閥門內(nèi)漏聲波監(jiān)測及其信號特征提取方法

林偉國， 吳石恩

(北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

壓力容器和管道廣泛應(yīng)用于石化企業(yè)中易燃易爆氣體、化工原料和危險化學(xué)品的儲存和輸送，連接及控制這些物質(zhì)輸送的是各種各樣的閥門。由于腐蝕、老化、摩擦等原因造成閥門內(nèi)部密封面不嚴(yán)，引發(fā)內(nèi)部泄漏。閥門內(nèi)部泄漏不僅會造成能源的浪費，還會造成環(huán)境污染和人員傷亡。因此，若能及時監(jiān)測到閥門的泄漏，并能及時修復(fù)，對于提高生產(chǎn)效率和節(jié)能減排具有重大的意義。

早期用于閥門泄漏檢測的方法主要有加壓檢測法、真空檢測法和氣泡法[1]。這些方法不僅要求閥門必須處于停用狀態(tài)，而且還需要將閥門從管件上卸下進(jìn)行檢測。閥門容易受到損傷、非在線檢測和效率低是這類方法不適用于工業(yè)環(huán)境下在用閥門泄漏檢測的主要原因。

針對工業(yè)現(xiàn)場閥門內(nèi)漏的在線無損檢測，人們做了大量實驗研究,提出了壓降法、振動法、熱紅外法、超聲檢測法、光纖檢漏法和聲發(fā)射檢測法等技術(shù)。

壓降法在閥門泄漏檢測中應(yīng)用很多，通過在閥門上下游各安裝一只壓力傳感器，實時監(jiān)測閥門上下游的壓力，若上游壓力顯著減小而下游壓力增加，則可以確定閥門的密封性不夠好[2-3]。壓降法對于快速突發(fā)性的大泄漏具有很好的檢測效果，但對微小泄漏檢測效果不理想[4]。此外，由于需要打孔安裝壓力傳感器，因此它不是一種嚴(yán)格意義上的無損檢測方法，在實際應(yīng)用中很難得到推廣應(yīng)用。

熱紅外法又稱溫度記錄法，該方法對熱量損失和溫度超標(biāo)的情況具有很好的檢測靈敏度[5]，根據(jù)管道上下游表面溫度的差異變化來判斷閥門是否發(fā)生泄漏，此方法受環(huán)境溫度影響比較大，只適用于流體溫度與環(huán)境溫度有顯著差別的場合[6]。

振動法是利用加速度傳感器檢測閥門內(nèi)漏時引起的管道振動信號，Thompson等[7-8]做了大量實驗，研究了氣體閥門內(nèi)漏時產(chǎn)生的振動信號的時頻域特征，結(jié)果表明該方法具有較高的檢測靈敏度。在實驗室環(huán)境下能有效檢測出較低壓差(50 kPa)和微小泄漏率(0.5 l/min)的閥門內(nèi)漏，并且泄漏產(chǎn)生的振動信號的中心頻率只與管道直徑有關(guān)，與泄漏率、上下游壓力差、閥門種類和管道材質(zhì)、厚度無關(guān)。振動檢測法的缺點是其對閥門內(nèi)漏和環(huán)境噪聲具有同等敏感度，在0～20 kHz的信號頻率范圍內(nèi)混疊了大量背景噪聲，抗干擾能力不強(qiáng)，在敲擊管道的情況下，系統(tǒng)也會判斷為閥門內(nèi)漏。Smith[9]在工業(yè)環(huán)境背景噪聲不可控的條件下做了大量的實驗研究，結(jié)果表明振動法檢測閥門內(nèi)漏具有很高的不確定性。

超聲檢測法利用超聲傳感器檢測閥門泄漏產(chǎn)生的超過20 kHz的超聲信號，在40 kHz頻率附近超聲能量比較大，泄漏聲和本底噪聲能量差值也最大。以40 kHz作為中心頻率，通過分析中心頻率及附近的信號頻譜，可以有效地診斷出閥門運行狀況。這種方法適用于泄壓閥和隔離閥的內(nèi)漏檢測，但超聲檢漏法只能用于流經(jīng)漏孔的氣體為湍流的場合，對于小漏孔、氣流為層流或分子流及液體閥門內(nèi)漏，該方法很難適用[10-11]。

