韋朋余，岳亞霖，張 煒，陳 穎，李盛華

（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，無錫 214082）

1 引 言

潛水器體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家的綜合技術(shù)力量，是海洋技術(shù)開發(fā)的前沿與制高點(diǎn)，可以用于援潛救生、海洋資源勘探和海洋平臺(tái)支持作業(yè)等領(lǐng)域。特別是近年伴隨著海洋油氣資源的大規(guī)模開發(fā)已建造了大量的海洋石油開采平臺(tái)。一旦平臺(tái)出現(xiàn)故障，就需要潛器下潛排除故障提供支持作業(yè)能力。潛水器在下潛過程中用來保證主壓載水艙注水或排水以消除或恢復(fù)潛水器儲(chǔ)備浮力的設(shè)備和管路，我們稱之為潛浮系統(tǒng)[1]。在過去的潛器下潛過程中曾遇到因潛浮系統(tǒng)管道泄漏導(dǎo)致潛器被迫緊急上浮、維修中斷，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。因此如何及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)泄漏漏點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)報(bào)，保障潛水器正常作業(yè)就顯得非常重要。潛水器潛浮系統(tǒng)發(fā)生管道泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)處由于管內(nèi)外壓差，管內(nèi)的高壓流體由裂縫處向外噴射，在泄漏處形成多相湍射流，一方面與管道及周圍介質(zhì)相互作用向外輻射能量，在管壁上產(chǎn)生彈性波；另一方面從泄漏點(diǎn)向外噴射的高速流體對(duì)壁面產(chǎn)生激勵(lì)作用和摩擦，在管壁上也產(chǎn)生彈性波。該彈性波攜帶泄漏源信息（如泄漏部位、泄漏速率以及泄漏孔大小等）沿管壁向四周傳播，形成聲發(fā)射源。利用聲發(fā)射傳感器拾取管壁上的聲波信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行分析處理，進(jìn)而獲得管道泄漏信息，實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射泄漏檢測(cè)的目的[3]。

本文建立了管道泄漏聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，確定了應(yīng)用于潛水器管道泄漏的聲發(fā)射通道采集控制參數(shù)，進(jìn)而對(duì)潛水器管道泄漏現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性和有效性；通過研究獲得了泄漏聲發(fā)射信號(hào)的RMS、ASL、能量及頻譜隨壓力、傳播距離的變化規(guī)律，為在潛水器服役過程中進(jìn)行聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

2 潛水器管道泄漏聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本文根據(jù)潛水器潛浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征和聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)內(nèi)在要求，建立了管道泄漏聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，具體包括管道泄漏裝置、聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)及加壓系統(tǒng)，如圖1所示。管道泄漏裝置包含管道泄漏模型、封頭、開孔螺釘、銅墊圈、球閥以及法蘭等。其中管道泄漏模型材料選用紫銅管（潛水器管道通用材料），具體尺寸為外徑170 mm，壁厚10 mm，長(zhǎng)度分別為3 m和6 m，中間采用法蘭或球閥連接，兩端自由支撐，無外包層。在長(zhǎng)度為6 m的紫銅管上加工含有內(nèi)螺紋的孔，通過擰上開有模擬泄漏孔的螺釘來實(shí)現(xiàn)泄漏模擬[4]。聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)包括信號(hào)處理器、傳感器、信號(hào)線以及耦合劑等。試驗(yàn)信號(hào)處理器采用美國(guó)引進(jìn)的PCI-2數(shù)字化聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理，傳感器選用WDI，其頻響范圍100～1000 kHz，以黃油作為耦合劑。加壓系統(tǒng)包含壓力變送器、電動(dòng)試壓泵、壓力表、連接管以及閥門等。目前南海和東海的采油平臺(tái)所處海域的最大水深達(dá)到332 m，因此試驗(yàn)時(shí)，管道內(nèi)部壓力取0.5～3 MPa。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 The sketch map of experiment system

