管道泄漏检测的声发射技术研究

摘要:随着管道的应用日益广泛,在国民经济发展中具有重要的作用,而管道泄漏会产生环境污染,并造成重大经济损失,这已引起相关部门的关注。文章介绍了声发射检漏原理、泄漏声信号特点、声信号区域定位法、衰减测量定位法、互相关式时差定位法、干涉式定位法和模态声发射,并对管道泄漏的声发射检测方法不足之处和发展趋势做了探讨。

关键词:管道泄漏;声发射;区域定位;声发检测

中图分类号:TP274文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)12-0047-02

随着管道的应用日益广泛,在国民经济发展中具有重要的作用,而管道泄漏会产生环境污染,并造成重大经济损失,这已引起相关部门的关注。本文将结合声发射检测的特点,对声发射在管道泄漏检测中应用的可行性和有效性进行分析。

一、管道泄漏检测的声发射技术研究现状

与超声及涡流等方法相比,声发射具有能动态监测且覆盖面大的优势。声发射检测技术以它在检测原理上的优势,可以对管道中已经存在的泄漏进行连续检测,对诊断的实时性要求不高,不要求在泄漏刚发生时就必须检测到泄漏信号,可以在泄漏发生后的一段时间内进行检测,极大地提高了诊断的方便性和正确性。因此声发射检测技术是一种可能而且有效的泄漏检测方法。

二、管道泄漏检测声发射检测原理

声发射是指材料局部因能量的快速释放而发生瞬态弹性波的现象。严格地讲,压力管道或压力容器等泄漏所激发的应力波并不是声发射现象,而是一种广义的声发射现象。因为在泄漏过程中,管壁只是波导,本身不释放能量,但在泄漏点处由于管内外压差,使管道中的流体在泄漏处形成多相湍射流,这一射流不但使流体的正常流动发生紊乱,而且与管道及周围介质相互作用向外辐射能量,在管壁上产生高频应力波。该应力波携带着泄漏点信息(泄漏孔形状和大小等)沿管壁向两侧传播,对这种声发射信号进行采集和处理,就可以对泄漏及其位置进行判断。

三、泄漏的声发射信号特点

泄漏的声发射信号具有如下特点:

1.由泄漏激发产生,属于连续声发射信号。

2.泄漏的声发射信号沿管壁向上、下游传播,接收并分析该信号,能反应结构的某些特征,如漏孔位置和大小等。

3.受声发射源的自身特性 (多样性、信号的突发性和不确定性)传播路径、传感器特性、环境噪声和声发射测量系统等多种复杂因素的影响,声发射传感器输出的电信号波形十分复杂,它与真实的声发射源信号相差很多,因此,声发射信号本质上属于一种非平稳随机信号。

4.根据导波理论,泄漏的声发射信号具有多模态特性,并且在管道内传播时存在频散现象。

四、区域定位原理

声发射波传播过程引起能量损失的主要因素包括波前的延伸、热效应、反射、衍射和波形转换等,这些因素的综合作用可引起波的衰减,即声发射信号的强度随测量点与声发射源距离的增加而减弱。在结构发生共振的特定情况下可产生驻波,此时信号幅度无明显下降,但衰减仍会发生。信号强度的减弱反应在信号的振幅上是幅值的减小,因此随着声发射源与测量点距离的增加,实际测得的信号幅值会减小。

根据声发射信号衰减原理,在声波的传播路径上布置一些传感器,离泄漏点越近的传感器测得的声波信号幅值就越大,越远的传感器测得的声波信号幅值就越小,依据幅值大小的变化就可确定声波的传播方向,找出幅值最大的两个传感器的位置,则可以粗略确定泄漏源的所在区域。通过分析衰减特性,可对连续型声发射信号源进行更精确的定位。缺点是:泄漏源定位精度越高,所需传感器越多,从而加大了成本,而且这种方法只适合于对声波的衰减不太大的被测管道,如果声波的衰减太大,布置的传感器可能无法检测到信号,从而不能定位。

