基于小波包的閥門內漏聲發射信號特征研究

蔣 鵬 李 偉 賈 鑫 賈招弟

(東北石油大學機械科學與工程學院)

閥門廣泛應用于石化、冶金、航空航天及電力等領域，在實際使用中，對閥門的密封性要求很高。一旦閥門出現內漏，將引發嚴重的安全事故，因此使用無損檢測方法及時、準確地發現閥門的泄漏，對避免重大安全事故的發生和保證安全生產、節省維修費用具有重要意義。

近年來聲發射技術廣泛應用于閥門內漏狀態檢測中[1，2]。聲發射是指材料或構件內部因應力超過屈服極限而進入不可逆的塑性變形階段或有裂紋形成和擴展、斷裂時快速釋放出應變能而產生瞬態應力波的現象[3,4]。聲發射檢測技術作為一種完整性評價方法，適用于在線連續監控檢測，其結果直觀、操作方便。正因為這些優點，聲發射檢測技術在閥門泄漏故障診斷中得到廣泛應用。

1 閥門內漏聲發射信號小波分析方法

1.1小波與小波包分析理論

由于泄漏聲發射信號是一種非平穩隨機信號，利用傅里葉變換分析無法解決時間和頻率分辨率的矛盾[5]，而小波分析作為一種新的時頻分析方法，它的多分辨率特點使其可以更加有效地實現信號的時域和頻域的分析。小波在信號分析中的應用十分廣泛，可用于時頻分析、信號噪聲的分離、信號的識別與判別及求分形指數等。

小波變換的含義為：將某一稱為基本小波的函數ψ(t)做位移τ后，再在不同尺度a下與待分析信號x(t)做內積：

其中，X(ω)、ψ(ω)分別為x(t)、ψ(t)的傅里葉變換。

小波ψ(t)經過伸縮和平移后得到的一系列函數ψa，τ(t)稱為小波基函數。

小波變換的多分辨率分析在時域和頻域同時具有良好的局部化性質，是目前聲發射信號處理中應用最廣泛的方法之一[6]。小波包是小波分析的一種推廣，可對頻帶進行多層次劃分，并得到任意子帶寬度的組合。因此可對小波分析未分析到的高頻信號進行深層次的分解，以便提高時頻分辨率。筆者對檢測信號進行小波包分析時所選的是Daubechies小波基。

1.2小波包分析參數設置

聲發射檢測系統信號采樣率為1MS/s，可檢測信號頻帶范圍0～500kHz。采用db10小波基將閥門內漏聲發射信號進行5層小波包分解，得到[5，0]、[5，1]、[5，2]、…、[5，32]共32個小波包。由于氣體介質閥門內漏聲發射信號頻率主要集中在0～200kHz，因此筆者選擇1～13節點(編號為P1～P13)重點分析，各節點頻率范圍見表1。

表1 各節點頻率范圍

2 實驗研究

實驗所用的氣體介質閥門泄漏故障模擬裝置與聲發射檢測系統如圖1所示。氣體介質閥門泄漏故障模擬裝置主要包括空氣壓縮機、被測閥門、壓力表、氣體流量計及氣體增壓機等。本實驗采用PCI- 8型聲發射檢測系統作為泄漏聲發射信號檢測系統，該系統主要包括R3α傳感器、2/4/6前置放大器、聲發射數字采集處理卡及分析軟件AEwin等。

圖1 閥門泄漏故障模擬實驗臺與聲發射檢測系統示意圖

聲發射檢測系統參數設定如下：

通道 8通道

門檻值 35dB

前置放大器增益 40dB

采樣率 1MS/s

預觸發時間 256μs

波形采集 打開

傳感器類型 R3α型

傳感器數量 4

采集參數 時間、幅值、能量及撞擊等

實驗前，首先對環境噪聲進行采集，根據環境噪聲的等級確定聲發射實驗門檻值，并在斷鉛模擬信號對傳感器進行標定后開始檢測。由于在被檢閥門完全閉合時開啟空壓機聲發射系統未檢測到信號，因此安裝在法蘭上的傳感器所采集到的信號為閥門氣體內漏所產生的信號。實驗由空壓機將進口壓力p增至0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0MPa時，分別采集泄漏量Q為1、3、5、7、9、11、13、15L/min工況下的聲發射信號。