聲發(fā)射是一種廣泛應(yīng)用于故障診斷的無損檢測技術(shù)[12]。閥門內(nèi)漏時介質(zhì)流過閥門產(chǎn)生的聲發(fā)射信號為連續(xù)性的高頻信號(大于25 kHz)，隨著距離的增加，信號能量迅速衰減。將濾波器的頻帶范圍設(shè)置為100～400 kHz，可以有效的濾除較低頻段的環(huán)境和結(jié)構(gòu)背景噪聲，同時在一定程度上防止頻率過高信號衰減過快的現(xiàn)象[13]。基于聲發(fā)射技術(shù)的閥門內(nèi)漏檢測方法目前得到了廣泛的應(yīng)用。Sharif等[14]采用在閥門兩側(cè)法蘭上分別安裝聲發(fā)射傳感器的方法檢測氣體通過閥門的內(nèi)漏信號，在110.3 kPa壓差條件下最小可檢測泄漏量為0.2 l/min。Lee等[15]實驗研究了在300 kPa、600 kPa、900 kPa壓差和不同泄漏孔徑(0.5 mm,1.0 mm,1.2 mm,1.5 mm和1.4 mm)條件下，水通過閥門內(nèi)漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的時頻域特征。實驗結(jié)果表明泄漏信號的均方根值與壓差和泄漏率相關(guān)，特征頻率與壓差和泄漏率無關(guān)，與故障模式相關(guān)。聲發(fā)射檢測法也有一定的局限性，由于其中心頻率普遍在150 kHz左右，且采樣頻率高達(dá)1 MHz以上。這個特性不僅要求硬件設(shè)備具有很高的處理速度和較大的存儲空間，而且對于信號的分析處理、特征提取和診斷建模也有較大的影響。

葉子等[16]提出了一種超高動態(tài)范圍的全光纖超聲傳感系統(tǒng)，針對閥門發(fā)生泄漏時伴隨產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象，利用光纖的光彈效應(yīng)，將聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生的超聲信號轉(zhuǎn)換為光纖中傳輸?shù)墓庑盘柕南辔蛔兓晒饴犯缮娼Y(jié)構(gòu)將光信號的相位改變量轉(zhuǎn)換為兩路干涉輸出信號的幅度量，通過相位解調(diào)還原算法和功率譜分析，實現(xiàn)對超聲信號的探測和提取。經(jīng)過閥門泄漏實地測試驗證了全光纖超聲傳感系統(tǒng)的實用性和可行性,結(jié)果表明其超聲傳感系統(tǒng)的動態(tài)范圍高達(dá)82.5 dB,對大信號和小信號情況均可實現(xiàn)靈敏監(jiān)測。因為此方法檢測的信號源為聲發(fā)射信號，光電探測器帶寬為200 M，數(shù)據(jù)采樣頻率高達(dá)10 GHz,具有與聲發(fā)射檢測法一樣的局限性，其硬件實現(xiàn)成本極高，工程實現(xiàn)復(fù)雜。

針對上述方法中振動法存在的抗干擾性不強(qiáng)和聲發(fā)射法要求采樣速率高、工程實現(xiàn)困難等缺點，本文提出一種基于雙聲波傳感器的液體閥門內(nèi)漏非介入式監(jiān)測方法，大量實驗以及可重復(fù)性結(jié)果表明，該方法靈敏度高、信號有效頻率低(小于5 Hz)，不受環(huán)境噪聲和外部干擾的影響，同時對信號采樣和處理速度要求低，非常適合于工業(yè)現(xiàn)場多個閥門的集中、實時、在線泄漏監(jiān)測。

