，，

(1.南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院,南京 210019；2.大連民族大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，大連 116600；3.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318)

夾套結(jié)構(gòu)設(shè)備是化學(xué)行業(yè)中比較通用的裝置，其主要由主體和夾套兩部分組成。夾套結(jié)構(gòu)設(shè)備的內(nèi)管易產(chǎn)生腐蝕、磨損、疲勞等問(wèn)題，進(jìn)而發(fā)生內(nèi)管泄漏事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年夾套結(jié)構(gòu)設(shè)備失效事故約 40 多起，其中夾套結(jié)構(gòu)中的內(nèi)管為首要影響因素[1]。因此，夾套結(jié)構(gòu)的檢測(cè)和評(píng)價(jià)得到了越來(lái)越多的重視。

聲發(fā)射檢測(cè)是一種動(dòng)態(tài)的無(wú)損檢測(cè)方法，其具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，可以有效檢出活性缺陷，適用于長(zhǎng)期連續(xù)地監(jiān)測(cè)缺陷，這是其他無(wú)損檢測(cè)方法難以實(shí)現(xiàn)的。特別是在管道泄漏領(lǐng)域，聲發(fā)射檢測(cè)得到了廣泛關(guān)注，并取得了大量成果[2-9]。在泄漏評(píng)價(jià)方面，ISERMANN等采用相互分析技術(shù)對(duì)流入和流出端口的信號(hào)進(jìn)行了分析，極大地提高了分析的精確度。20世 紀(jì)90年代，殼牌公司在這方面有了突破性研究，發(fā)明了一種新的統(tǒng)計(jì)檢測(cè)泄漏方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力和流量間相互關(guān)系的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[10]，然而該方法在泄漏定位方面準(zhǔn)確度不高。2014年，東北石油大學(xué)王瓊[11]采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)夾套結(jié)構(gòu)的內(nèi)管泄漏檢測(cè)進(jìn)行了研究，提出了夾套內(nèi)管泄漏聲發(fā)射信號(hào)的變化規(guī)律。2016年，劉延軍[12]對(duì)夾套內(nèi)管泄漏的聲源機(jī)理進(jìn)行了理論分析，并采用聲發(fā)射技術(shù)分析了不同參量對(duì)泄漏信號(hào)的影響。綜上可知，國(guó)內(nèi)外關(guān)于管道檢測(cè)的研究眾多，但是關(guān)于夾套結(jié)構(gòu)泄漏檢測(cè)以及聲發(fā)射評(píng)價(jià)參量的研究卻很少，且仍處于試驗(yàn)研究階段。筆者針對(duì)夾套結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)的評(píng)價(jià)問(wèn)題，開(kāi)展了聲發(fā)射評(píng)價(jià)參量和定位技術(shù)的研究，解決了夾套結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)的部分瓶頸問(wèn)題，提高了評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度，推動(dòng)了夾套結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，提高了聲發(fā)射技術(shù)在夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏檢測(cè)方面的評(píng)價(jià)效果。

1 聲發(fā)射評(píng)價(jià)參量研究

目前，常用的聲發(fā)射評(píng)價(jià)參量包括幅值、平均信號(hào)電平以及均方根電壓等，對(duì)泄漏的評(píng)價(jià)常采用RMS(均方根電壓)和ASL(平均信號(hào)電平)。聲發(fā)射波形信號(hào)以撞擊為單位，每個(gè)試驗(yàn)信號(hào)包含N個(gè)撞擊信號(hào)，記為S=[s0,s1,s2,s3,…,sN-1]，每個(gè)撞擊信號(hào)的采樣點(diǎn)為n，記為sn=[x0,x1,x2,…,xn-1]，則

(1)

ASL=20×lgRMS-Pre

(2)

式中：Pre為前置放大器增益，dB。

RMS算法是基于單一撞擊信號(hào)進(jìn)行的，能及時(shí)反映當(dāng)前信號(hào)強(qiáng)度，而ASL通過(guò)對(duì)數(shù)運(yùn)算降低了參數(shù)值的波動(dòng)，更能體現(xiàn)信號(hào)規(guī)律。然而，夾套內(nèi)管泄漏聲發(fā)射信號(hào)屬于連續(xù)信號(hào)，基于單一撞擊信號(hào)的聲發(fā)射評(píng)價(jià)不能完整而準(zhǔn)確地反應(yīng)設(shè)備缺陷的真實(shí)情況。針對(duì)夾套內(nèi)管泄漏信號(hào)的連續(xù)性特點(diǎn)，綜合RMS、ASL在聲發(fā)射評(píng)價(jià)中所表現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)造了平均能量(AE)作為夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏聲發(fā)射評(píng)價(jià)參量，算法如式(3)所示。

(3)

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)方案

為了研究夾套內(nèi)管氣體泄漏過(guò)程的聲發(fā)射響應(yīng)，搭建了夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏的模擬試驗(yàn)平臺(tái)(見(jiàn)圖1)，用來(lái)模擬內(nèi)管氣體的泄漏過(guò)程，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏模擬試驗(yàn)平臺(tái)示意