3 實驗結果與分析

圖2為實驗所得閥門在進口壓力0.2MPa、泄漏量5L/min時泄漏信號的時域波形圖和頻譜圖。經分析，閥門在不同泄漏量與不同進口壓力下產生的聲發射信號各參數(如幅值、能量及頻率等)大小隨泄漏量和進口壓力的不同而變化。該聲發射信號為連續型。信號經過快速傅里葉變換后得到如圖2b所示的頻域波形圖，可看出閥門內漏所產生的聲發射信號頻率范圍主要集中在0～200kHz。

a. 波形圖

b. 頻譜圖

通過對實驗所采集的信號進行參量分析，可以得到閥門在不同進口壓力和泄漏量下的聲發射信號參數分布規律。現以閥門在進口壓力0.5MPa、泄漏量5L/min時的實驗數據為例，經處理后得到各特征參數與閥門的進口壓力和泄漏量的對應關系如圖3所示。

由圖3可知：在閥門泄漏量增大和進口壓力增加的過程中，其聲源活性增強。聲發射信號的各個相關參數也以不同幅度相應增加。能量在進口壓力為0.2MPa時開始迅速增大，振鈴計數也有上升趨勢，但是相對比較緩慢，幅值隨進口壓力和泄漏量的增加逐漸增大，RMS值隨進口壓力的增加近似線性變化。由此可以看出聲發射信號特征參數與閥門進口壓力、泄漏量的變化成正比。將0.5MPa進口壓力時不同泄漏量下的聲發射信號RMS值按照lgRMS=blgQ+c進行擬合，得到b=0.4034，c=0.5248，進而建立閥門內漏聲發射信號RMS值與泄漏率之間的函數，利用其函數關系可以實現閥門內漏狀態的定量分析，函數曲線如圖3d所示。

a. 能量、振鈴計數隨進口壓力變化

b. 幅值隨進口壓力(泄漏量)變化

c. RMS值隨泄漏率變化

d. RMS值與泄漏量的雙對數關系

為進一步確定閥門內漏聲發射信號的頻率范圍，并最終實現信號的有效識別，將采集到工況下的聲發射信號按小波包進行能譜分析。由圖4可知，泄漏量為5L/min時，閥門在進口壓力為0.1～1.0MPa所產生的信號能量主要分布在P1～P5頻帶上，其頻率范圍為0.000～78.125kHz，在31.250～46.875kHz范圍內能量比最高。從圖5可知，進口壓力為0.5MPa時，閥門在泄漏量為1～15L/min產生的信號的能量主要分布在P1～P7頻帶上，其頻率范圍為0.000～109.375kHz，在15.625～31.250kHz范圍內能量比最高。

圖4 閥門在泄漏量為5L/min時各工況下泄漏信號各頻率段的能量比

圖5 閥門在進口壓力為0.5MPa時各工況下泄漏信號各頻率段的能量比

4 結論

4.1閥門內漏所產生的聲發射信號頻率范圍較寬且為連續型波形，該信號頻率范圍主要集中在0～200kHz。閥門內漏聲發射信號RMS值與泄漏量之間存在著雙對數關系，在0.5MPa下為lgRMS=0.4034lgQ+0.5248。因此可根據實測數據利用對數關系估算閥門泄漏量。

4.2閥門內漏聲發射信號小波包分析結果表明閥門內漏聲發射信號主要能量集中在P2、P3、P4頻帶，其頻率范圍為15.625～62.500kHz。此區間最高能量比在30%左右，該區間能量比之和約占總能量的70%。

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