基于声发射的天然气管道阀门内漏检测技术

刘海松

(北京市公用事业科学研究所，北京 100011)

1 概述

近几年，燃气事故时有发生。仅2022年第3季度，全国(不含港澳台)燃气事故共发生216起，造成17人死亡、136人受伤，其中较大事故2起。

对天然气管道阀门进行内漏检测，声发射检测技术是一种十分有效的技术手段。通过该技术，可实现阀门内漏在线检测，具有检测精度高、抗干扰能力强、操作便捷等优势，同时不会对管道阀门产生不利影响，确保天然气输配质量与安全。

2 阀门内漏声源特征

① 喷流噪声

如果阀门泄漏口较小，高速天然气经泄漏口喷射到下游管道过程中，会产生喷流噪声。天然气管道大多是高压管道，内漏时天然气具有很高的流速，因此喷流过程主要是湍流，并对周边天然气产生卷吸效应，高频噪声由此产生。通过大量实践分析发现，喷流噪声是最常见的内漏声源。

② 阻塞喷注噪声

如果阀门前后压力比超过1.893，受泄漏口影响产生的冲击波会沿轴线产生一系列冲击波室。当泄漏天然气形成的涡流从冲击波室穿过时，会出现相互干扰，此时产生的噪声就是阻塞喷注噪声。

③ 涡流噪声

如果天然气从障碍物通过的过程中不断有涡流形成、脱落，因压力脉动形成的应力波就会在障碍物表面发生作用，此时伴随产生的噪声就是涡流噪声。这种噪声大多出现在阀门泄漏口位置，因阀门阀芯损伤或密封圈损伤所致。

3 阀门内漏声发射检测机理

声发射属于物理现象，它指在物体自身形变或受到外部作用情况下，因弹性能量迅速释放而引发的瞬态应力波产生。如果材料中出现了声发射现象，声源发射出的各个信号所涵盖的信息可对其内部结构、状态变化和缺陷性质造成干扰。因此，借助灵敏度足够的仪器设备对这些发射信号进行接收和处理，再对声发射源进行特征参数的研究与分析，便可实现材料结构、内部缺陷、发展趋势和变化程度等的推断。

在天然气管道运输中，如果阀门出现内漏，泄漏口处会在阀门压差作用下形成喷流，不仅会扰乱天然气的稳定流动，而且会使阀门与天然气产生相互作用，阀壁上会有高频应力波产生，并向外进行能量辐射。应力波包含泄漏口位置、泄漏强度等信息，它会沿着阀体传播到两侧天然气管道，这样声发射检测系统会在天然气管道阀门泄漏口位置及附近检测到该应力波和喷流噪声。通过对喷流噪声信号进行处理，可有效判断出泄漏位置与泄漏强度等信息，为后续维修提供科学准确的依据。

声发射检测系统进行天然气管道内漏喷流噪声检测的工作原理是以晶体元件为基础的压电效应。应力波的传播形式是质点运动，包括纵波、横波和表面波等。当这些应力波质点传递到声发射传感器接触面(接触面是压电陶瓷晶片)上时，会带动接触面上的质子运动，进而使压电陶瓷产生拉伸和压缩效果，从而实现应力波到电信号的转换。声发射传感器将电信号输送到声发射检测系统的数据采集器中。在接收到电信号后，声发射检测系统会对其进一步处理，以数字信号形式输出。

4 声发射检测系统

声发射检测系统主要包括检测装置、信号分析方法和软件。

① 检测装置

检测装置主要包含硬件和软件，硬件主要包括声发射传感器(简称传感器)、前置放大器、数据采集器。硬件主要作用是对阀门内漏中声发射信号进行采集、传输和放大。软件主要作用是对采集到的信号进行分析和处理，对内漏程度进行确定，对内漏分析结果进行显示、储存和打印。

a.传感器

阀门内漏产生的喷流产生非常微弱的声发射信号，加之环境噪声比较强，为实现泄漏准确检测，应用SR10型谐振声发射传感器，其谐振频率是40 kHz，频率检测范围是15～70 kHz[1]。具体应用中，通过耦合剂将该传感器的接触面和被测管道表面耦合，通过磁性夹具做好固定，这样可使内漏阀门中的声发射信号通过阀壁以及耦合剂时损失最小，能有效传输至压电陶瓷晶片。

b.前置放大器

因为压电陶瓷晶片产生的电荷量非常小，且阻抗很高，所以在具体应用中，为实现压电陶瓷晶片微弱信号的输出，将具有较高阻抗的前置放大器安装到传感器后端，使其对检测信号进行放大处理。选择的前置放大器主要技术参数见表1。