1 閥門內(nèi)漏聲波監(jiān)測原理

當(dāng)閥門由于磨損、腐蝕、變形等原因?qū)е麻y門密封面出現(xiàn)裂縫或漏孔，閥門上下游存在的壓差促使閥體內(nèi)介質(zhì)從密封面的裂縫或漏孔噴射到閥門下游一個相對足夠大的空間，噴射出來的介質(zhì)由于不再受邊壁的限制繼續(xù)擴(kuò)散流動形成湍性射流。介質(zhì)噴射到閥門的下游，必然引起閥門下游壓強(qiáng)的擾動，從而形成聲波；介質(zhì)由裂縫或漏孔噴射而出，必然造成閥門上游側(cè)介質(zhì)的流失，同樣會造成閥門上游側(cè)壓強(qiáng)的擾動從而形成聲波。因此，在閥門的上下游兩側(cè)的管道外壁安裝聲波傳感器，接收閥門內(nèi)漏產(chǎn)生的聲波信號并轉(zhuǎn)換成電信號，對采集到的聲波信號進(jìn)行特征分析，可以實現(xiàn)閥門內(nèi)漏的監(jiān)測。提取0～20 Hz內(nèi)的次聲波信號有助于有效濾除環(huán)境噪聲和外部干擾的影響,且在傳播過程中不易被水和空氣吸收而衰減。本文提出的閥門內(nèi)漏非介入式聲波監(jiān)測方法，采用在閥門上下游管道外壁分別非介入式安裝兩個聲波傳感器的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

理論上講，通過對上下游聲波傳感器采集到的異常信號的不同特征進(jìn)行分析，可以判斷異常信號是來自于管道輸送過程中上下游的擾動還是閥門自身內(nèi)漏所產(chǎn)生的波動信號。

如果閥門處于良好的關(guān)閉狀態(tài)，并且管道上下游沒有擾動，上游和下游聲波傳感器都不應(yīng)該有異常信號輸出；如果管道上游產(chǎn)生擾動，上游聲波傳感器能檢測到異常信號，下游聲波傳感器不應(yīng)該檢測到異常信號；如果管道下游產(chǎn)生擾動也是同樣的道理。

圖1 閥門內(nèi)漏非介入式監(jiān)測傳感器安裝示意圖

如果閥門運行狀態(tài)發(fā)生了變化(如發(fā)生內(nèi)漏)，閥門上下游存在的壓力差促使介質(zhì)從高壓側(cè)噴射至低壓側(cè)。如圖1中實線箭頭所示，介質(zhì)噴射到下游產(chǎn)生壓強(qiáng)擾動形成聲波，下游聲波傳感器能檢測到明顯的異常信號；介質(zhì)由縫隙或漏孔噴射而出，造成閥門上游側(cè)介質(zhì)的流失，同樣會造成閥門上游側(cè)壓強(qiáng)的擾動從而形成聲波，上游聲波傳感器同樣能檢測到明顯的異常信號。

采用雙聲波傳感器結(jié)構(gòu)可以有效排除閥門上下游管道產(chǎn)生的異常擾動信號(調(diào)泵，調(diào)閥、敲擊管道等)對閥門內(nèi)漏檢測的干擾。由于拾取的聲波信號的低頻特性(0～20 Hz內(nèi))，能夠有效消除環(huán)境噪聲和系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)噪聲的影響，且大大地降低了信號采樣頻率和對數(shù)據(jù)存儲空間的要求，使閥門內(nèi)漏監(jiān)測具有更好的實時性，有利于工程實現(xiàn)。

2 實驗裝置與檢測系統(tǒng)

圖2為閥門內(nèi)漏監(jiān)測系統(tǒng)實驗平臺。該裝置由兩部分組成，第一部分為閥門內(nèi)漏故障模擬實驗平臺，由穩(wěn)壓泵、壓力表、計量容器、管道和閥門等部件組成；第二部分為內(nèi)漏信號檢測系統(tǒng)，包括兩個聲波傳感器、信號變送器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)等，用來采集并顯示聲波信號和管道壓力信號。實驗采用壓電式壓力傳感器,頻率響應(yīng)范圍為0～500 Hz,靈敏度分別為54 200 pC/105Pa和54 000 pC/105Pa,工作溫度范圍為-20～60 ℃，測量范圍為0～2 000 kPa。聲波信號經(jīng)截止頻率為20 Hz的二階切比雪夫低通濾波器濾波后，再經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換后遠(yuǎn)傳，系統(tǒng)采樣頻率為50 Hz。

