基于聲發射與小波變換的閥門泄漏研究

劉 影，周 敏，鄧 昊，李卓航，趙康建

（西南石油大學，成都 610500）

0 引言

閥門是管道結構的重要組成部分，它能夠實現管道介質的流量流向控制，同時也可以切斷流體，改變管道內部的壓力，是管道結構中的控制核心。由于它能夠起到這樣的控制和保護作用，所以閥門被廣泛地運用在了石油石化、燃料運輸、化學、造船業等眾多的產業當中。但是，在長期的使用過程中，閥門會產生一定程度的破壞。在管道中的高壓和不同設備的溫度條件下，或者是石油化工等高腐蝕性的環境中，閥門的頻繁開閉和長期使用都會導致閥門的磨損、變形，從而出現泄漏的情況，并且帶來極大的經濟損失和安全隱患。

圖1 無泄漏時域原始信號圖Fig.1 No-leak time domain original signal diagram

圖3 開度0.01原始時域信號圖Fig.3 Opening degree 0.01 original time domain signal diagram

1 聲發射檢測原理

壓力管道泄漏所產生的聲發射信號是廣義的聲發射信號，管壁本身不釋放能量而只是作為一種傳播介質。泄漏過程中，在泄漏點處由于管內外壓差，使管道中的流體在泄漏處形成多相湍射流，這一射流不但使流體的正常流動發生紊亂，而且與管道及周圍介質相互作用向外輔射能量[1]，在管壁上產生高頻應力波。實驗所使用的聲發射探頭是一種壓電晶體式，當閥門泄漏時質點的運動傳遞到傳感器的接觸面的時候，帶動壓電陶瓷上的質子運動，從而對壓電陶瓷產生壓縮和拉伸的效果，進而轉換為電壓信號，送入信號處理器，完成應力波到電信號波的轉變過程[2]。

2 管道泄漏檢測實驗

2.1 實驗方案

圖2 無泄漏頻域原始信號圖Fig.2 No leakage frequency domain original signal diagram

圖4 開度0.01原始頻域信號圖Fig.4 Opening degree 0.01 original frequency domain signal diagram

將聲發射探頭固定在閥門上，連接并調試聲發射ASYM-6 儀器，關閉閥門，打開一階水箱循環系統控制臺和水泵，開始實驗。在相同壓力下進行實驗，在無泄漏的時候檢測一組信號，然后依次改變閥門開度大小，檢測多組數據。閥門的聲信號頻帶范圍在0kHZ ～250kHZ，聲發射儀器采集信號頻率位2MHZ，每次采集數據點1024 個。

2.2 閥門泄漏信號頻段確定

聲發射探頭能夠檢測很微弱的信號，檢測的信號中包含大量的環境噪聲。首先在閥門無泄漏的情況下檢測一次信號，通過傅里葉變換將時域信號轉為位頻域信號。在閥門開度0.01 時檢測一組數據。閥門無泄漏時域原始信號如圖1 所示，無泄漏時域原始信號如圖2 所示。閥門開度為0.01 原始時域信號如圖3 所示，原始頻域信號如圖4 所示。

對比可知，頻帶300kHZ ～400kHZ 的信號不是由閥門泄漏引起的，經查閱資料，是由電磁閥噪聲引起的。

圖5 開度0.01去噪后頻域信號圖Fig.5 Frequency domain signal diagram after 0.01 degree denoising

圖7 閥門開度0.01去噪信號圖Fig.7 Valve opening degree 0.01 denoising signal diagram

如圖5、圖6 所示，當閥門開度為0.01 與0.03 時，在30kHz ～40kHz 之間有一個譜峰，隨著泄漏量的增加，頻譜幅值也在增加。在閥門泄漏不同開度的頻域圖中，皆可找到如此的規律，由此可以判斷，閥門泄漏聲信號頻帶在30kHz ～40kHz。

