申林 侯東明 齊紅元

北京交通大學機械與電子控制工程學院

油氣儲罐作為液化石油氣的常用存儲設備，其對質量的要求相當高。液化石油氣儲罐多在易燃易爆、腐蝕性工況下工作，其罐體由于疲勞、泄漏、腐蝕、開裂等導致的安全事故在國內外時有發(fā)生，因此如何進行高效、精確的油氣儲罐檢測成為亟待解決的問題[1-4]。

早期罐體檢測方法有脈沖渦流探傷、漏磁檢測、探測球檢測、分段試壓及超聲層析成像檢測等[5-7]。隨著現(xiàn)代控制理論在工程上的應用，出現(xiàn)了泄漏聲波法，負壓力法及頻率響應法等[8-9]。脈沖渦流檢測易受溫度等外界因素的影響，且檢測儀器放置位置的遮擋也會影響測量精度；實際的罐體漏磁檢測數(shù)據(jù)采集量極大，對數(shù)據(jù)的篩選與分析十分困難；探測球雖然檢測精度高、適用性廣，但若壓差較小則難以識別；超聲層析成像技術檢測精度高，但需去除外部隔離層，保證罐體完全外漏，且檢測周期長，操作不便。聲發(fā)射技術(Acoustic Emission，簡稱AE)作為一種在線的動態(tài)檢測方法，可以利用來自缺陷本身的聲發(fā)射信號，對油氣儲罐損傷泄漏的存在狀態(tài)進行連續(xù)的實時監(jiān)測，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，提取反映損傷特征狀態(tài)的聲發(fā)射信號參數(shù)，可以分析疲勞損傷萌生的時間，探尋損傷隨時間擴展的變化歷程[10-13]。

如何提高聲源的定位精度、最大限度地減少漏定位和偽定位,是聲發(fā)射檢測與評定結果的關鍵。通過對聲發(fā)射技術理論及實驗研究成果、現(xiàn)場聲發(fā)射檢測的經驗,以油氣儲罐中部分區(qū)域作為研究對象，為分析計算方便，將其周向展開，并對聲發(fā)射檢測中的聲源定位問題進行探討,并提出相應的優(yōu)化方法。

1 聲發(fā)射源定位原理及誤差機理分析

1.1 定位原理

由于油氣儲罐為大半徑空心儲罐，故在分析時通常將其弧面展開，采用平面時差法定位，如圖 1 所示。在布置3個傳感器的平面聲發(fā)射源定位中，可以獲得3個傳感器接收到的聲發(fā)射信號及到達次序、到達時間，并計算得出兩組時差[14-16]，計算如式(1)～式(2)。

Δt2·v=r2-R

(1)

Δt1·v=r1-R

(2)

式(3)、式(4)表示經過聲發(fā)射源的兩條雙曲線，其交點即為聲發(fā)射源所在位置,如圖2所示。

(3)

(4)

設由傳感器 S1、S3之間的時差Δtx所求雙曲線為1，由傳感器S2、S4之間的時差Δty所求雙曲線為2，且傳感器S1與S3、S2與S4之間的距離為分別為a、b，v為聲波在介質中的傳播速度，則由幾何關系可知，聲發(fā)射源就位于雙曲線1、2的交點Q(x,y)。

表征損傷位置的聲發(fā)射源Q(x,y)可由式(5)～式(7)求得：

(5)

(6)

(7)

以上公式推導都是在理想均勻材質條件下得出的，即聲波在均勻介質中以恒定速度傳播，各個通道之間的時差準確，根據(jù)解析幾何關系進行推到得到的聲源位置。但是在實際工程應用中，源定位精度會受到各種外界因素的干擾。

1.2 誤差機理分析

通過對儲罐側面展開定位原理的公式推導，可以看出影響源定位精度的因素包括兩個方面，即波在介質中的傳播速度和各個通道接收到的時差的準確性[17]。針對這兩個方面，下面分別對各自的影響因素進行分析，從而實現(xiàn)源定位精度誤差分析。

