CN104458152A - 一种基于声发射信号处理的气体阀门内漏检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于声发射信号处理的气体阀门内漏检测方法，首先利用声发射传感器采集信号，通过信号放大器滤波处理，得到增强的声发射模拟信号，由数据采集卡转换为数字信号送到计算机，计算机实时记录声发射信号的均方根值参数；依次采用单点法、两点法、四点法声发射信号采集内漏分析判定方法，通过阀门内漏声发射信号均方根值判断阀门是否存在内漏。本发明应用于气体阀门内漏检测领域，具有较强的实用性、成本比较合理、检测效率高、不影响正常的生产，而且减少了工业噪声对检测产生的影响。

Description

一种基于声发射信号处理的气体阀门内漏检测方法

技术领域

本发明属于气体阀门内漏检测技术领域,尤其是一种基于声发射信号处理的气体阀门内漏检测方法。

背景技术

阀门是石化工业生产自动控制系统和安全防护系统中的重要设备，被称为石化工业的“咽喉”。由于生产质量控制、运输安装、使用操作、腐蚀老化等原因导致了泄漏，不仅影响石化生产的质量和安全，而且对企业的能源效率具有较大影响。对于填料函、阀体、阀杆、阀体连接处等外部泄漏，可以根据治理跑冒滴漏的思路，通过检测分析是否存在泄漏物质的方法间接判断阀门的泄漏；对于密封面和密封件根部引起的内部泄漏，传统的方法是将阀门拆卸下来，利用检测实验平台检测，例如压力检测法、气泡检测法等，相关检测维修费用非常昂贵。据相关资料统计，在天然气工业中，购买阀门的费用占到了一个新建工厂的8％，而维修更换费用占维修更换设备总费用的10％。而且，阀门的多次拆卸安装等操作，对阀门容易造成二次伤害，更容易导致内漏发生。因此，发明一种方便、快捷的阀门内漏在线检测方法替代传统的检测方法，以便缩短企业阀门检维修时间，避免诱发重大安全事故的发生，对保障企业安全高效生产具有重大意义。

国内外从上世纪60年代就开始了阀门泄漏检测技术的研究工作，普遍认为声发射检测技术作为一种新型无损检测技术可以应用于阀门内漏检测，可以解决阀门内漏在线检测问题。然而，由于阀门结构、尺寸、使用工艺条件的影响，导致了阀门内漏声发射信号的多样性，与此同时，由于石化生产工业噪声的影响，进一步增加了声发射阀门内漏检测的难度。

申请号为“CN201010590565.1”、发明名称为“一种用于气体阀门泄漏的检测系统”的专利公开了一种用于气体阀门泄漏的检测系统，利用无线传感器网络部署，包括气体阀门前后管道安装无线压力变送器和表贴式无线温度变送器，以及在阀门旁侧安装无线超声泄漏传感器，由此通过阀门前后段的压力、温度微小变化信号的检测以及超声信号通过无线方式上传到计算机，综合利用压力分布法、温度检测法、超声泄漏检测法对阀门泄漏情况进行分析。该方法准确度和灵敏度较高，无线变送器安装便捷，不需要额外敷设信号线缆，并且能够及时补漏，对提高企业生产效率具有重大意义。然而，该方法存在的问题是，系统复杂，设备成本高，不适用于工业生产阀门较多的环境，并且，针对直径较小的阀门，微小的内部泄漏难以体现到温度、压力的变化，超声信号受检测点位置的影响较大，而且，单点采集超声信号难以滤除工业噪声的影响。

申请号为“CN201210319752.5”、发明名称为“一种用于可燃气体管道阀门泄漏的在线检测装置及方法”的专利公开了一种用于可燃气体管道阀门泄漏的在线监测装置和在线检测方法，通过在可燃气体管道上安装一组合阀门，通过套阀的动作来观察管道中的压力变化，以确定气体切断阀门及管道的泄漏情况，可以快速准确的检测冶金工业中的燃气管道切断阀内泄漏，有利于保障安全生产提高生产效率。然而，该方法需要在可燃气体管道上安装组合阀门，并且需要操作阀门，在石化工业中，该方法检测效率低，而且影响正常生产，不具备应用条件。

