高壓管匯泄漏聲發射檢測研究

朱祥軍,李 麗，金 莉

（川慶鉆探工程公司安全環保質量監督檢測研究院，四川 廣漢 618300）

0 引 言

高壓管匯的日常檢測，國內目前主要采用的是水壓密封檢測，對于高壓管匯的泄漏檢測還沒有一套獨立的檢測標準和方法，而將聲發射技術運用在高壓管匯泄漏檢測則更是個空白。

產生泄漏主要是因為設備材料腐蝕老化或其他外力作用產生裂紋或者腐蝕孔，亦或是設備密封部位密封不到位，設備內外存在壓力差而使設備內的介質向外泄漏。當產生泄漏時，稱之為被動聲發射，即泄漏聲發射信號[1]。

泄漏聲發射信號的強弱與流體的速度、流量、設備壓力、設備壓降以及流體的物理性質有關。通過試驗可以看出，利用聲發射系統的高靈敏度特性和現代化計算機的高速運轉能力，完全可以快速準確地發現高壓管匯產生微弱信號的泄漏現象。

1 高壓管匯泄漏的聲發射研究

1.1 衰減測試

高壓管匯中的直管、彎頭、三通、四通結構特點是簡單、配件少、尺寸小，在表面傳播的聲波，其特性與方向無關，可以將結構簡化為線性結構，將傳感器布置在一端，以另一端為最遠距離進行測試，用HB鉛筆芯（與殼體表面成30°角）在測點處折斷作為聲發射信號源，將檢測出的信號幅度值一一記錄，結果如圖1所示。

從圖1可以看出，彎頭是高壓管的一類，但是不同于高壓管匯，彎頭內部的連接件較多且多為橡膠件，吸收能量大，因此造成彎頭的衰減量也大。而其彎頭中包括活動接頭，造成聲波衰減不規則。

圖1 管線、彎頭、三通、四通表面聲發射信號衰減曲線

法蘭從結構來看聲波經管線、法蘭面、墊片及螺栓到達另一個法蘭面，因此衰減必然大；而閥門則結構復雜，聲波的傳播途徑無法掌握，這也必然會造成能量的散射衰減。法蘭和閥門的衰減測試如圖2所示。

圖2 法蘭、閥門表面聲發射信號衰減曲線

1.2 布點方案

從圖2看出法蘭和閥門表面衰減較大，10cm的距離衰減了6dB。但是從結構來看，法蘭和閥門聲速雖然小，但由于體積小聲波很快就能傳遍整個設備表面，衰減雖然大，但是在短距離內不受影響；因此，傳感器的布置方案為：將傳感器布置到閥體或法蘭體上，根據閥門或法蘭的大小增加傳感器的數量。

其他管件（除了高壓彎頭）都具備聲速高、衰減小的特點，高壓管線在100cm的距離內衰減不到20dB，而且這些設備外形規則，檢測時可以簡化為線性結構；因此，泄漏檢測的方案為：將傳感器靠近泄漏的位置，參考衰減數據增加傳感器數量，當三通或四通體積小時，可以利用1個傳感器放置在三通或四通殼體的中間部位，同時監測幾個泄漏點。各部件傳感器布置位置見圖3。

1.3 噪聲信號分析

為了研究泄漏信號的參數特性，制作一個試驗件，試驗件以密封螺絲控制泄漏大小，試驗的時候試驗件會發出兩種信號：（1）承壓件擠壓造成受力不均勻變形的噪聲；（2）泄漏時產生的泄漏信號。當讓試驗件不發生泄漏時，采集到的就是影響泄漏判斷的干擾信號。

圖3 管匯泄漏檢測傳感器布置圖

將試驗件的螺絲擰緊，不讓泄漏發生，進行兩次30MPa密封試驗。兩次試驗數據都有很大的相似，試驗過程的聲發射信號特征如圖4所示。

圖4 無泄漏聲發射試驗圖

對兩次采集到的數據進行分析，總結出試驗件中的干擾信號特征：

（1）在升壓階段信號非常明顯，開始穩壓后信號量逐漸減少，1min后處于穩定階段。

（2）試驗中產生的信號不多，而且信號能量值97%在10以下，為承壓件變形信號，另外3%的信號數據相對較大，為螺絲受力和承壓件之間摩擦引起信號。

（3）試驗時觀察圖中ASL參數，很直接地反映了傳感器接受到信號的活躍程度，當聲發射信號不再產生，振鈴技術曲線在穩壓階段已經完全穩定時，ASL仍然有輕微波動，說明ASL參數在反映傳感器接受信號的活躍性的能力要大于其他參數。