1.2.1時差測量誤差

計算各通道之間時差的關鍵就是要得到各個通道信號的達到時間，通常把首次超過閾值時間、峰值時間或n次振鈴時間等作為信號到達時間。在聲發(fā)射采集系統(tǒng)中，傳感器采集到聲發(fā)射源發(fā)出的脈沖信號如圖3所示。

影響時差準確性的因素主要包括噪聲干擾、信號衰減、尺寸效應、材料局部結構缺陷等，而聲發(fā)射信號的衰減特性也在一定程度上影響了聲發(fā)射源定位的準確度。如果存在噪聲干擾，或當噪聲較大或者門檻較低時，聲發(fā)射系統(tǒng)也會把噪聲當作有用的聲發(fā)射信號進行處理，從而給信號到達時間的判斷帶來誤差[18-20]。

1.2.2波速測量誤差

波的傳播速度與介質的彈性模量和材料密度有關，在均勻介質中，縱波與橫波的速度可分別用式(8)、式(9)計算：

(8)

(9)

式中：v1為縱波速度，m/s；vs為橫波速度，m/s；E為楊氏模量，MPa；G為切變模量，MPa；σ為泊松比；ρ為密度，g/m3。

各種類型的彈性波在不同傳播介質中的傳播速度也各不相同，從式(8) 和式(9) 可看出，材料的結構、形狀、尺寸、各項異性和內部介質屬性等都會對彈性波的傳播速度產生一定的影響。在實際工程應用中，通常通過多種原位測試手段，根據(jù)不同的測點間距來測量彈性波的實際傳播速度。

2 試驗驗證

2.1 試驗裝置選擇

試驗用聲發(fā)射設備為美國物理聲學公司(PAC)生產的PCI-E聲發(fā)射系統(tǒng)(見圖4)。主要由前置放大器、聲發(fā)射傳感器、聲發(fā)射卡、聲發(fā)射采集軟件(AE-win)4部分組成。聲發(fā)射系統(tǒng)的作用是把傳送到物體表面的彈性波變換成電信號，不同材料發(fā)出的聲發(fā)射信號的頻率相差很大，本試驗選擇最適合儲罐材料的峰值頻率為30 kHz的R3a傳感器。為滿足信號處理的需要，本試驗選擇增益為40 dB放大器，選擇20～400 kHz的濾波范圍。試驗對象為油氣儲罐罐體部分區(qū)域，范圍為150 cm×150 cm，如圖5所示。

2.2 試驗內容及步驟

經傳感器耦合質量檢測確認后，進行波速值測量。首先通過設置不同門檻值，在罐壁試驗區(qū)域中心位置進行斷鉛試驗，測試噪聲對定位精度的影響；然后來通過更換傳感器的布置位置，探究信號衰減、尺寸效應等因素對定位精度的影響；最后對儲罐壁進行破壞，探究結構缺陷、傳播方式對定位精度影響。在所選試驗區(qū)域的3種傳感器布置方案如圖6所示。

3 試驗結果分析

分析波速對定位精度的影響(布置方案1)。根據(jù)材料聲學矩陣測量結果，計算出波速在金屬儲罐中傳播的平均值為4 437 737.6 mm/s，并以測得的實際波速均值為系統(tǒng)定位設置波速，其比理論波速定位精度高，能夠在一定程度上避免由于材質不均勻、結構缺陷等造成的影響，進一步提高定位精度。

分析傳感器布置對定位精度的影響(試驗門檻45 dB)。本次試驗分別以3種布置方案進行斷鉛試驗，分別進行5組試驗，其測量結果見表1。

通過對比表1中3種傳感器布置方案下傳感器采集到脈沖信號的位置坐標可以發(fā)現(xiàn)，布置方案1的誤差值較大，并且其誤差波動也較大；而布置方案3試驗結果則較為滿意，其偏差距離均小于布置方案1 的最小值0.98 cm，且其定位精度也較為理想，5組試驗中最小偏差距離僅為0.36 cm。說明不同布置方案的傳感器得到脈沖信號的定位精度也各不相同，各傳感器與信號源距離越遠，信號衰減越大，則定位精度越差；傳感器越靠近邊緣，定位精度相應地也會變差，合理的傳感器布置位置可以在一定程度上克服信號衰減、尺寸效應等因素對定位準確性的影響。