系統(tǒng)主要由夾套結(jié)構(gòu)泄漏模擬系統(tǒng)和聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)兩部分組成，所用夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管的外徑為60 mm，壁厚為3 mm，長(zhǎng)度為4 650 mm；外管的外徑為142 mm，壁厚為6 mm，長(zhǎng)度為4 750 mm。

聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、前置放大器、聲發(fā)射檢測(cè)儀以及聲發(fā)射軟件等組成，聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。試驗(yàn)選用R3α型諧振式傳感器，2/4/6型前置放大器(增益為40 dB)，PCI-8聲發(fā)射采集卡(采樣頻率為1 MHz，采樣長(zhǎng)度為1 024個(gè)點(diǎn))。

圖2 聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖

聲發(fā)射傳感器布置于夾套外管的外管壁，呈線性分布，其中2#傳感器正對(duì)泄漏孔。試驗(yàn)選用4根相同尺寸管道作為夾套內(nèi)管，在如圖1所示位置人工開(kāi)孔，孔徑分別為1.0，1.2，1.8，2.0 mm。泄漏孔位置距密封法蘭1 300 mm。采用5 m3立式儲(chǔ)罐作為氣源以保證泄漏過(guò)程壓力穩(wěn)定，分別在0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 MPa壓力下進(jìn)行泄漏試驗(yàn)，采用聲發(fā)射模式采集數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

基于波形數(shù)據(jù)及AE的算法，采用MATLAB軟件重新計(jì)算生成的聲發(fā)射參量，根據(jù)撞擊信號(hào)選取幅值最大原則選取最大幅值撞擊信號(hào)，得到AE與ASL隨壓力P的變化曲線(見(jiàn)圖3)。

圖3 AE，ASL與壓力的關(guān)系曲線

近年來(lái)的研究表明[15]，夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏信號(hào)幅值隨泄漏孔孔徑的增大而增大，然而從聲發(fā)射角度進(jìn)行分析，采用幅度進(jìn)行評(píng)價(jià)不能代表泄漏強(qiáng)度，然而采用ASL-P曲線分別在孔徑為1.0，1.2 mm，壓力為0.2 MPa處和孔徑為1.8，2.0 mm，壓力0.1 MPa處存在交叉，即不同孔徑、相同壓力下泄漏信號(hào)ASL幅值相同，這顯然會(huì)帶來(lái)評(píng)價(jià)誤差。新構(gòu)建的AE參量所形成的曲線顯然更利于夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏的評(píng)價(jià)。同一泄漏孔下，AE隨著夾套內(nèi)壓力的上升而增加；相同壓力下，隨著泄漏孔孔徑的增大，幅值也隨之增加。

3 互相關(guān)定位研究

由于夾套設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聲源眾多，無(wú)法保證所采集信號(hào)為同源信號(hào)，進(jìn)而給定位造成困難，故采用互相關(guān)定位方法對(duì)夾套內(nèi)管泄漏進(jìn)行定位。采用2.1節(jié)中的試驗(yàn)方案進(jìn)行夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏模擬試驗(yàn)，在TRA模式(特殊采集操作模式)下以同步觸發(fā)方式采集試驗(yàn)信號(hào)。

以?shī)A套管道靠近1#傳感器一端的某處作為坐標(biāo)原點(diǎn)(即泄漏孔坐標(biāo)為1 300)進(jìn)行互相關(guān)定位。由于5#，6#傳感器距離信號(hào)源較遠(yuǎn)，且距離夾套外管端部較近，對(duì)反射信號(hào)與直接信號(hào)相關(guān)性影響較大，所以以1#傳感器信號(hào)為參考信號(hào)，分別以2#，3#，4#傳感器信號(hào)作為被測(cè)信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)定位計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

圖4 互相關(guān)定位結(jié)果

在圖4中，各峰值所對(duì)應(yīng)的距離即泄漏孔的定位坐標(biāo)，紅色直線處為泄漏孔的實(shí)際坐標(biāo)，互相關(guān)定位結(jié)果及誤差如表1所示。

4 結(jié)論

表1 互相關(guān)定位結(jié)果及誤差

(1) 通過(guò)分析ASL，RMS參量的算法，構(gòu)造新的聲發(fā)射評(píng)價(jià)參量AE，并通過(guò)夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏模擬試驗(yàn)將AE-P曲線與ASL-P曲線進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，AE不僅能表征泄漏信號(hào)的強(qiáng)度，而且曲線區(qū)分度較大，評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性較高。

(2) 泄漏孔徑不變，AE隨著壓力的增大而增大；相同壓力下，泄漏孔孔徑越大，AE越高。

(3) 根據(jù)夾套設(shè)備結(jié)構(gòu)和聲源的特點(diǎn)，采用互相關(guān)定位法對(duì)夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏的聲源進(jìn)行定位研究，結(jié)果誤差低于10%。