2.2 設(shè)備參數(shù)配置

聲發(fā)射傳感器能否成功捕捉到有效信號(hào)，采集通道參數(shù)的設(shè)置是一個(gè)關(guān)鍵因素。特別是潛水器管道泄漏信號(hào)是連續(xù)型信號(hào)，且目前國(guó)內(nèi)外暫無關(guān)于潛水器管道（紫銅管）泄漏聲發(fā)射檢測(cè)文獻(xiàn)的相關(guān)報(bào)道，因此如何找到適合紫銅管泄漏的聲發(fā)射技術(shù)參數(shù)將是試驗(yàn)前要解決的第一個(gè)問題。試驗(yàn)前利用Fieldcal聲發(fā)射校準(zhǔn)儀在紫銅管上產(chǎn)生連續(xù)型正弦信號(hào)對(duì)PCI-2聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)通道參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)試，獲得最優(yōu)參數(shù)設(shè)定如下:采樣率1MSPS、采樣長(zhǎng)度1 k、模擬濾波范圍1 kHz～3 MHz、預(yù)觸發(fā)時(shí)間256 usec、壓力參數(shù)通道倍數(shù)1.25和偏差-1.28。

在試驗(yàn)過程中，會(huì)受到機(jī)械噪聲、電磁噪聲以及水流聲干擾，因此信號(hào)背景噪聲的排除成為要解決的第二個(gè)問題。預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整幅度門檻值可以有效地減少噪聲信號(hào)，但是幅值門檻過高容易漏檢有效聲信號(hào)，門檻過低不能完全地排除噪聲。通過斷鉛試驗(yàn)?zāi)M聲信號(hào)來調(diào)整門檻值的方法，進(jìn)行多次反復(fù)試驗(yàn)，得到適用于紫銅管的門檻參數(shù):門檻值30 dB、浮動(dòng)門寬6 dB。

3 潛水器潛浮系統(tǒng)管道泄漏聲發(fā)射信號(hào)特性研究

3.1 泄漏聲發(fā)射信號(hào)隨傳播距離的衰減特性研究

聲發(fā)射信號(hào)在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，其信號(hào)頻率、幅度等特性與傳播介質(zhì)密切相關(guān)，而聲發(fā)射信號(hào)頻率、幅度等參數(shù)的傳播衰減特性直接影響聲源定位時(shí)參考標(biāo)準(zhǔn)的選取[5]。因此本文首先對(duì)管道泄漏聲發(fā)射信號(hào)沿紫銅管傳播時(shí)其RMS、ASL、能量以及頻率等參數(shù)隨傳播距離的衰減特性進(jìn)行研究。

本文對(duì)采集到的管道泄漏聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。圖2為聲發(fā)射信號(hào)有效值電壓RMS在泄漏速率為10 mL/s、壓力為2.5 MPa下隨傳播距離變化的衰減曲線，圖3為聲發(fā)射信號(hào)平均信號(hào)電平ASL在泄漏速率為10 mL/s、壓力為2.5 MPa下隨傳播距離變化的衰減曲線，圖4為聲發(fā)射信號(hào)能量計(jì)數(shù)在泄漏速率為10 mL/s、壓力為2.5 MPa下隨傳播距離變化的衰減曲線。從圖2至圖4中可以看出:靠近泄漏源的傳感器比遠(yuǎn)離時(shí)的傳感器所接受的信號(hào)更加強(qiáng)烈；隨著傳播距離的增大，泄漏所激發(fā)的聲發(fā)射信號(hào)RMS、ASL和能量計(jì)數(shù)值越來越小，都呈衰減趨勢(shì)；RMS和能量計(jì)數(shù)的衰減曲線呈以自然對(duì)數(shù)為底的負(fù)指數(shù)形式衰減，ASL的衰減曲線呈以線性形式衰減。通過重復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在不同壓力不同泄漏速率下ASL隨傳播距離呈以線性方式衰減，且傳感器距泄漏源2 m之內(nèi)具有較高的靈敏度；而RMS和能量計(jì)數(shù)則都呈以自然對(duì)數(shù)為底的負(fù)指數(shù)形式衰減，不過RMS在距泄漏源2 m之內(nèi)具有較高的靈敏度，而能量計(jì)數(shù)的靈敏度在距泄漏源1 m之內(nèi)較高。