分析結構缺陷對定位精度的影響(布置方案1，試驗門檻45 dB)。本次試驗選擇同一儲罐罐壁已知損傷區(qū)域(腐蝕)來研究其結構變化對定位精度的影響,分別以完好罐壁區(qū)域、同樣大小的損傷罐壁區(qū)域進行斷鉛試驗，設損傷罐壁試驗為定位組1，參照完好罐壁試驗為定位組2，其測量結果見表2。

由于儲罐損傷部位范圍較大，故采用布置方案1中傳感器位置作為對照試驗。從表2可以看出，罐壁在被破壞后，其內部結構也發(fā)生了相應的改變，則其定位精度就大大降低。破壞后的儲罐失去了其原有的性能，由于罐壁的不均勻變形，其內部會產生一定的殘余內應力，導致彈性波在罐壁中的傳播路徑及傳播速度發(fā)生改變，使得波速場定位產生諸多干擾因素，導致定位誤差增大。

表1 不同布置方案定位精度比對Table 1 Location accuracy comparison of different layout schemescm編號斷鉛位置布置方案1偏差距離1布置方案2偏差距離2布置方案3偏差距離31(75,75)(76.2,75.7)1.39(75.7,75.1)0.71(75.2,75.3)0.362(75,75)(75.7,75.9)1.14(75.7,75.7)0.99(75.6,75.1)0.613(75,75)(76.9,74.4)1.99(74.9,73.9)1.10(75.4,74.8)0.634(75,75)(74.6,74.1)0.98(74.5,75.6)0.78(74.6,74.4)0.575(75,75)(76.1,75.2)1.12(75.8,75.7)1.06(75.5,75.6)0.78

表2 損傷區(qū)域與完好區(qū)域定位精度比對Table 2 Location accuracy comparison between intact area and damaged areacm編號斷鉛位置定位組 1偏差距離1定位組 2偏差距離21(75,75)(79.7, 82.6)8.94(76.2, 75.7)1.392(75,75)(83.7, 72.9)8.95(75.7, 75.9)1.143(75,75)(77.7, 68.7)6.95(76.9, 74.4)1.994(75,75)(68.8, 71.8)6.98(74.6, 74.1)0.985(75,75)(79.3, 78.7)5.67(76.1, 75.2)1.12

試驗說明在金屬材料中進行聲發(fā)射定位時，為保證定位精度，應盡可能地保持材料的完整性及均勻性。在后續(xù)的試驗中，可以探尋不同損傷位置和損傷大小對定位精度的影響，為已破損金屬部件損傷位置精確定位提供幫助。

4 結 論

通過對油氣儲罐的聲發(fā)射源定位原理及誤差機理分析，得到影響聲發(fā)射源定位精度的主要參數(shù)，對主要參數(shù)進行分析后，得出影響參數(shù)準確性的關鍵因素，然后通過試驗設計，完成試驗驗證，最后對試驗結果進行分析得出提高油氣儲罐聲發(fā)射無損檢測定位精度的優(yōu)化方法。本次研究主要結論如下：

(1) 通過合理門檻值的設置來提高各通道時差的準確性。能夠在一定程度上克服門檻值過低導致噪聲影響時差準確性以及門檻過高導致由于信號較弱而錯漏的情況，從而提高時差計算的準確性，實現(xiàn)定位精度優(yōu)化。

(2) 通過合理布置傳感器的位置及數(shù)量來優(yōu)化定位精度。合理的傳感器布置位置可以在一定程度上克服信號衰減、尺寸效應等因素對定位準確性的影響，合適的傳感器個數(shù)可以減小偽信號源對定位位置分析的干擾，并最大限度地節(jié)約成本，從而提高時差計算的準確性，實現(xiàn)定位優(yōu)化。

(3) 試驗材質的完好性也是影響定位精度非常重要的因素，所以在實驗室研究前一定要檢查材質質量，以及在試驗過程中保持試驗材質的完好性，從而提高時差計算的準確性，實現(xiàn)定位優(yōu)化。