基于傅里叶带通滤波阀门内漏信号处理研究

2019-12-17王琼

安全、健康和环境 2019年11期

王琼

(中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266071)

阀门在工业生产中应用广泛，尤其在石油石化行业，能源领域的不断发展促进阀门的应用和需求不断增长[1-5]。阀门发生泄漏，不仅会带来经济和环境的恶劣影响，严重的还可能造成重大安全事故。阀门泄漏分为内漏和外漏，外漏很容易被检测出来，内漏则不容易被发现和检测，但是阀门内漏同样会对安全运行带来严重威胁。在石油石化生产中，运用声发射检测法可以在不影响正常生产情况下简单快速检测阀门内漏。声发射信号是声发射源的信息载体，检测声发射信号的目的，就是希望通过声发射信号这个桥梁，来推断声发射源的部位、性质及其严重程度等方面的信息；另一方面，传感器所接收到的信号并不是最初的原始信号，而是原始信号从声源到传感器过程中会发生畸变、反射、折射、衰减等变化，最终形成复杂信号，用何种方法能将采集到的复杂信号进行有效的分析和处理，减少漏检误检，从而获取足够多反映真实情况的信息是一个重要难点。针对以上问题，本文应用傅里叶频谱分析，研究阀门内漏信号提取方法，有效滤除环境噪声影响[6-8]。

1 阀门内漏声学数据采集

1.1 阀门内漏声学监测实验系统

为采集阀门内漏声学信号，设计了如图 1 所示的阀门内漏声学监测实验系统，该系统由2部分组成，包括内漏模拟装置部分和内漏检测部分。内漏模拟试验装置由压缩机、储气罐、出入口阀门、压力表、安全阀、连接件、测试阀门、流量计、消音器以及输气管路组成，压缩机输出的空气存入储气罐，通过储气罐出入口的阀门调节储气罐充放气过程以稳定在所需压力，测试阀门通过变径连接件与输气管路相连，下游端连接流量计精确检测内漏率，末端连接消音器减小噪声，储气罐内压缩空气压力调节到预设压力后，关闭入口阀门，完全打开出口阀门，气流沿着箭头所示方向前进进入测试阀门，进流量计检测计量后排出。通过调节储气罐出入口阀门开关及压缩机出口压力实现不同压差工况，调节测试阀门手轮开关，实时观察流量计读数到预期内漏率数值实现不同内漏率工况，可更换不同压差、内漏率或者不同压差不同工况相互组合，以便开展更多种阀门内漏工况实验。

内漏检测部分包括声发射传感器、前置放大器、数据采集卡和上位机数据分析软件组成。声发射传感器通过耦合剂附着于测试阀门阀体上下游，将内漏产生的声发射信号转换为电压信号，该信号经过前置放大器放大后远距离传输到数据采集卡。

图1 阀门内漏声学监测实验系统

2 模拟实验声学数据采集

基于以上阀门内漏声学监测实验系统，分别开展了闸阀、球阀内漏模拟实验。利用DN25、DN32、DN40、DN50、DN65球阀测试0.4 MPa下气体内漏率分别为4,8,12,16,20,24 L/min时的声发射信号；利用DN65、DN80、DN150闸阀测试0.1 MPa下气体内漏率分别为10，20，30，40，50 L/min时的声发射信号。以上实验数据作为信号处理分析样本。

3 傅里叶带通滤波方法

对模拟实验获得的阀门内漏声发射检测数据，提取波形文件后进行傅里叶变换，得到阀门内漏声发射信号频谱并确定峰值频率，进而确定不同尺寸、不同类型阀门内漏声发射信号频带分布。基于声信号频带分布规律，确定理想带通滤波器以实现对阀门内漏声信号波形特征的提取以及信号的重构。

3.1 阀门内漏声发射信号频带分布

对DN25、DN32、DN40、DN50、DN65球阀在气压为0.4 MPa、内漏流量分别为4,8,12,16,20,24 L/min条件下检测数据进行波形文件提取，执行傅里叶变换得到其峰值频率，结果如表1所示。

由表1可知，不同公称直径球阀峰值频率分布范围十分接近，即不同尺寸球阀内漏声发射信号具有相似频率特性。DN25、DN32、DN40、DN50、DN65球阀内漏声发射信号频谱峰值频率主要分布于20～30 kHz范围内。

根据DN65闸阀在实验压力和不同流量下的实验数据及DN80、DN150闸阀在气压为0.1 MPa、内漏流量分别为10,20,30,40,50 L/min的内漏声发射数据，利用同球阀分析方法得到峰值频率分布如表2、表3所示。

表1 球阀内漏声发射信号频谱峰值频率 kHz

由表2和表3可知，同尺寸闸阀内漏声发射信号峰值频率相近，DN65闸阀峰值频率主要分布于30～40 kHz范围内；DN80闸阀峰值频率主要位于15～20 kHz范围内；DN150闸阀峰值频率主要位于20～30 kHz范围内。观察闸阀的峰值频率分布可以发现，相同公称直径闸阀在不同内漏流量条件下的峰值频率近似相等，而不同公称直径闸阀峰值频率相差较大。由此可知，不同尺寸闸阀，要选择不同频带进行分析。

表2 DN65闸阀内漏声发射信号频谱峰值频率 kHz

表3 DN80、DN150闸阀内漏声发射信号频谱峰值频率 kHz

3.2 理想带通滤波器处理

根据声信号频带分布可知，球阀内漏声发射信号频谱峰值频率分布于20～30 kHz范围内。为确定该频带内信号是否为阀门内漏产生，本文采用基于傅里叶变换的理想带通滤波器，对声发射信号进行滤波，滤波器通带设置为20～30 kHz。

对DN25球阀在气压0.4 MPa、内漏流量分别为4 L/min条件下进行阀门内漏声发射信号进行滤波，并进行信号重构，重构信号波形如图2所示。

图2 DN25球阀原始信号、重构信号波形

取DN80闸阀在气压0.1 MPa、内漏流量分别为40 L/min的内漏声发射信号进行滤波，进行信号重构，重构信号波形如图3所示。

比较DN25球阀、DN80闸阀滤波前后波形幅值，信号重构后波形信号发生明显变化，且幅值与原始波形信号差别不大，说明通过傅里叶变换带通滤波对阀门内漏信号处理效果良好。

图3 DN80闸阀原始信号、重构信号波形

分别对DN25球阀在气压0.4 MPa、不同流量的内漏声发射信号和DN80闸阀0.1 MPa、不同流量的内漏声发射信号及其滤波后信号进行傅里叶变换，得到信号频率，如图4、图5所示。

图4 DN25球阀原始信号、重构信号频谱

图5 DN80闸阀原始信号、重构信号频谱

如图4、图5所示，经过滤波，滤波器通带以外频率的信号滤除，原始信号中DN25球阀峰值频率主要分布在15～20 kHz，重构信号保留高能量峰值频率分布信号，如表4所示，DN25球阀在不同内漏流量条件下，重构信号与原始信号峰值能量偏差最大值为7%，最小值为6%；重构信号与信号峰值频率偏差最大值为7%，最小值为0.4%，偏差均小于10%，良好地保存了内漏信号的完整性。