1.4 泄漏信號分析

松動泄漏調節螺釘，使得泄漏更加容易產生。重復試驗步驟，將采集到的數據進行總結和對比分析，采集的數據見圖5。

圖5 泄漏信號采集試驗

整個試驗有3類信號發生，在升壓過程及穩壓開始半分鐘內出現第1種信號，這些信號上升時間＞10 000 μs，持續時間＞100 000 μs，能量＞1 000，振鈴計數＞8 000個，幅度高達 60～80 dB，ASL也在40～50dB范圍內。

隨著泄漏的繼續，相應的泄漏量也在逐步減弱，隨之而變化的是泄漏的信號也在逐步變弱，上升時間在 1000～8000μs之間，持續時間在 4000～80000μs之間，能量在10～500之間，幅度降至40～60dB之間，ASL也降到30～40dB之間。這些信號和平時檢測中遇到的金屬摩擦信號及裂紋擴展信號非常相似。

穩壓10min后，泄漏已經非常微弱，這類信號各種特征參數都很小，和平時檢測中的輕微干擾信號非常類似，因此對這類信號也不容易識別。

利用常規的聲發射檢測分析方法來分析這3類出現的信號非常困難，大多金屬壓力容器泄漏產生的是持續彈性波信號，屬于連續型聲發射信號，高壓管匯也不例外。在此理論[2-5]的基礎上經過大量試驗和分析，最后總結出以下3種分析方法。

（1）參數法。聲發射檢測的第1階段是升壓，泄漏量大時，泄漏信號的各項聲發射特征參數都非常大，而且這種信號會連續出現，與正常的聲發射檢測相比這類信號非常突出，這個方法可以貫穿整個檢測過程，穩壓階段也適用。

（2）ASL曲線觀察法。ASL對幅度動態范圍要求高而對時間分辨率要求不高的連續型信號尤為有用。當檢測程序進入穩壓階段，觀察每個聲發射傳感器有無連續不斷的ASL信號來判斷泄漏，這是最直觀最簡單的方式。

（3）波形分析法。利用聲發射信號的原始波形圖像，直觀地反映出信號波的圖像信息來進行判讀。

2 實際應用

實驗設備為美國PAC聲發射系統，傳感器中心頻率為100kHz，放大器增益為40dB，門檻值為40dB。對一組節流壓井管匯進行聲發射檢測，做到第3組密封實驗時，穩壓階段，其他傳感器都很平穩，但有一個閥上的兩個傳感器不間斷地接受到信號，外觀檢查沒有看到存在漏水，因此可利用聲發射來檢測是否有泄漏。

將其他閥上的傳感器取下來，只留下該閥上的6號傳感器和鄰近閥上的7號傳感器做對比觀察，檢測數據見圖6。檢測開始，升壓階段沒有出現異常信號，6、7號傳感器接受的信號特征相似，穩壓后隨著聲發射信號的逐步穩定，在ASL圖中6號傳感器的ASL數據一直都處于高位，如果是裂紋擴展絕對不會出現這種情況，因此可以判定是6號傳感器所在的閥內漏。該閥經返廠檢修后再次檢測聲發射信號正常。

圖6 節流管匯泄漏檢測圖

3 結束語

通過對高壓管匯一系列的聲發射研究測試，分析出聲發射信號在管匯表面中傳播的特征，完整地給出高壓管匯泄漏檢測的傳感器布置方案，系統地總結出管匯泄漏的聲發射信號特征，確定管匯聲發射泄漏檢測及結果評價方法，將幾種不同的分析方式綜合利用，逐步完成泄漏分析。

此外，聲發射信號特征和泄漏量的大小、泄漏孔徑的尺寸及外形、泄漏的介質、設備的壓力等因素有關，如何建立相關物理和數學模型需要進一步研究。

[1]焦敬品，何存富，吳斌，等.管道聲發射泄漏檢測技術研究進展[J].無損檢測，2003，25（10）：519-523.

[2]沈功田，耿榮生，劉時風.聲發射信號的參數分析方法[J].無損檢測，2002，24（2）：72-78.

[3]沈功田，耿榮生，劉時風.聲發射信號處理和分析技術[J].無損檢測，2002，24（1）：23-28.

[4]朱祥軍.石油高壓管匯聲發射特性的研究[J].中國測試，2010，36（4）：21-24.

[5]耿榮生，沈功田，劉時風.基于波形分析的聲發射信號處理技術[J].無損檢測，2002，24（6）：257-261.