基于聲發射的艦船管路閥門內漏檢測技術研究

吳猛猛，董秀臣，孫 團

(海軍潛艇學院，山東 青島 266199)

艦船上的管路縱橫交錯，閥門成百上千，這些管路閥門的狀態是艦船各系統安全運行的基礎。一旦管路閥門發生泄漏，將會對設備及系統的正常運行和指示帶來嚴重的危害，尤其是一些關鍵管路閥門(如蒸汽管路、核反應堆管路、液壓管路、高壓氣管路等)。例如，美國三里島核事故的發生，其中一個很重要的原因就是穩壓器的釋放閥內漏。閥門的泄漏分為外漏和內漏，其中內漏更不容易檢測，因此，閥門內漏檢測成為研究熱點。閥門泄漏的檢測方法包括氣泡測定法、質量平衡法、溫度檢測法、負壓波法和聲發射法等，其中聲發射檢測方法具有在線、快速、動態、經濟及環境適應性強(特別是針對一些高溫、輻射、不易接觸的管路閥門)等優點，且不會破壞閥門的完整性。因此，聲發射檢測方法成為目前閥門內漏檢測的主流方法和研究熱點。

國外從20世紀60年代起開展了利用聲發射技術檢測閥門泄漏的研究[2]，目前部分研究成果已經得到了應用。2010年，Kaewwaewnoi等[3-4]對聲發射信號特征參數與泄漏率之間的關系進行了研究；2012年，E.Mland等[5]對閥門內漏的聲發射信號的處理方法進行了研究。在國內，戴光等[6-7]利用數值模擬和實驗研究的方法對閥門內漏進行了聲學檢測；楊晶等[8]在閥門泄漏故障的可視化方面做了探索；胡新等基于聲發射技術開發了閥門內漏的在線檢測系統；高倩霞等[9-10]利用最小二乘法和自適應濾波除噪對閥門泄漏的聲發射信號進行處理，并進行了工程驗證。然而，目前對于艦船管路閥門的內漏尤其是微小內漏還缺乏深入研究。因此，如何基于聲發射技術對艦船管路閥門內漏進行檢測亟待研究。

本文對閥門泄漏的聲發射檢測技術的檢測原理進行了分析，在實驗室條件下搭建閥門泄漏聲發射檢測平臺，并對不同泄漏工況下的聲發射信號進行采集、處理和分析，得到閥門內漏聲發射信號的特征參數，驗證利用聲發射信號檢測閥門內漏的可行性。在此基礎上，對下一步艦船管路閥門的內漏檢測工作提出了幾點建議。這對實現艦船管路閥門工作和運行狀態的遠程、實時和無損監測具有重要的參考價值。

1 閥門內漏的聲發射檢測機理

聲發射(AE)是指材料中局域源能量快速釋放而產生瞬態彈性波的現象。材料在應力作用下的變形和斷裂是主要的聲發射源。另一類與斷裂機制無直接關系的彈性波源(如流體泄漏、摩擦、撞擊、燃燒等)為二次聲發射源[11]。閥門泄漏聲發射信號屬于二次聲發射源，具有以下特點：① 閥門聲發射信號是由閥門泄漏時，管道內輸送的介質(氣、液、蒸汽等)在閥門泄漏處噴射，介質撞擊管壁激發的彈性波，是一種連續型聲發射信號；② 泄漏聲發射信號與介質種類、閥門類型、泄漏孔徑的大小形狀、閥門兩側的壓差及泄漏量等因素有關，屬于一種非平穩隨機信號。閥門泄漏的聲發射信號易受到艦船背景噪聲的干擾，因此對背景噪聲的抑制或消除、信號的處理和識別要求較高，同時對檢測設備也有很高的要求。

聲發射(AE)檢測方法就是通過對閥門泄漏所發出的聲發射信號的采集、記錄和處理，進而判斷閥門的泄漏狀態或用于量化評價閥門的泄漏量(率)，如圖1所示。在閥門泄漏率量化方面，一般通過閥門泄漏聲發射信號的特征參數進行估算，主要特征參數包括有效值電壓(AERMS)和平均信號電平(ASL)等。AERMS是指采樣時間內聲發射信號的均方根值，單位為V，計算公式為

(1)

式中:T為采樣時間，對于泄漏檢測，一般為0.5～5 s；V(t)為與時間有關的電壓值。

圖1 聲發射檢測閥門內漏原理

ASL為采樣時間內聲發射信號電平的平均值，單位為dB，計算公式為

(2)

式中，Pre為前置放大的增益，單位為dB。

研究表明，有效值電壓(AERMS)和平均信號電平(ASL)與閥門內漏的泄漏率相關，估算公式[3]為

(3)

由于偶極子和四極子聲源是射流紊流場的主要噪聲場，將偶極子聲源引入式(3)，得到閥門的泄漏聲發射均方根值AERMS的計算公式為

(4)

式中:C1表示AE傳感器、閥門材料、信號增益等影響的流體參數；α為流體內的聲速；ρ為流體密度；D為閥門尺寸；Q表示體積流速；ΔP表示通過閥門的壓降；P1表示進口壓力；Cv表示閥門的流動系數；S表示流體的特定黏度。