发明内容

本发明的目的就是针对现有阀门内漏检测方法的不足，提供了一种成本合理、实用性强，检测效率低、能够消除工业噪声的基于声发射信号处理的气体阀门内漏检测方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于声发射信号处理的气体阀门内漏检测方法，包括四个检测点，检测点分布于阀门中心点的上下游，第一检测点位于阀门阀体下游10cm处，第二检测点位于阀门阀体上游10cm处，第三检测点位于气体流上游阀门连接点之外管线上大于20cm处，第四检测点位于气体流下游阀门连接点之外管线上大于20m处；首先声发射传感器采集信号，通过信号放大器滤波处理，得到增强的声发射模拟信号，由数据采集卡转换为数字信号送到计算机，计算机实时记录声发射信号均方根值参数；依次采用单点法、两点法、四点法声发射信号采集内漏分析判定方法，通过阀门内漏声发射信号均方根值判断阀门是否存在内漏，具体方法如下：

步骤一，单点法，

首先采集检测背景声发射信号均方根值，再采集第一监测点声发射信号均方根值，如果第一监测点信号均方根值与背景信号均方根值之差大于10dB，即可判定该阀门存在内漏，结束检测；

如果第一监测点声发射信号均方根值与背景声发射信号均方根值之差小于等于10dB，需要采用两点法进一步判定；

步骤二，两点法，

同时采集第一监测点和第二监测点两个检测点声发射信号均方根值，如果第一监测点声发射信号均方根值与第二监测点声发射信号均方根值之差大于5dB，即可判定该阀门存在内漏，结束检测；

如果第一监测点声发射信号均方根值与第二监测点声发射信号均方根值之差小于等于5dB，需要采用四点法进一步判定；

步骤三，四点法，

同时采集第一监测点、第二监测点、第三监测点、第四监测点四个监测点声发射信号均方根值，如果第一监测点信号均方根值与第二监测点、第三监测点信号均方根值之差均大于5dB，并且第四监测点信号均方根值与第一监测点信号均方根值之差大于5dB，即可判定该阀门存在内漏，否则即可确定该阀门没有内漏。

优选地，用声发射信号均方根值来表征阀门内漏量的声发射信号的信号特征。

优选地，阀门内漏量与声发射信号均方根值之间存在非线性函数关系：

$Q=f\left({\left[\frac{{{\mathrm{AE}}^2}_{\mathrm{RMS}}}{k}\right]}^{1/8}\right),$

其中，AE_RMS为声发射信号均方根X[n]为采集的声发射样本，n的取值为从0到N-1；其中γ为绝热指数。

优选地，所述声发射传感器采用频率范围在0kHz～80kHz的表贴型声发射传感器，实时采集阀门内漏产生的声波信号。

优选地，所述背景声发射信号均方根值小于等于40dB。

本发明的有益效果是：采用单点法、两点法、四点法声发射信号采集内漏分析判定方法，通过阀门内漏声发射信号均方根值判断阀门是否存在内漏，成本比较低，而且大大降低了工业噪声对声发射信号的影响，检测过程中不需要操作阀门，检测效率高，不影响正常的生产。

附图说明

图1为阀门内漏声发射信号检测点及检测系统示意图；

图2为单点法、两点法、四点法声发射信号处理阀门内漏检测流程图。

其中，1为阀门，2为阀门连接点，3为工艺管道，4为信号放大器，5为数据采集卡，6为计算机，7为第一监测点，8为第二监测点，9为第三监测点，10为第四监测点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

结合图1和图2，一种基于声发射信号处理的气体阀门内漏检测方法，包括四个检测点，检测点分布于阀门中心点的上下游，第一检测点7位于阀门阀体下游10cm处，第二检测点8位于阀门阀体上游10cm处，第三检测点9位于气体流上游阀门连接点之外管线上大于20cm处，第四检测点10位于气体流下游阀门连接点之外管线上大于20m处；首先声发射传感器采集信号，通过信号放大器4滤波处理，得到增强的声发射模拟信号，由数据采集卡5转换为数字信号送到计算机6，计算机实6时记录声发射信号均方根值参数；依次采用单点法、两点法、四点法声发射信号采集内漏分析判定方法，通过阀门内漏声发射信号均方根值判断阀门是否存在内漏，具体方法如下：