圖2 RMS隨傳播距離變化的衰減曲線Fig.2 The attenuation curve of RMS with propagation distance

圖3 ASL隨傳播距離變化的衰減曲線Fig.3 The attenuation curve of ASL with propagation distance

圖4 能量計(jì)數(shù)隨傳播距離變化的衰減曲線Fig.4 The attenuation curve of energy count with propagation distance

圖5為距泄漏源500 mm、800 mm、1000 mm、2000 mm處的聲發(fā)射信號(hào)頻譜對(duì)比圖。從圖5中可以看出:潛水器潛浮系統(tǒng)管道泄漏所激發(fā)的聲發(fā)射信號(hào)的頻譜在60 kHz附近有很陡的尖峰；泄漏聲發(fā)射信號(hào)的頻譜范圍為0～500 kHz，靠近泄漏源的聲信號(hào)中含有較多的300～500 kHz高頻成分，遠(yuǎn)離泄漏源的聲信號(hào)頻譜逐漸集中到0～100 kHz低頻段范圍內(nèi)；隨著傳播距離的增大，泄漏聲信號(hào)的頻譜幅值在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都呈衰減趨勢(shì)，且高頻成分衰減速度比低頻成分要快[6]。

圖5 頻譜對(duì)比圖Fig.5 The frequency spectrum contrast diagram

3.2 泄漏聲發(fā)射信號(hào)隨壓力的變化特性研究

當(dāng)管道內(nèi)部壓力改變，泄漏孔處液體的流速會(huì)發(fā)生變化，最終會(huì)導(dǎo)致泄漏孔處的聲發(fā)射信號(hào)隨之改變。因此本文通過詳細(xì)研究，創(chuàng)建了一套壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過壓力變送器將管道內(nèi)部壓力這一外部參數(shù)輸入到PCI-2聲發(fā)射采集系統(tǒng)，研究泄漏聲發(fā)射信號(hào)沿紫銅管傳播時(shí)其RMS、ASL、能量以及頻率等參數(shù)隨管道內(nèi)部壓力的變化關(guān)系。

圖6為泄漏時(shí)管道內(nèi)部壓力隨時(shí)間變化曲線，圖7為聲發(fā)射信號(hào)有效值電壓RMS在泄漏孔徑一定、距聲源500 mm處隨壓力的變化曲線（圖中虛線為擬合曲線），圖8為聲發(fā)射信號(hào)平均信號(hào)電平ASL在相同泄漏孔徑下、距聲源500 mm處隨壓力的變化曲線（圖中虛線為擬合曲線），圖9為聲發(fā)射信號(hào)能量計(jì)數(shù)在相同泄漏孔徑下、距聲源500 mm處隨壓力的變化曲線（圖中虛線為擬合曲線），從圖6至圖9中可以看出:高壓狀態(tài)下所產(chǎn)生的泄漏聲發(fā)射信號(hào)比低壓狀態(tài)下產(chǎn)生的聲信號(hào)更加明顯；隨著管道內(nèi)部壓力降低，泄漏所激發(fā)的聲發(fā)射信號(hào)RMS、ASL和能量計(jì)數(shù)值越來越小，都呈衰減趨勢(shì)；當(dāng)壓力較高時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)的RMS、ASL和能量計(jì)數(shù)值等衰減趨勢(shì)較為平緩，但隨著壓力的逐步減小，RMS、ASL和能量計(jì)數(shù)值的衰減趨勢(shì)趨于明顯[7]。通過重復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在壓力高于0.5 MPa時(shí)，潛水器潛浮系統(tǒng)管道泄漏聲發(fā)射檢測(cè)具有較高的靈敏度。

