（精密仪器及机械专业论文）管道腐蚀及泄漏的声发射检测技术研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中文摘要 管道运输作为与公路、铁路、航空、水运并驾齐驱的五大运输行业之一，在 国民经济和现代工业方面发挥着越来越大的作用。研究先进的管道无损检测技 术，对于保障管道运输的安全稳定运行，减少和避免环境污染具有重要意义。本 文对基于声发射方法的管道缺陷和泄漏检测技术进行了研究，为管道声发射检测 进入工程应用提供了经验和依据。 本文研究了管道声发射检测的现有技术。基于声发射现象产生的机理和声发 射检测的基本原理，并根据突发型信号和连续型信号的不同特点，研究了管道裂 纹信号和泄漏信号的形成机制、波形和频谱特征。 本文对管道腐蚀裂纹声发射信号的检测进行了研究，采用了n i e l s e n h s u 断 铅法模拟管道裂纹的产生。根据实际检测中出现的现象及采集的数据，分析了裂 纹信号在传播过程中的衰减变化、时差测量方法对定位的影响，以及产生漏定位 和伪定位的原因。提出了改变定时参数、测量实际波速、绘制衰减曲线的补偿方 法，并验证了补偿效果。 本文分析了管道泄漏检测的特点，定性判断了管道泄漏的发生。研究了管道 泄漏声发射信号的频谱和能量随泄漏孔大小、管道压力、信号传播距离等的变化 规律。分析了管道泄漏信号定位时的误差，采用相关分析的方法实现对泄漏的定 位。从去噪的角度，提出了采用小波包分析信号处理方法，并进一步验证提高了 定位精度。 关键词：声发射管道腐蚀泄漏检测定位信号处理 a b s t r a c t p i p e l i n en - a n s p o r t a t i o ni sp l a y i n gam o r ea n dm o r ei m p o n a n tp a ni nn a t i o n a l e c o n o m ya n dm o d e me n t e 印一s e ，w h i c hi s0 n eo ft h ef i v ec h i e ft r a n s p o n i n gi n d u s t r i e s w i t l lo 也e r sl i k e h i 曲w a y ，r a i l w a y ，a i r f e r 叮a n dw a t e rc a r r i a g e a n da d v a n c e d n o n - d e s 仃u c t i v ei n s p e c t i o nt e c l l l l o l o g ) ，i st h ek e yt oi n s u r es a f ea n dr e l i a b l e 叩e r a t i o n o fp i p e l i n e ，髂w e l la sa v o i de n v i r o m n e n t a lp o l l u t i o n t h i sd i s s e n a t i o nm a i n l y r e s e a r c h e do na c o u s t i ce m i s s i o nc o r r o s i o n sa n dl e a k a g ed e t e c t i o nt e c h n o i o g yf 0 r p r e s s u r ep i p e l i n e t h ep r e s e n tt e c h l l o l o g yo fa c o u s t i ce i i l i s s i o nd e t e c t i o ni sb e e ns t u d i e d b a s e d0 n t 1 1 em e c h 撕s mo fa eg e n e r a t i o na n db 笛i cp 血c i p l eo fa c o u s t i ce l i s s i o n ，f o 加1 a t i o n m e c h a n i s m ，w a v e f 0 衄狮ds p e c 加】1f e a t u r e so fa ec r a c ka n dl e a ks i 印a l sw e r e 锄a l y z e da c c o 础n gt ot l l ed i 位r e n c e sb e t 叭s i l d d e n s i g n a l 加dc o n t 】i n u 0 璐s i 印a 1 s i m l a t e db yn i