圖2 閥門內(nèi)漏監(jiān)測系統(tǒng)實驗平臺

圖3為實驗用被測閥門及傳感裝置。閥門為J41W-16型截止閥，公稱直徑為Φ20 mm，耐壓1.6 MPa。根據(jù)閥門的線性行程可以近似得到閥門開度，閥桿擰出5個螺距對應(yīng)閥門全開，一個螺距約對應(yīng)20%閥門開度。

圖3 被測閥門及傳感裝置

基于非介入式監(jiān)測的目的，本文設(shè)計了圖4所示的傳感器裝置，包括兩個可開關(guān)的磁力表座、嵌入于外螺紋套筒內(nèi)的聲波傳感器和聲波信號變送器。通過旋轉(zhuǎn)磁力表座的開關(guān)控制磁力表座有無磁性，方便傳感裝置的拆卸。磁力表座通過螺釘固定在連接鋁板兩端，鋁板中間為內(nèi)螺紋，套筒穿過鋁板中間內(nèi)螺紋后固定在變送器盒上。聲波傳感器通過螺紋旋入套筒內(nèi)，通過旋轉(zhuǎn)外螺紋套筒上的六角螺母調(diào)節(jié)傳感器感測面與管道外壁接觸程度，由鎖緊螺母固定位置。傳感器輸出的聲波信號經(jīng)電荷放大、電壓放大、低通濾波后，V/I轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號遠(yuǎn)傳至數(shù)據(jù)采集RTU進(jìn)行信號采集及處理。

圖4 傳感裝置結(jié)構(gòu)

3 閥門內(nèi)漏聲波信號特征提取

3.1 閥門內(nèi)漏故障信號及時頻域特征分析

采用研究者普遍使用的手動轉(zhuǎn)動閥門方式來模擬閥門內(nèi)漏故障[17-18]。實驗條件如表1所示，多次重復(fù)實驗，得到閥門內(nèi)漏及閥門密閉良好條件的聲波信號如圖5所示，其對應(yīng)的功率譜圖如圖6所示。

表1 實驗條件

(a) 閥門泄漏

(b) 閥門正常

由時域波形(見圖5)可見，當(dāng)閥門關(guān)閉且密封良好時，聲波信號呈隨機(jī)分布狀態(tài)；當(dāng)閥門發(fā)生內(nèi)漏時，聲波信號幅值發(fā)生了明顯的突變。由頻域功率譜(見圖6)可見，閥門內(nèi)漏的聲波信號能量主要集中在1.5 Hz以內(nèi)，而閥門正常時的聲波信號能量分布相對較寬，在0～8 Hz內(nèi)都有分布。因此，從信號能量頻域分布的角度是完全可以分辨閥門內(nèi)漏和正常狀態(tài)的。

(a) 閥門泄漏

(b) 閥門正常

3.2 干擾信號的時域波形及時頻域特征分析

在閥門的工作環(huán)境中存在著各種外部干擾，如管道的敲擊、起泵、停泵等，這些干擾隨時發(fā)生，并對閥門內(nèi)漏監(jiān)測聲波傳感器的信號輸出造成影響。圖7所示為外部敲擊管道、閥門在良好關(guān)閉狀態(tài)的啟泵和閥門在開啟狀態(tài)(閥門開度20%)的啟泵三種情況下上下游聲波傳感器的信號輸出，圖8為對應(yīng)信號的功率譜圖。