2.3 聲發射信號處理

在實驗中使用的小波去噪方法為小波閾值去噪，其基本思想是將小波信號與噪聲信號通過小波變換來進行分離，它的信號模型可表示為：

s(t)為原始信號，n(t)為噪聲信號。

經過小波分解后，有效信號的小波系數要大于噪聲信號的小波系數，可以找到一個λ 來作為閾值。當分解系數小于閾值的時候，識別其為噪聲并將其剔除；大于閾值時，認為其為有用信號，并將其保留[1]。閥門為開度0.01 時，小波閾值去噪后的時域信號幅值為4mv 左右，閥門開度為0.03 時，小波閾值去噪后的時域信號幅值為5mv 左右。去噪后時域圖如圖7、圖8 所示。

圖6 開度0.03去噪后頻域信號圖Fig.6 Frequency domain signal diagram after 0.03 denoising

圖8 閥門開度0.03去噪信號圖Fig.8 Valve opening degree 0.03 denoising signal diagram

時域分析只能觀察泄漏信號的電壓幅值，而不能明確地觀察出泄漏有效信號的其它特性，所以需要通過傅里葉變換將時域信號轉換為頻域信號。將泄漏聲信號處理到頻域進行分析，可以得出泄漏有效信號的頻段分布和泄漏尖峰信號分布。從頻域圖9 分析，隨著泄漏的增大，頻譜幅值也相應增加。紅色軌跡為閥門開度為0.03 時的頻域圖，藍色為閥門開度為0.01 的頻域圖。

2.4 聲發射信號小波包分析

與小波分析不同，小波包進行分解和重構能更好地處理信號中大量的細節和邊緣信息，并且對高頻信號的分解也毫無疏漏，能夠更好地進行時頻的局部化分析[3]。對泄漏聲信號進行小波包分解處理之后，可以計算每個頻段的能量值來得到聲信號的能量分布特征，從而觀察出泄漏量與能量之間的關系。系統采樣率為2MHz，奈奎斯特頻率為1MHz，根據小波包分解原理，選取db3 為小波基，將閥門泄漏信號分解為6 層，共64 個小波包，每個子頻段為15.625kHz。不同閥門開度下，聲發射信號的能量特征圖如圖10 ～圖14 所示.

圖9 不同開度信號頻域圖Fig.9 Spectral diagram of different opening signals

圖10 閥門開度0.01的能量特征圖Fig.10 Energy characteristic diagram of valve opening degree 0.01

圖11 閥門開度0.03的能量特征圖Fig.11 Energy characteristic diagram of valve opening 0.03

圖12 閥門開度0.05的能量特征圖Fig.12 Energy characteristics of valve opening 0.05

圖13 閥門開度0.07的能量特征圖Fig.13 Energy characteristic diagram of valve opening 0.07

圖14 閥門開度0.15的能量特征圖Fig.14 Energy characteristics of valve opening 0.15

2.5 聲發射信號及其能量特征分析

小波包分解第一個子頻段為0kHz ～15.625kHz，第二個子頻段為15.625kHz ～31.25kHz，通過之前的分析得知，聲發射信號的有效頻段在30kHz ～40kHz。能量值在能量特征圖中分別對應第二段能量柱所對應的能量值。從聲發射信號的能量特征圖可得，隨著閥門開度的增加，聲發射信號能量值逐漸增大，在閥門開度較小時，能量值最主要頻段為15kHz 左右，隨著閥門開度逐漸增大，在聲發射有效頻段30kHz 左右的能量最為明顯。

3 結論

1）通過時域分析得知，閥門泄漏產生的聲發射信號幅值隨著閥門開度（模擬泄漏率）的增大而增大；通過頻譜圖分析得知，閥門泄漏產生的聲發射信號頻段主要集中25kHz ～40kHz，隨著閥門開度增大，頻譜幅值也隨之增大。

2）閥門聲信號在不同開度下，同一頻段的能量值不同，隨著閥門開度的增加能量值逐漸增大。