步骤一，单点法，

首先采集检测背景声发射信号均方根值，再采集第一监测点7声发射信号均方根值，如果第一监测点7信号均方根值与背景信号均方根值之差大于10dB，即可判定该阀门存在内漏，结束检测；

如果第一监测点7声发射信号均方根值与背景声发射信号均方根值之差小于等于10dB，需要采用两点法进一步判定；

步骤二，两点法，

同时采集第一监测7点和第二监测点8两个检测点声发射信号均方根值，如果第一监测点7声发射信号均方根值与第二监测点8声发射信号均方根值之差大于5dB，即可判定该阀门存在内漏，结束检测；

如果第一监测点7声发射信号均方根值与第二监测点8声发射信号均方根值之差小于等于5dB，需要采用四点法进一步判定；

步骤三，四点法，

同时采集第一监测点7、第二监测点8、第三监测点9、第四监测点10四个监测点声发射信号均方根值，如果第一监测点7信号均方根值与第二监测点8、第三监测点9信号均方根值之差均大于5dB，并且第四监测点10信号均方根值与第一监测点7信号均方根值之差大于5dB，即可判定该阀门存在内漏，否则即可确定该阀门没有内漏。

本发明中，通过声发射信号均方根值来表征阀门内漏量的声发射信号的信号特征。

首先采集一个声发射信号样本：x[0]，x[1]，x[2]，x[3]，…，x[N-1]，声发射信号均方根AE_RMS表示为：

${\mathrm{AE}}_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X{\left[n\right]}^2}---\left(1\right)$

阀门内漏时产生的声发射一定是四极子和高阶声源释放弹性波的结果，伴随着湍流噪声的产生，将Lighthill波动方程应用于阀门内漏中，可以表示为：

$P_S=C_0\·\frac{P^4{d}^{16}}{{\mathrm{\α}}^5{\mathrm{\β}}^3{D}^{14}}---\left(2\right)$

其中：

其中P_S为声功率，单位为W；

C₀为比例常数；

P为阀门上下游压差，单位为Pa；

d为泄漏孔直径，单位为m；

α为声波在气体中传播速度，单位为m/s；

β为阀门泄漏口处流体密度，单位为(kg/m³)；

D为阀门通径，单位为m。

从里昂氏阀门百科全书中了解到阀门内部发生气体泄漏时，气体质量流量公式为：

$w=\frac{c_f{p}_1{\mathrm{\πd}}^2}{4\sqrt{\mathrm{RT}}}\sqrt{\mathrm{\γ}{\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\mathrm{\γ}+1/\mathrm{\γ}-1}}---\left(3\right)$

其中，

W为阀门质量流量，单位为kg/s；

γ为绝热指数；

R为气体常数，单位为J/(kg.K)；

T为热力学温度，单位为K。

将气体质量流量除以密度，得到阀门体积泄漏量计算公式为：

$Q=\frac{c_f{P}_1{\mathrm{\πd}}^2}{4\mathrm{\ρ}\sqrt{\mathrm{RT}}}\sqrt{\mathrm{\γ}{\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\mathrm{\γ}+1/\mathrm{\γ}-1}}---\left(4\right)$

令 $k=\sqrt{\mathrm{g\γ}{\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\mathrm{\γ}+1/\mathrm{\γ}-1}}---\left(5\right)$

求得 $d=\sqrt{\frac{4\mathrm{Q\ρ}\sqrt{\mathrm{RT}}}{\mathrm{C\πPk}}}---\left(6\right)$

将(6)代入Lighthill波动方程(2)得到:

$P_S=g\left({\left(\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\α}}\right)}^5{\left(\frac{\mathrm{RT}}{P}\right)}^4\left(\frac{Q}{D^{14}}\right)\right)---\left(7\right)$