(a) 敲擊管道

(b) 閥門關(guān)閉

(c) 閥門開啟

(a) 敲擊管道

(b) 閥門關(guān)閉

(c) 閥門開啟

當(dāng)敲擊管道時，上下游聲波傳感器輸出聲波信號的幅值都比較突出，反映在頻域則是聲波能量分布較寬且功率譜幅值較大。當(dāng)閥門處于良好關(guān)閉狀態(tài)啟泵時，上游聲波傳感器輸出信號出現(xiàn)明顯大幅值的波動，在頻域表現(xiàn)出與閥門泄漏聲波相似的特征；相比于上游聲波傳感器的輸出信號，下游聲波傳感器輸出信號很小且平穩(wěn)，頻域功率譜幅值很小。當(dāng)閥門處于開啟狀態(tài)啟泵時，上下游聲波傳感器輸出聲波信號的幅值都比較突出且持續(xù)時間較長，但上游聲波傳感器輸出信號超前于下游聲波傳感器的輸出，表現(xiàn)出介質(zhì)流動的特性；在頻域表現(xiàn)與閥門泄漏類似。

3.3 閥門內(nèi)漏監(jiān)測聲波信號的特征提取

通過對閥門內(nèi)漏、閥門正常、管道敲擊、閥門在良好關(guān)閉狀態(tài)和開啟狀態(tài)啟泵5種狀態(tài)下上下游聲波傳感器輸出信號的分析、比較，可以得到閥門內(nèi)漏與其它工況下聲波輸出信號的特征差別(見表2)。

表2閥門內(nèi)漏與其它工況下聲波輸出信號的特征差別

Tab.2Featuredifferenceofacousticsignalsbetweenvalveinternalleakandotherconditions

狀態(tài)閥門內(nèi)漏閥門正常信號能量在頻域分布帶寬明顯不同。敲擊管道信號能量在頻域分布帶寬明顯不同。閥門關(guān)閉狀態(tài)啟泵閥門內(nèi)漏上下游聲波信號的頻域分布和幅值幾乎相同,啟泵引起的上下游聲波信號頻域幅值完全不同。閥門開啟狀態(tài)啟泵信號能量在頻域分布帶寬相似,但閥門開啟狀態(tài)下啟泵引起的上下游聲波信號有明顯時間差,閥門內(nèi)漏時間差不明顯。

根據(jù)上述閥門內(nèi)漏與其它工況下聲波輸出信號的特征差別，提出相應(yīng)的閥門內(nèi)漏聲波信號特征提取方法。

(1) 對上述5種狀態(tài)下上下游聲波傳感器的輸出信號作尺度為L的小波包分解，重構(gòu)得到2L個子頻帶的重構(gòu)信號F(j,i)，其中j為子頻帶序號，i為信號的序號，i=1～N，N為信號長度。

(2) 對每個子頻帶重構(gòu)信號F(j,i)作功率譜分析，得到各個子頻帶信號的功率譜Pow(j,i)。利用式(1)計算每個子頻帶重構(gòu)信號的能量，并按式(2)將各子頻帶能量作歸一化處理，得到各子頻帶能量分率。

(1)

(2)

式中：M為對應(yīng)信號處理頻帶上限的子頻帶結(jié)束序號。

取小波包分解尺度L=8，采用小波基db9，N=4 096，根據(jù)有效信號頻率范圍(0～5 Hz)，取M=50。結(jié)果如圖9～圖13所示。

(1) 閥門正常和敲擊管道情況下聲波信號小波包能量分率分布都較分散(見圖9和圖10)，閥門正常時主要能量集中在中高頻子帶，敲擊管道時集中在中低頻子帶。

(2) 閥門內(nèi)漏狀態(tài)和閥門開啟狀態(tài)啟泵兩種聲波信號小波包能量分率分布非常相似(見圖11和圖12)，主要能量都集中在低頻段，兩者可以歸為同類信號，即都為閥門密封面不嚴(yán)時的信號。

(a) 閥門正常-上游

(b) 閥門正常-下游

圖9 閥門正常狀態(tài)下聲波信號小波包能量分率

Fig.9 Wavelet packet energy ratio of acoustic signal under valve normal condition

