夾套式反應(yīng)器內(nèi)管泄漏聲發(fā)射檢測(cè)

劉延軍，戴 光，王 瓊，龍飛飛

（1.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318；2.中國(guó)石油化工股份有限公司 青島安全工程研究院，青島 266071）

夾套反應(yīng)器長(zhǎng)期工作于高溫高壓以及腐蝕性介質(zhì)的工作環(huán)境中，很容易發(fā)生泄漏事故，聲發(fā)射檢測(cè)為防止此類事故發(fā)生提供了比較精確的檢測(cè)方法。由于聲發(fā)射檢測(cè)相對(duì)于其他傳統(tǒng)檢測(cè)方法有著極大的優(yōu)勢(shì)，所以在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用。筆者對(duì)夾套反應(yīng)器內(nèi)管泄漏的聲發(fā)射檢測(cè)進(jìn)行了系列試驗(yàn)［1］。

1 夾套式反應(yīng)器內(nèi)管泄漏聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為試驗(yàn)系統(tǒng)。夾套管由7m 長(zhǎng)內(nèi)管和6m長(zhǎng)外管用法蘭連接而成，管外徑分別為40mm和90mm，壁厚均為6mm。在內(nèi)管上開一個(gè)1mm 的泄漏孔，將內(nèi)外管通過法蘭連接，內(nèi)管上安裝一個(gè)壓力表。采用美國(guó)PAC公司的8通道數(shù)字式聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，選用R3α傳感器（PAC，USA），1 220A 前置放大器。

圖1 夾套式反應(yīng)器聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)

2 試驗(yàn)過程

對(duì)夾套反應(yīng)器通過氣泵加壓至0.12MPa，關(guān)閉氣泵以及反應(yīng)器所有閥門，通過觀察夾套反應(yīng)器內(nèi)管、外管壓力變化檢驗(yàn)反應(yīng)器的密封情況。

將夾套反應(yīng)器的表面拋光處理，作為聲發(fā)射傳感器的檢測(cè)位置。在預(yù)留的傳感器位置貼上聲發(fā)射檢測(cè)傳感器，對(duì)夾套反應(yīng)器上各個(gè)傳感器進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)，以確定傳感器正常工作。

用氣泵對(duì)內(nèi)管加壓至0.12 MPa，每隔30s記錄夾套反應(yīng)器外管、內(nèi)管以及氣泵壓力。關(guān)閉氣泵以及夾套反應(yīng)器各處閥門，對(duì)內(nèi)夾套泄漏孔處的氣體泄漏進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)，每隔30s記錄夾套反應(yīng)器內(nèi)管、外管壓力，此過程持續(xù)至內(nèi)夾套壓力降低為零，記錄夾套反應(yīng)器內(nèi)管氣壓歸零的時(shí)間，并采集一組數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 夾套結(jié)構(gòu)聲源衰減特性衰減特性試驗(yàn)

在內(nèi)管上布置一個(gè)傳感器1號(hào)，在內(nèi)管外套一個(gè)規(guī)格為φ90mm×500mm 的套管，1號(hào)傳感器位于套管正中間，在套管上布置一個(gè)傳感器2 號(hào)。φ0.5mm的HB鉛筆芯折斷模擬源在1號(hào)傳感器根部的幅值為89dB、距離1號(hào)傳感器0.5 m 的幅值為83dB，距離1號(hào)傳感器1m 的幅值為75dB，距離1號(hào)傳感器1.5 m 的幅值為64dB，距離1號(hào)傳感器2m 的幅值為50dB，距離1號(hào)傳感器2.5 m的幅值為0dB。

模擬源在1號(hào)傳感器根部觸發(fā)幅值為99dB聲發(fā)射信號(hào)，2號(hào)傳感器隨著傳播距離的變大接收到的信號(hào)幅值減小。

由以上不同傳播距離下幅值變化可知，從斷鉛源到傳感器2 號(hào)聲發(fā)射信號(hào)幅值由99dB 衰減到89dB；聲波傳到2.5m 時(shí)，HB（0.5）鉛筆芯模擬源信號(hào)幅值由89dB衰減到0dB。可見在泄漏處聲源衰減對(duì)接收信號(hào)影響不大，在管壁軸向距離上，超過2m 后外管傳感器無法對(duì)泄漏口產(chǎn)生的噴流聲源進(jìn)行采集接收。

3.2 泄漏聲發(fā)射信號(hào)隨壓力變化

試驗(yàn)過程中，聲源主要有：內(nèi)管氣體泄漏口處泄漏產(chǎn)生的噴流噪聲；氣體撞擊外管內(nèi)壁產(chǎn)生的聲源；氣體與外管內(nèi)壁摩擦聲源。試驗(yàn)過程中所得到的夾套式反應(yīng)器內(nèi)管壓力變化為非線性，隨著泄壓過程的進(jìn)展，壓力下降速度逐步降低，將所記錄的壓力變化與聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)變化進(jìn)行對(duì)比，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)隨壓力的變化進(jìn)行評(píng)價(jià)。

