声发射无损检测技术在管道故障检测中的应用_杨磊.pdf

年第 期声发射无损检测技术在管道故障检测中的应用杨磊，谭开雨，吴佳俊（昆明工业职业技术学院，云南 昆明 ；云南农垦物流有限公司，云南 昆明 ；云南大红山管道有限公司，云南 昆明 ）摘要：管道运输工作现场环境复杂，复杂多变的噪声源影响所监测到测量信号，针对复杂信号的提取。本文在退役管道上通过模拟实验获取不同类型的三类信号：断铅、金属棒敲击和砂纸三种声发射信号源，获取故障信号数据，并将数据进行处理，成为可显示的电子信号图像，从而可以进行采集，处理和分析，同时，因为信号具有复杂性，提出对采集到的信号进行小波去噪，去除信号中无意义的部分，大量采集信号中所需要的的信号，为故障信号数据类别判定提供有效保障。关键词：声发射；管道故障；信号采集；小波去噪中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，：，：；基金项目：本文系 年度云南省教育厅科学研究基金项目“基于管道协同创新中心校企共研的 样本熵集成学习管道泄漏故障识别研究”（）研究成果作者简介：杨磊（），女，云南宣威，汉族，讲师，工程硕士，电气自动化。引言通过管道运输液体与气态物资在运输网中是构成干线交通方式的特殊组成部分，管道运输具有运量大、连续、快捷、稳定、安全、有效、稳定的优点，该种方法投入小、占用少、代价小，而且还能够实现自动控制。管道输送方式不仅被广泛用作原油、天然气的远距离输送，也可以运输矿石、电力、建筑材料、化学品等物资。同水运或陆上比较，管道运输取消了中间环节，缩短了运送时间，减少了运输成本，大大提高了交通运输质量。当前管道运输的主要趋势是：管线的口径日益扩大，运输能力大幅提高；管线的运距也不断提高；输送的原物料范围也从油、气体、化工产品等流体，逐渐扩展至煤气、矿石等其他流体。目前中国国内已经建立了大庆油田至秦皇岛、胜利油田至南京等多条石化管道运输线。管路中输送的材料介质，可能由于腐蚀、冲剐、震荡、温度等条件的变化等都可以引起破损。故障处如不加以维修管理，渗漏将增加，或导致材料破坏，并污染环境；物料若存在危险、可燃、易爆的材料，可能会引起失火、爆炸、中毒、人身伤害等事故。导致工业生产不能开展，导致项目的非控制停工。对公共工程管线出现严重意外事故，停水、停油气、停蒸汽，对广大消费者日常生活造成影响。对持续化经营的工业民企和公共项目，对管道中出现的故障进行检修处理极其重要，是确保安全、平稳、长周期、满负荷、优化持续生产能力的重要关键。可以节约能源，降低污染，保护民众生命，提高了经济效益和社会效益。虽然管道泄露将严重危害生产装置的可靠性、稳定性、经济与安全，但假如在泄露地点还只是沙眼和裂缝时就可以被找到，将减少不必要的经济损失，所以提出用声发射来进行无损故障检测，而且这种监测方法能进行动态的监测，它可持续观察构件遭受破坏的全过程，并对存在严重事故隐患的建筑关键部件早期破坏做出警示。声发射传播方式声物理现象也称声发射，从某种广义上来说，是材料局部因物理能量受到影响发出的瞬间声响或弹性声波现象。管道内部应力结构缺失往往是由于管道材料的裂纹和变形引起，因此材料变形或材料产生裂纹所发出的弹性声音波源，被称为典型声发射源。绝大多数声发射输出信号的强度DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.13.038内燃机与配件 很弱，需要利用各种对声发射信号强度变化敏感的传感器，将声发射信号转化为电信号用以进行检测，并对获取的信号进行分析，获取信号携带的被测结构物理演变信息，并利用模式识别和机器学习等方法进行识别和定位，以实现对泄漏早期预警，保护设备安全和人的生命安全。声发射属于机械波的应用范畴，具有声音的属性，在不同的介质中都可以进行传播，构成声发射的质点和整体的传播振动方向各异，有相互平行的纵波，相互垂直的横波、成椭圆轨迹的表面波、纵横组合的板波等不同声发射传播方式。材料局部的裂纹或变形形成的这种弹性波所产生的信号往往比较复杂，因为这种波通常由横波和纵波构成，而这两种波在介质中的传播速度不同，当遇到不同的介质时又会产生折射和反射，每发生一次，波形就会发生一次改变，这使得当信号到达传感器时，传感器将会接收到一个非常复杂的信号，这种信号形成复合波，这种波形和参数比较复杂，所以统计分析也就比较繁琐。声发射信号按产生形式可以分为两种：突发型和连续型，突发型的声信号经采集后，用时域波形图表示出来是可分离的如图所示。典型的时域连续型声发射信号为管道泄漏声发射信号，用传感器检测时，由于信号波在传输过程中的折射和反射原因，所以检测到的信号为混合型信号，如图所示。图突发型声发射信号图混合型信号图二阶系统仿真声发射的数学模型声发射出现的根本原因是由于形变弹性能的释放，其发射过程中所占用到的时间极短，因此，可以用单位声脉冲函数公式来表示。材料内部管道裂纹同时出现的那个地方和所释放能量的那一部分裂纹区域应该具有它的质量、弹性和粘滞性，可用如图所示的阻尼振荡二阶系统来模拟管道裂纹出现或断裂时候所产生的声发射信号。