(a) 敲擊管道-上游

(b) 敲擊管道-下游

圖10 敲擊管道時聲波信號小波包能量分率

Fig.10 Wavelet packet energy ratio of acoustic signal when pipe tapping occurred

(a) 閥門泄漏-上游

(b) 閥門泄漏-下游

圖11 閥門泄漏狀態(tài)下聲波信號小波包能量分率

Fig.11 Wavelet packet energy ratio of acoustic signal under valve leak condition

(a) 閥門開啟-上游

(b) 閥門開啟-下游

圖12 閥門開啟狀態(tài)下啟泵聲波信號小波包能量分率

Fig.12 Wavelet packet energy ratio of pump start acoustic signal under valve opened condition

(3) 閥門良好關(guān)閉狀態(tài)下啟泵上下游聲波信號小波包能量分率分布完全不同(見圖13)，其它4種情況上下游聲波信號小波包能量分率分布相似。

4 最小可檢測泄漏量實驗及其結(jié)果分析

本文通過加工4種不同孔徑(0.8 mm、1 mm、2 mm、3 mm)的鋁薄片漏孔夾持在法蘭中間來在線模擬閥門的內(nèi)漏故障，對4種尺寸漏孔分別進(jìn)行5次實驗，借助計量容器通過計算5次重復(fù)實驗的平均泄漏量得到4種泄漏孔徑的泄漏量，實驗條件和結(jié)果如表3所示。

(a)閥門關(guān)閉-上游(b)閥門關(guān)閉-下游

圖13 閥門關(guān)閉狀態(tài)下啟泵聲波信號小波包能量分率

Fig.13 Wavelet packet energy ratio of pump start acoustic signal under valve closed condition

表3 最小可檢測泄漏量實驗條件和結(jié)果

由表3可見：在實驗室條件下，采用本文提出的方法和裝置可獲得5.5 ml/s的最小可檢測泄漏量 (泄漏孔徑0.8 mm，上游壓力210 kPa，下游壓力101 kPa條件下)。該結(jié)果具有和振動分析檢測法相當(dāng)?shù)拈y門內(nèi)漏檢測靈敏度。

采用本文提出的基于小波包能量分率的閥門內(nèi)漏聲波信號特征提取方法，得到4種泄漏孔徑條件下上下游聲波信號的小波包能量分率,結(jié)果如圖14和圖15所示。由圖可見：上、下游聲波信號能量均分布在低頻段，表現(xiàn)出相同的閥門內(nèi)漏聲波信號特性。

圖14 不同泄漏孔徑上游聲波信號小波包能量分率

Fig.14 Wavelet packet energy ratios of upstream acoustic signal under different leak hole sizes

計算上下游聲波信號前15個子帶(信號頻率小于1.5 Hz)的小波包能量分率之和，得到其與泄漏量之間的關(guān)系如圖16所示。在一定范圍內(nèi)，上游聲波信號前15個子帶小波包能量分率之和隨泄漏量增大而增大；下游聲波信號前15個子帶小波包能量分率之和與泄漏量大小基本無關(guān)。

圖15 不同泄漏孔徑下游聲波信號小波包能量分率

Fig.15 Wavelet packet energy ratios of downstream acoustic signal under different leak hole sizes

圖16 聲波信號小波包能量分率之和與泄漏量之間的關(guān)系

Fig.16 Relationship between the sum of wavelet packet energy ratios and the leakage rate

5 結(jié) 論

本文提出的基于雙聲波傳感器結(jié)構(gòu)的液體閥門內(nèi)漏非介入式監(jiān)測方法和裝置，能夠有效監(jiān)測閥門內(nèi)漏，并實現(xiàn)裝置的快速裝卸和移動。

基于小波包能量分率的聲波信號特征提取方法，能夠有效區(qū)分閥門內(nèi)漏、背景噪聲和外部干擾，為后續(xù)的閥門內(nèi)漏診斷建模奠定了基礎(chǔ)，該方法具有較強(qiáng)的抗干擾能力和檢測靈敏度，大大降低了信號采樣頻率以及特征提取和診斷建模的難度，為液體閥門內(nèi)漏監(jiān)測提供了一種新的技術(shù)手段。

參 考 文 獻(xiàn)

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