其中g是非线性函数。

阀门内漏的气体密度主要受阀门压差的影响，根据玻意耳定律，(7)可表示为：

$P_S=g\left(\frac{{\mathrm{PQ}}^8}{\mathrm{RT}{\mathrm{\α}}^5{D}^{14}}\right)---\left(8\right)$

将(8)代入声发射信号均方根值公式(1)得到，阀门内漏量与声发射信号均方根值函数关系式为：

$Q=f\left({\left[\frac{{{\mathrm{AE}}^2}_{\mathrm{RMS}}}{k}\right]}^{1/8}\right)---\left(9\right)$

由此可知，阀门1内漏量与声发射信号均方根值存在非线性函数关系，因此，可以利用声发射信号均方根值表征阀门内漏情况。

所述声发射传感器采用频率范围在0kHz～80kHz的表贴型声发射传感器，实时采集阀门内漏产生的声波信号。

所述背景声发射信号均方根值小于等于40dB。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于声发射信号处理的气体阀门内漏检测方法，其特征在于，包括四个检测点，检测点分布于阀门中心点的上下游，第一检测点位于阀门阀体下游10cm处，第二检测点位于阀门阀体上游10cm处，第三检测点位于气体流上游阀门连接点之外管线上大于20cm处，第四检测点位于气体流下游阀门连接点之外管线上大于20m处；首先利用声发射传感器采集信号，通过信号放大器滤波处理，得到增强的声发射模拟信号，由数据采集卡转换为数字信号送到计算机，计算机实时记录声发射信号的均方根值参数；依次采用单点法、两点法、四点法声发射信号采集内漏分析判定方法，通过阀门内漏声发射信号均方根值判断阀门是否存在内漏，具体方法如下：

步骤一，单点法，

首先采集检测背景声发射信号均方根值，再采集第一监测点声发射信号均方根值，如果第一监测点信号均方根值与背景信号均方根值之差大于10dB，即可判定该阀门存在内漏，结束检测；

如果第一监测点声发射信号均方根值与背景信号均方根值之差小于等于10dB，需要采用两点法进一步判定；

步骤二，两点法，

同时采集第一监测点和第二监测点两个检测点声发射信号均方根值，如果第一监测点声发射信号均方根值与第二监测点声发射信号均方根值之差大于5dB，即可判定该阀门存在内漏，结束检测；

如果第一监测点声发射信号均方根值与第二监测点声发射信号均方根值之差小于等于5dB，需要采用四点法进一步判定；

步骤三，四点法，

同时采集第一监测点、第二监测点、第三监测点、第四监测点四个监测点声发射信号均方根值，如果第一监测点信号均方根值与第二监测点、第三监测点信号均方根值之差均大于5dB，并且第四监测点信号均方根值与第一监测点信号均方根值之差大于5dB，即可判定该阀门存在内漏，否则即可确定该阀门没有内漏。

2.如权利要求1所述的一种基于声发射信号处理的气体阀门内漏检测方法，其特征在于，用声发射信号均方根值来表征阀门内漏量的声发射信号的信号特征。

3.如权利要求2所述的一种基于声发射信号处理的气体阀门内漏检测方法，其特征在于，阀门内漏量与声发射信号均方根值之间存在非线性函数关系：

$Q=f\left({\left[\frac{{{\mathrm{AE}}^2}_{\mathrm{RMS}}}{k}\right]}^{1/8}\right),$

其中，AE_RMS为声发射信号均方根X[n]为采集的声发射样本，n的取值为从0到N-1，N为自然数；其中γ为绝热指数。

4.如权利要求1所述的一种基于声发射信号处理的气体阀门内漏检测方法，其特征在于，所述声发射传感器采用频率范围在0kHz～80kHz的表贴型声发射传感器，实时采集阀门内漏产生的声波信号。

5.如权利要求1所述的一种基于声发射信号处理的气体阀门内漏检测方法，其特征在于，所述背景声发射信号均方根值小于等于40dB。