五、衰减测量方法

衰减测量方法除了对声发射信号的大小进行排序外,还测量被测管道的衰减特性及声发射信号的幅度变化,从而实现对泄漏源的精确定位。

从声波衰减规律可以发现,泄漏源的位置只与两检测点的输出幅值差 (dB)有关,如果传感器B与C的幅值差增大,则泄漏点将向传感器B一侧移动。幅值差减小,则向传感器C一侧移动。如果两传感器的输出同时增大或减小,则对泄漏定位没有影响,因此必须要消除检测中影响传感器输出不一致的因素。这些因素主要有两个方面:一是传感器在检测之前必须调整好,保证灵敏度相同;二是应尽量保证在检测时所有传感器受噪声影响是相同的。

六、互相关式定位方法

常用的两个突发型声发射波之间时差的技术不适用于连续型声发射源,而互相关技术适用于断续波之间的时差或时间延迟测量,也适用于连续波之间的时差或时间延迟测量,这一技术已被成功地应用于管道声发射检测的泄漏源定位。在信号处理中经常要研究两个信号的相似性,或一个信号经过一段延迟后自身的相似性,以实现信号的检测、识别与提取等。

互相关式定位法原理:假定在传感器A和传感器B之间有一泄漏源,泄露信号先传到A,间隔一定时间后传到B,由于信号在短时间内可认为是稳态的,因此传感器A和B接收到的信号存在相似形,在传感器B中选取与A等长的信号逐点做相关,总有一段信号是自相关的,此时自相关结果最大。记录相关函数峰值出现的时间差,即可实现对泄漏源的定位。

七、干涉式定位方法

假设由探头阵列探测到的泄漏信号是相干的,这一方法在无泄漏的情况下探测的信号是噪声,相干性很低。干涉式定位方法的步骤是:

1.在感兴趣的二维或三维空间内定义一个位置。

2.计算信号从定义位置到所有探头之间的传播路径长度,通过已知波速计算波到阵列中所有探头的传播时间和各个探头的时间延迟。

3.按预定的时间同时捕捉每一个探头的输出,按照第二步计算的延迟时间推迟各通道的采样时间。

4.确定所有延迟探头间的相干性,高水平的相干性指出在假设的源部位有泄漏发生。

5.如果相干性较低,假设另外一个部位从第二步重复进行。这一处理过程依赖于源位置的预定义,然后再验证声发射信号是否与泄漏一致。

八、模态声发射

模态声发射(MAE)是在传统共振传感器参数声发射基础上,近年发展起来的声发射检测新技术。模态声发射(MAE)本质上是一种基于波形分析的AE信号处理技术。

对于工程上大量使用的板厚远小于声波波长的板状结构,声发射源在板中主要激起扩展波、弯曲波和水平切变波(SH)三种模式的声波。板平面内(IP)声源主要产生的是扩展波,而平面外(OOP)声源主要产生弯曲波。两种声源都有可能产生SH波。大量的非声发射源或噪声信号没有这种特征。MAE技术本身要比参数分析复杂,但带来的结果却是AE信号处理方法的简单化。这种基于声发射源物理机制的分析可以极大地帮助我们区分声发射信号和噪声信号,因而是一种十分有效的声发射信号处理方法。

九、结论

通过对管道泄漏检测技术现状进行了综合分析,得出以下结论:

1.目前管道泄漏的声发射检测方法难以实现现场检测较高的灵敏度和定位精度。

2.管道泄漏检测技术呈现以软件方法为主,硬件方法为辅的发展方向。近些年,随着计算机技术、信号处理、控制理论、模式识别、人工智能等学科的飞速发展,以软件方法为主的管道泄漏声发射检测技术得到飞速发展,并能实现实时在线监测,及时给出报警信号,这方面将是研究的重点和趋势。

3.声发射泄漏检测技术在管道检测方面具有实时连续长期监控、定位较准确的优点,并且能检测微量泄漏,受到了国内外企业及相关研究人员的重视。我国已经开始在这方面的探索研究,但是研究的理论和成果距现场实际应用还有一定距离,还没有形成自主的检测仪器产品。

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