表1 选择的前置放大器主要技术参数

c.数据采集器

数据采集器可对放大后的检测信号进行A/D转换，使其成为二进制形式的数字信号，对数字信号进行分析和处理。选用的数字采集器主要技术参数见表2。

表2 选用的数字采集器主要技术参数

② 信号分析方法

阀门内漏的声发射信号具有多样性和不确定性，且环境因素对其产生很大干扰。因此声发射信号的分析和处理成为影响阀门内漏检测准确性的一个主要因素。基于此，在声发射检测系统中，通过小波分析法对阀门内漏检测信号进行变时窗分析，即通过较宽时窗对信号含有的低频分量进行分析，通过较窄时窗对信号含有的高频分量进行分析，并对各种频率范围内的声发射信号进行频域特性参数以及时域特性参数的提取。具体分析中，将声发射信号用4层小波法分解成5个频带，分别对各频带的信号进行重构，使其转变成原始信号形式，然后在频域范围中对其进行频域峰值的提取，在时域范围中对其进行均方根的提取。将提取出来的各种特性参数和内漏率进行对比分析，最后建立相应的关系模型。

③ 软件

利用LabVIEW图形化编程语言开发声发射检测系统软件。在声发射检测系统软件结构中，主要有数据采集、时域分析、频域分析、结果显示、结果储存和打印等模块。每个模块都可以独立运行，但是各模块之间又形成一种良好的协调合作关系，以此来完成阀门内漏数据的采集、分析、显示、储存、管理和打印。

5 声发射检测系统的应用试验

① 试验设计

某D580×8天然气管道上有1个内漏阀门，阀门上游压力为2.5 MPa，将该阀门上游的调压阀关闭，在该阀门关闭且内漏情况下进行声发射信号采集，将传感器设置在阀门附近。阀门泄漏口近似为矩形，尺寸为7 cm×0.7 cm。采集中，每间隔1 s进行1次声发射信号的4层小波法分解和重构，然后对每个频带中的频域峰值和时域均方根进行提取，最后根据试验数据对内漏率和声发射特性参数进行曲线拟合。

② 试验结果

a.阀门内漏率随阀门压差的变化

阀门内漏率随阀门压差的变化曲线见图1，图1展示了数据点、拟合曲线。

图1 阀门内漏率随阀门压差的变化曲线

由图1可以看出，在阀门上游的调压阀关闭之后，阀门内漏属于泄压过程，随着压差逐渐降低，内漏率也呈现逐渐降低的趋势。即在泄漏口尺寸不变的情况下，阀门内漏率与压差成线性关系[2]。

b. 时域均方根与阀门内漏率的关系

通过4层小波法将声发射信号分解成5个频带，见表3。分解之后再对这些信号进行重构，并对其时域信号进行均方根提取。时域均方根随阀门内漏率的变化曲线见图2。

表3 通过4层小波法将声发射信号分解成的5个频带

续表3

图2 时域均方根随阀门内漏率的变化曲线

c. 频域峰值与阀门内漏率的关系

通过4层小波法将声发射信号分解后，各频带的频域峰值与阀门内漏率的关系曲线见图3。

图3 频域峰值与阀门内漏率的关系曲线

由图3可见，在阀门内漏时，伴随着内漏程度加大，频域峰值也越来越高，A4频带和D4频带的频域峰值变化尤其明显。因此在检测过程中，可以将频域峰值作为内漏程度评价标准，频域峰值变化越明显，说明阀门内漏越严重。

6 结论

对基于声发射的天然气管道阀门内漏检测技术进行探讨。介绍阀门内漏声源特征和阀门内漏声发射检测机理，阐述声发射检测系统的组成和功能，进行声发射检测系统的应用试验。试验发现：阀门内漏率与阀门压差成线性关系；可以将时域均方根作为内漏程度判断标准，时域均方根变化幅度越大，说明阀门内漏越严重；可以将频域峰值作为内漏程度评价标准，频域峰值变化越明显，说明阀门内漏越严重。