声发射信号检测的基本原理通常情况下，在管道发生裂变时，由于声音具有突发性和瞬时性，而且所产生的信号较弱，人耳很难听到并进行判断，所以在管道介质材料表面装有传感器，当传感器接收到声发射信号时，将信号进行转化，为了将信号能够更加准确的进行显示，在传感器之后装有放大器，将传感器所给信号进行放大，输送给信号采集处理系统，这时信号采集处理系统将转化信号转化为能够观察到的电子信号进行输出，由此我们可以对信号进行记录，处理和分析。声发射信号检测的基本原理结构如图所示。图声发射检测的基本原理传统声发射射通用信号处理分析处理方法一般主要内容包括有：波形发射器的信号信息特征参数处理分析、计算处理技术方法理论分析、时域信号特征参数分析处理方法分析和频域信号特征参数分析处理方法分析。泄漏声发射信号模拟、采集与去燥 模拟声发射信号的采集本文所用的数据采集设备采用由北声科技有限公司自主研发生产的 进行数字声发射系统进行试验室数据采集。系列数字声发射系统由传感器，前置放大器，主机，采集分析软件四个主要部分组成，结构如图所示。金属部件压力管道声发射信号的谐振频率主要集中 分 布 在 几 十 到 几 百 ，固 实 验 室 中 采 用 了 型 传 感 器，并 且 将 该 传 感 器 频 率 设 定 为 为 ，信号采样频率设置为，采样信号波形门限 ，采样信号长度设置为 ，采样信号参数时间间隔为 ，采样信号闭锁时间为 。在退役的管道上通过模拟实验获取不同类型的三类信号，利用 源测试法（也称断铅测试法）模拟管道故障产生裂纹发出测试信号，同时在同一个测试点处，用金属棒对其进行一次图数字声发射系统敲打，用 黑 色 砂 纸 快 速 划 过 该点，模拟出另外两种不同类型的噪声声源。每次实验时，保持声发射传感器与事故发生点连接位置保持不变，在事故发生点处分别模拟金属棒敲击、砂纸和断图 模拟声发射信号测量管道铅三种特殊情况检测声源，并实时记录相关实验数据，然后在不同的实验位置重复以上实验，多次试验获得实验数据。在实验室条件下，为充分验证上述检测方法技术的有效性，按照目前国际相关规定，应用铅无损噪进行检测，需使用笔芯为 型的铅笔来进行断铅故障信号模拟试验，才可正确直接模拟到管道产生裂纹的声音源，同时通过用金属棒在相同点敲击和用砂纸划过相同点两种方式模拟另外两种管道裂纹故障近似声源。模拟声发 年第 期射信号测量管道如图所示。采样频率和采样时间决定每帧波形的采样点数为 个点，分别采集敲击、砂纸和断铅三种声源信号各 组，在处理实验数据时，只取 个点作为一组信号，从三类信号中随机各挑选一个波形样本，如图所示，其中图（）表示时域波形，图（）表示频谱图。图中采用金属棒敲击，然后进行敲击信号采集，波形图上的对应突变点即为实验敲击点，图中波形形成的各个毛刺是因为模拟故障声信号发生叠加而出现的。从图中可以看出，敲击信号频率对比之下比较窄，频率集中在 范围内变化，在 左右出现高峰。砂纸信号幅值相对均匀分布，且基本较低，能量相比敲击信号而言，范围较宽，出现在 范围内，在 和 左右出现能量峰值，波峰在 处较高。三种故障信号下，断铅故障比其他两种故障信号的幅值要高，同时频率主要在 内分布，能量幅值较高出现在 左右，处峰值较小。（）（）图不同类型信号的时域波形及相应频谱图 小波去噪小波变换系数去噪也是一种信号过滤的技术，而且虽然在很多方面上小波去噪也被认为是低通滤波，不过因为它去噪后仍可以很有效的保持通信特性，从而在这一点上又高于了一般的低通滤波器。由此可见，小波除噪同时也是特征提取与低通滤波功能的结合，其流程框图如图所示。图小波去噪流程框图在管道故障检测信号处理中，小波去噪的主要意义就是去除故障信号采集中无意义的，大量采集信号中所需要的信号。采集故障信号过程如下：运用小波去噪多层小波系数分解采集的故障信号，之后得到相应的阀值，并得到训练后的小波系数，之后重新构造去噪后的小波系数，得到新的二次重构去噪小波信。图是对一组断铅信号进行小波去噪之后的效果图，本文主要选用 小波基，进行层次的小波分解，采用软阈值小波去噪法。从图中已经可以明显能够看出，去噪后的信号剔除了随机噪声，相比原始信号，其波形基本上已经完全恢复了原始信号的基本特征形状且波形比较光滑。图断铅信号小波去噪声音的发射识别信号与其他语音识别信号有相似之处：比如都存在隐藏状态和能够通过观察观测到的状态；都可以通过提取特征参数信息来进行识别等。因此，声发射识别信号与语音信号识别的某些本质原理有许多相同之处，处理语音信号识别的某些方法对处理声发射识别信号也是适用的。结语通过采用声发射信号采集方式进行管道故障采集，使得管道故障监测具有实时性，同时传统的声发射对于解决噪声的声发射现象具有局限性。所以给出了锅炉管道声发射信号及其其他两类现场干扰信号的模拟和采集方法以及采集信号的小波滤波方法。如此，可以为所采集的信号数据分析、处理和识别率提供支撑。参考文献：姜晓玉声发射信号的激光检测和分析南京理工大学，黄山声发射传感器校准方法的研究北京化工大学，袁少波焊接裂纹声发射监测技术的研究重庆大学，唐春会大跨径 梁桥挠度信号分离研究广州大学，周先春，嵇亚婷 基于 算法在信号去噪中的应用 电子设计工程 （），“，”，司莉锅炉管道声发射信号检测技术研究 昆明理工大学，黄钰淇贯通式同相牵引供电系统故障识别研究昆明理工大学，