e l s e n h s ul e a db r o k 钮，也ea ec r a c ks i 印a lo fp i p e u n ew 鹤 r e s e a r c h e d a c c o r d i n gt 0t h ep h e n o m e n aa n dd a 妇a c q u i r e di nr e a ld e t e c t i o n ，a ec r a c k s i 印a la t t e n u 撕o nd u r i n g 仃a n s m i s s i o np r o c e s s 锄d 也ei m p a c tf a c t o r sc 嬲e db y t i m e d i 妇f e r e n c em e 硝u r e m e n tw e r e 柚a l y z e 也粕dc 伽叩e n s a t i o nm e t h o d s ，s u c h 邵 c h a n 百n gt 1 1 e t i m ep a r 锄e t e r s ，m e 嬲u r i n gt h ea c t u a l v e l o c i 饥a n dd r 砒gt 1 1 e a 位e n u 撕0 nc ea n ds oo n ，w e r ep u tf 0 n a r d 锄dc e r t i f i c a t e d 1 h ep i p e l i n el e a k a g ew 舔j u d g e dq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i 丘c a t i o m l l y 舶m 也e p i p e l i n el e a l ( a g ec h a r a c t 甜s t i c s n em l eo fp i p e l i n el e a ka ep a 砌a e t e r sv a d ，i n g 埘也 s i z eo ft 1 1 el e a l 【i n gp o i n t ，p r e s s u r ei np i p e l i n e ，a n dp r o p a g a t i i l gd i s t a n c ew a ss t u d i e di n d e t a i l t h el e a kl o c a t i o ne n o rw a s a n a l y z e d ，她dc o 玎e l a t i o n 锄a l y s i sm e t h o dw 舔u s e d t oa c q u i r et 1 1 el e a kp o s i t i o n f l l r t h e rm o r e ，w a v e l e ta n a l y s i sm e 也o dw a sr a i s e dt ow i p e o 行n o i s e ，趾dw a sp r o v e dt ob em o r ee f f e c t i v e k e yw o l 之d s ： a c o u s t i ce m i s s i o n ，c o r r o s i o no fp i p e l i n e ，l e a k a g e ，d e t e c t i o n a n do r i e n t a t i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘鲎或其他教育机构的学位或征 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的晚明并表示了谢意。 学位论文作者签名：纭吃z签字同期：2 卯7 年莎月厂口同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论1 ：) = 的规定。 特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 张粗 导师签名： 签字同期：加司年石月细r 签字r 期：讯7 年勿月口同 天津大学硕士学位论文 管道腐蚀及泄漏的声发射检测技术研究 第一章绪论 管道运输作为一种经济、有效、环保的运输手段，在运送气体、液体、浆体 等散装物品方面具有的独特优势，世界各国已经普遍采用长距离管道输送原油、 天然气和成品油等。管道运输是国民经济综合运输的重要组成部分之一，也是衡 量一个国家的能源与运输业是否发达的特征之一。