2 閥門內漏檢測模擬及聲發射檢測實驗

圖2為閥門泄漏模擬及聲發射檢測裝置示意圖。該裝置主要由閥門泄漏模擬系統和泄漏信號檢測裝置兩部分組成。其中，閥門泄漏模擬系統主要由水箱、水泵(手動泵、電動管道泵)、蓄壓器、閥門等組成；泄漏信號檢測裝置主要由聲發射傳感器、前置放大器、信號采集卡以及計算機等組成。

圖2 閥門泄漏模擬及檢測裝置示意圖

2.1 閥門泄漏模擬系統

閥門泄漏模擬系統的基本原理是通過將管路內充滿水，提高水的壓力以模擬不同壓力下閥門的泄漏。同時，在待測閥門的在閥芯密合面加工一定深度的劃痕，對于不同的劃痕深度，閥門的內漏量是不同的，從而模擬不同泄漏量情況下聲發射信號的變化。

本系統采用手動泵作為管道的增壓設備，其最高工作壓力為4 MPa，實驗壓力從1～3 MPa變化，模擬不同壓力下閥門泄漏聲發射信號的變化。電動管道泵用于預先為裝置內的管路內充滿水，排出其內空氣，管道泵工作電壓為220 V，采用防水開關控制其啟動和停止。蓄壓器用于保持管路內的壓力穩定，減小壓力波動。蓄壓器采用囊式蓄壓器下部與裝置管路連接，容積為2.5 L，最高可承受壓力為10 MPa。蓄壓器內預先充入2.5 MPa的氮氣，以縮短泵壓時間。待測截止閥以J41H- 40C國標截止閥為基礎改造而成，通徑為DN50，閥芯改為銅制。裝置內的管路采用無縫鋼管焊接而成，連接處采用鋼制法蘭連接。截止閥兩側管路采用DN50，其余管路直徑為DN20，管路直徑變化處采用錐面過渡處理。

2.2 閥門泄漏檢測裝置

閥門泄漏檢測裝置的工作原理是通過聲發射傳感器將閥門發出的機械波信號轉換為連續的電信號，并通過前置放大器將這一電信號放大后傳輸給檢測裝置的主處理器，經處理、存儲后等待后續的信號顯示、處理和分析。

本實驗采用的檢測裝置為美國聲學公司PAC生產的聲發射檢測儀器，其中，傳感器為R15a型傳感器，固定在待測閥門的中間位置；前置放大器為20/40/60 dB類型放大器，可實現信號的20/40/60 dB三種增益；信號采集卡為PCI-2雙通道數字采集處理板，其具有低噪聲、40 MHz/18-bit實時采集轉換、實時AE特征提取、內置波形處理、內置AE數據流等特點。采集后的信號輸入計算機，可由AEwinTM軟件進行AE信號和波形的處理、顯示、快速儲存和重放，并可選擇和查看多個2-D或3-D的實時AE特征以及繪制活動波形曲線。

2.3 實驗結果及分析

圖3給出了測得的內漏閥門聲發射信號，可見閥門泄漏的聲發射信號具有如下特點：① 泄漏的聲發射波的頻譜具有很陡的尖峰，為檢測泄漏提供了有利條件；② 泄漏產生的聲發射信號比較大，且大小隨著泄漏率的增大而增大；③ 閥門泄漏的聲發射信號為連續型的非平穩信號。

圖3 閥門泄漏的聲發射信號特征

圖4給出了經小波分析處理后的聲發射信號，圖中可見小波分析方法是目前處理閥門內漏聲場信號的有效方法。經過分析后的閥門的內漏聲場特征比較明顯，可以顯示出閥門的泄漏狀態，并且閥門存在2次截流點，形成2處噴流噪聲源。

圖4 小波變換處理后的泄漏信號

3 結束語

本文主要分析了基于聲發射技術閥門內漏檢測的方法機理，綜述了國內外的相關研究進展，并在實驗室條件下，實際測量了閥門內漏的聲發射信號，用小波分析的方法獲取了閥門內漏的特征。為將聲發射技術推廣應用于艦船閥門的在線檢測中，筆者建議開展如下幾項工作：

1)出臺閥門內漏聲發射檢測的標準。目前國內外雖然有聲發射檢測的相關標準，但閥門內漏的檢測標準還主要是以氣泡法為主，因此閥門內漏聲發射檢測的標準亟待出臺，這對于艦船管路閥門的內漏檢測具有指導作用。

2)對閥門泄漏信號的分析與特征提取方法進行深入研究，尤其是復雜背景噪聲下閥門的微量內漏。下一步應結合艦船閥門的實際類型、使用工況、布置環境等因素進行綜合分析，探索在艦船艙內復雜背景噪聲下如何提取有效的聲發射信號特征。

3)開展大量實驗和實艇測試，建立閥門內漏聲發射檢測特征參數的數據庫，結合數據融合、人工智能等技術，研制艦船管路閥門內漏的便攜式智能聲發射檢測儀或實時監測儀，這對于艦船管路閥門泄漏監測、閥門故障的預防性維修以及保障艦船運行的安全性和戰斗力具有重要意義。