采样率设置为1MHz。声发射传感器以磁吸附的方式固定在阀门壁外，声发射传感器将由应力波引起的测点处的表面振动转换为电信号，经前置放大器放大后进入接线盒的调理电路，再进入数据采集卡对信号进行采集，最后在工控机中编制LabVIEW程序对采集的信号进行分析、处理和显示，并完成阀门状态的诊断与泄漏率的计算与显示。
图3 阀门泄漏在线检测系统示意图
3.2软件功能
笔者采用图形化编程语言LabVIEW平台开发系统软件，主要采用最新的面向对象编程、多线程编程、定时循环及队列状态机等技术[7]。如图4所示，系统功能主要有用户登录、系统配置、数据采集、信号处理及泄漏诊断等功能模块。用户登录系统后，需配置相关测试参数，如阀门选型、阀门参数、通道配置和采样设置，数据采集模块完成对声发射信号的采集，数据进入队列同步完成信号处理，并将处理结果以图表和数值形式实时显示在主界面上，用户可以通过离线分析功能对保存的历史数据进行查看分析。泄漏诊断模块完成泄漏率的计算和阀门泄漏状态的分级报警，并给出相应的检修意见。
图4 系统软件功能框图
基于声发射技术的阀门泄漏在线检测系统主界面(图5)主要由按钮操作区和图表显示区两部分组成。按钮操作区放置了系统主要的功能按钮，如通道设置、参数配置、数据保存、离线分析及采集控制等，进行系统状态指示和常见操作命令；图表显示区是主界面的核心内容，包括声发射信号时域波形图、频谱图和处理后的声发射信号各特征参数显示，用户可形象直观地在线查看阀门声发射信号波形及其特征。界面右下角为阀门泄漏状态诊断区，用表盘、刻度表及指示灯等显示阀门的进口压力、泄漏率及泄漏等级等信息。
3.3泄漏率计算与报警模块
阀门泄漏率与泄漏声发射信号RMS电压值的回归方程为：
根据在实验室条件下测得的不同工况下阀门泄漏率与声发射信号RMS电压值之间的关联数据，采用广义最小二乘法进行曲线拟合来确定回归方程中的系数。拟合时所选基函数为φ(x)=(1,x,x2,x3)，最佳多项式拟合算法使用householder矩阵。一般来说，取前三阶就可以满足阀门泄漏检测精度的要求。
报警模块将阀门泄漏率分成3个等级：轻微、中等和严重泄漏。可参照JB/T 9092-1999中阀门最大允许泄漏量检测标准值A和阀门的经验允许泄漏率B来判断被测阀门所处的泄漏等级[8]，并在主界面上以不同的报警指示灯颜色显示。各泄漏等级的报警判据和诊断结论见表2。
图5 基于声发射技术的阀门泄漏在线检测系统主界面
泄漏等级报警判据指示灯颜色诊断结论轻微泄漏A
4 结束语
笔者分析了声发射信号特征参数与阀门泄漏率之间的关联关系，搭建了阀门泄漏声发射信号的硬件测试平台，并在LabVIEW平台上设计开发了阀门泄漏声发射在线检测系统的各项功能，为阀门泄漏故障的在线检测和泄漏率的测定奠定了基础。由于声发射技术在阀门泄漏检测中有着独特的优势，已逐步成为最重要的阀门泄漏检测手段之一。根据实践经验，用声发射技术实现阀门泄漏的在线检测可减少25%不必要的浪费，可见声发射技术在阀门泄漏在线检测领域有着巨大的应用前景。
[1] 方学锋,梁华,夏志敏,等.基于声发射技术的阀门泄漏在线检测方法[J].化工机械,2007,34(1):52～54.
[2] 张艾萍,金建国.声发射检漏仪在阀门密封性检验中的应用[J].阀门,2002,(4):39～41.
[3] 蒋鹏,李伟,贾鑫,等.基于小波包的阀门内漏声发射信号特征研究[J].化工机械,2015,42(4):464～467.
[4] 胡昌洋,杨钢锋,黄振峰,等.声发射技术及其在检测中的应用[J].计量与测试技术,2008,35(6):1～3.
[5] 杨晶.基于声发射检测的阀门泄漏可视化诊断技术研究[D].长沙:长沙理工大学,2013.
[6] 高倩霞,李录平,饶洪德,等.阀门泄漏率的声发射测定技术研究[J].动力工程学报,2012,32(1):42～46.
[7] 韩双连,隋青美,姜明顺.声发射信号分析及其软件实现[J].化工自动化及仪表,2014,41(8):930～934.
[8] JB/T 9092-1999,阀门的检验与试验[S].北京:中国标准出版社,1999.
On-lineDetectionSystemforValveLeakageBasedonAcousticEmission
HU Xin1, JI Peng-fei2
(1.DepartmentofMechanicalEngineering,WenzhouVocationalandTechnicalCollege,Wenzhou325000,China;2.ShanghaiMarineDieselEngineResearchInstitute,Shanghai200090,China)
An acoustic emission-based on-line detection system for the valve leakage was designed and both basic theory and characteristics of this detection technology was described, including analysis of both generation mechanism and signal characteristics of valve leakage acoustic emission signals as well as the correlation between the valve leakage rate and parameters of acoustic emission signals. The hardware platform of on-line leakage detection system was set up and the software functions were developed at the virtual instrument platform to achieve quantitative calculation of the valve leakage rate and hierarchy alarm in different conditions based on acoustic emission RMS value.
valve leakage, acoustic emission technology, on-line monitoring, valve leakage rate, alarm
2015-12-24(修改稿)
TQ055.8+1
A
1000-3932(2016)07-0690-05