夾套式反應(yīng)器內(nèi)管泄漏信號(hào)屬于連續(xù)型信號(hào)［2－3］，對(duì)于連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)較常用準(zhǔn)確的分析參數(shù)是ASL（平均信號(hào)電平）和RMS（均方根值）。圖2（a）、（b）為3＃和8＃通道采集的聲發(fā)射信號(hào)RMS與時(shí)間的變化曲線，圖2（c）、（d）為3＃和8＃通道采集的聲發(fā)射信號(hào)ASL與時(shí)間的變化曲線，通過試驗(yàn)過程中內(nèi)夾套實(shí)際壓力隨著時(shí)間的變化與這兩條曲線進(jìn)行對(duì)比，得到聲發(fā)射信號(hào)隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖2 3＃、8＃通道RMS曲線和ASL曲線

由圖2可以看出，3＃和8＃通道采集的聲發(fā)射信號(hào)的ASL 曲線隨時(shí)間呈線性變化，而對(duì)應(yīng)的RMS曲線則呈非線性變化，實(shí)際的內(nèi)夾套壓力變化為非線性變化，所以采用RMS 曲線分析夾套管內(nèi)壓力變化比較恰當(dāng)。

3.3 壓力變化對(duì)泄漏聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的影響

改變泄漏模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的內(nèi)管壓力，使內(nèi)管內(nèi)壓力在0.02～0.12 MPa 之間變化，每次降低0.02 MPa，壓力每改變一次，采集一組泄漏聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)據(jù)。

圖3 泄漏聲發(fā)射信號(hào)的頻譜圖

圖3中的（a）～（e）分別是管道內(nèi)部壓力為0.12，0.1，0.08，0.06，0.04 MPa時(shí)，3＃通道采集的泄漏聲發(fā)射信號(hào)的頻譜，其中橫坐標(biāo)為信號(hào)的頻率，縱坐標(biāo)為信號(hào)的功率譜密度。

圖4 泄漏聲發(fā)射信號(hào)的均方根值－時(shí)間圖

圖4 中的（a）～（e）是管道內(nèi)部壓力分別為0.12，0.1，0.08，0.06，0.04 MPa時(shí)，3＃通道采集的泄漏聲發(fā)射信號(hào)的均方根值即RMS，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為信號(hào)的幅值。由于開閥時(shí)間的不同，聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間也略有不同。

由圖3、圖4可以看出隨著內(nèi)管壓力的減小，泄漏所激發(fā)的聲發(fā)射信號(hào)功率譜密度的幅值在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都呈減小趨勢(shì)，高幅值信號(hào)集中在0～100kHz；夾套式反應(yīng)器泄漏聲發(fā)射信號(hào)的能量與內(nèi)管內(nèi)部壓力基本上呈線性變化關(guān)系，內(nèi)管內(nèi)部壓力越大，泄漏所激勵(lì)出的聲發(fā)射信號(hào)的能量越大。

4 結(jié)語

（1）夾套式反應(yīng)器內(nèi)管泄漏信號(hào)屬于連續(xù)型信號(hào)，試驗(yàn)過程中所得到的夾套式反應(yīng)器內(nèi)管壓力變化為非線性變化，隨著泄壓過程的進(jìn)展壓力下降速度逐步降低，根據(jù)試驗(yàn)分析對(duì)于夾套式反應(yīng)器內(nèi)管泄漏的聲發(fā)射信號(hào)研究可以采用RMS參數(shù)分析；

（2）隨著內(nèi)管壓力的減小，泄漏所激發(fā)的聲發(fā)射信號(hào)功率譜密度的幅值在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都呈減小趨勢(shì)，高幅值信號(hào)集中在0～100kHz；

（3）夾套式反應(yīng)器泄漏聲發(fā)射信號(hào)的能量與內(nèi)管內(nèi)部壓力基本上呈線性變化關(guān)系，內(nèi)管內(nèi)部壓力越大，泄漏所激勵(lì)出的聲發(fā)射信號(hào)的能量越大。

［1］李善春.管道氣體泄漏的聲源與聲發(fā)射信號(hào)特性研究［D］.大慶：大慶石油學(xué)院博士研究生學(xué)位論文.2007.

［2］戴光，劉鵬，張穎，等.管式夾套容器內(nèi)管泄漏聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究［J］.壓力容器，2009，26（6）：1－4.

［3］劉鵬.基于虛擬儀器的夾套管泄漏檢測(cè)方法研究［D］.黑龍江：東北石油大學(xué)，2009.