圖6 泄漏時(shí)管道內(nèi)部壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.6 The pipeline internal pressure change curve with time at leakage

圖7 RMS隨壓力變化曲線（虛線為擬合曲線）Fig.7 RMS change curve with pressure(The dotted line is a fitting curve)

圖10 3.0 MPa時(shí)信號(hào)頻譜Fig.10 The signal frequency spectrum at 3.0 MPa

為了研究泄漏聲發(fā)射信號(hào)隨壓力變化的頻譜特性，本文在保證泄漏孔徑不變的情況下、分別采集3.0 MPa、2.5 MPa、2.0 MPa、1.5 MPa、1.0 MPa 和 0.5 MPa 時(shí)距泄漏源 500 mm 處的聲發(fā)射信號(hào)，并將其時(shí)域波形進(jìn)行快速傅里葉變換得到頻譜圖，如圖10至圖15所示。從圖10至圖15中可以看出:泄漏聲發(fā)射信號(hào)的頻譜范圍較寬，涵蓋0～500 kHz；當(dāng)壓力較高時(shí)聲信號(hào)中含有較多的300～500 kHz高頻成分，當(dāng)壓力較低時(shí)聲信號(hào)頻譜逐漸集中到0～200 kHz的低頻段范圍內(nèi)；泄漏所激發(fā)的聲發(fā)射信號(hào)的頻譜在60 kHz附近有很陡的尖峰；隨著管道內(nèi)部壓力的降低，泄漏聲信號(hào)的頻譜幅值在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都呈衰減趨勢(shì)[8]。

圖11 2.5 MPa時(shí)信號(hào)頻譜Fig.11 The signal frequency spectrum at 2.5 MPa

圖12 2.0 MPa時(shí)信號(hào)頻譜Fig.12 The signal frequency spectrum at 2.0 MPa

圖13 1.5 MPa時(shí)信號(hào)頻譜Fig.13 The signal frequency spectrum at 1.5 MPa

圖14 1.0 MPa時(shí)信號(hào)頻譜Fig.14 The signal frequency spectrum at 1.0 MPa

圖15 0.5 MPa時(shí)信號(hào)頻譜Fig.15 The signal frequency spectrum at 0.5 MPa

4 結(jié) 論

首先創(chuàng)建了管道泄漏聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)潛水器管道泄漏問題開展了系統(tǒng)的研究，得到以下結(jié)論:

（1）所建立的潛水器管道泄漏聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，不僅可以動(dòng)態(tài)跟蹤管道內(nèi)部壓力變化，實(shí)時(shí)顯示聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)隨壓力的變化過程，而且測(cè)量簡(jiǎn)便有效、適用性廣，可以應(yīng)用于其它管道泄漏檢測(cè)。

（2）通過模擬信號(hào)試驗(yàn)研究，獲得了利用聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)潛水器管道泄漏時(shí)應(yīng)配置的最佳通道采集控制參數(shù)。該控制參數(shù)的設(shè)置可以高保真地采集泄漏聲發(fā)射信號(hào)，避免有效信號(hào)漏檢。

（3）通過對(duì)管道泄漏聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析和傅里葉變換，獲得了潛水器管道泄漏聲發(fā)射信號(hào)的RMS、ASL、能量以及頻率等幅頻響應(yīng)特性隨傳播距離和管道內(nèi)部壓力的變化規(guī)律，為在潛水器服役過程中進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)定位方法的選擇、定位參數(shù)的設(shè)定、傳感器的布置以及危險(xiǎn)等級(jí)的劃分提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

（4）本文研究表明:利用數(shù)字化聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)潛水器管道泄漏是可行的，且在距泄漏源2 m之內(nèi)、壓力高于0.5 MPa時(shí)具有較高的檢測(cè)靈敏度。

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