迄今为止，全世界主要管道干 线的总长已经超过了2 3 0 万公里，其中原油和成品油管道8 0 万公里，天然气管 道1 5 0 万公里，并且每年以4 万公里的速度在增长，已经形成许多地区性的、全 国性的甚至国际性的、洲际性的大型油气输送管网i 叼j 。 然而，由于长输管道距离长，沿途多为荒漠、沼泽、戈壁或河流，人工巡检 困难：同时由于管道的腐蚀、磨损、服役时间过长以及其他的自然、人为损坏等 多种原因，管道的泄漏事故时有发生，不仅造成经济方面的巨大损失，同时也严 重污染了环境。如1 9 9 9 年，c 0 1 0 n i a l 管道公司运营的成品油管道在位于田纳西 州东部的诺克斯维尔发生了一起破裂溢油事故，泄漏了2 0 2 7 。的高硫燃料柴油， 财产损失达7 0 0 万美元【3 1 。因此，管道的维护管理、泄漏的检测、保证管道的 安全运行已成为重要的研究课题，引起了全世界各国的高度重视。 随着我国国民经济的发展，可持续发展战略的实施，安全、环境及灾害的防 治要求越来越高，如何保障油气管道运输设备的安全运行，及时发现管道腐蚀及 泄漏并准确判断位置这一重大课题，在持续带来更高的经济效益和社会效益的同 时，也为对油气管道安全检测技术提出了更大的挑战。 1 1 管道声发射检测技术及特点 当材料或结构受到外力或内力作用时，由于其微观结构的不均匀，以及内部 缺陷的存在，导致了局部应力集中，造成不稳定的应力分布。当这种不稳定应力 分布状态下的应变能积累到一定程度时，不稳定的高能状态会向稳定的低能状态 过渡，这种过渡一般是以塑性变形、快速相变、裂纹的产生、扩展直至断裂等形 式完成的。这种以弹性波的形式释放出应变能的现象叫做声发射，也称应力波发 射【4 - 5 1 。声发射是一种常见的物理现象，大多数材料变形和断裂时均有声发射信 号发生。声发射信号的频率范围很宽，为1 k 2 mh z ，覆盖了次声、音频及超声 等几个频段，其位移幅度为1 0 - 1 5 1 0 一。 第一章绪论 声发射技术是一种基于声发射的检测技术，其检测的能量来自材料或构件本 身。采用声发射技术可以对管道结构上的一些缺陷，如裂纹、腐蚀、分层、泄漏 和冰堵等进行检测。管道在发生腐蚀、裂纹扩展及其它故障时，都会产生大量的 声发射( a e ) 信号【n 9 1 。由于突然释放应变能而形成的弹性波在管道中传播时， 携带有大量结构或材料缺陷处的信息，因此采用安装在被测管道两端的传感器接 收信号，再由声发射仪器及软件进行数字化分析，就可以对管道中的声发射源来 定位或进行泄漏判断。 当管道由于腐蚀出现壁厚减薄或裂纹等缺陷时，通过工作压力范围内的加载 就可以对管道的活性缺陷进行判断。管道泄漏在管道中激励出应力波也可以认为 是一种广义的声发射现象，由泄漏引起的管壁振动包括横振动、纵振动和圆环振 动，圆环振动与泄漏密切相关，携带缺陷信息的应力波沿管壁传播，利用声发射 传感器采集该应力波信号，再对管道两端的测试信号进行分析处理即可确定管道 上缺陷的位置，从而实现声发射检测的目的【悱1 3 】。通过对所接收到的声发射波进 行模态分析，可以更好地确定缺陷的原始信息。 图1 1 声发射检测技术的基本原理 图1 1 为声发射检测技术的基本原理。声发射检测在许多方面不同于其它 常规无损检测方法，主要表现为【1 4 - 16 】： ( 1 ) 声发射是一种动态检测方法，声发射检测过程中的能量来自于被测 管道本身； ( 2 ) 声发射对活性缺陷比较敏感，它能探测到在外加结构应力下缺陷的 活动情况，能够提供缺陷在应力作用下的动态信息，因此适合评价缺陷对管道 的实际有害程度； ( 3 ) 对被检件的接近要求不高，适用于其它方法难以或无法接近情况下 的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及剧毒等； ( 4 ) 对构件的几何形状不敏感，适用于检测其它方法受到限制的形状复 杂的构件等。 因此，基于声发射原理的管道检测技术应用前景非常广阔。 天津大学硕士学位论文 管道腐蚀及泄漏的声发射检测技术研究 1 2 管道声发射检测的国内外研究现状 1 2 1 国外研究状况 在传统的基于参数识别方法的声发射技术的基础之上，国外学者采用模态声 发射技术对管道泄漏进行了初步试验研究。c 1 a rk 【17 】研究了背景填充介质对充液 管线中传播的声信号衰减的影响，在空气、水和不同湿度沙等背景填充介质情况 下进行了试验。结果证明，背景填充介质对充液管线中传播的声信号影响很大： 背景填充为空气和水时，声信号衰减分别为最小和最大，信号能量一般分布在 1 0 1 0 0k h z 范围，大部分在3 0k h z 以上；背景填充物为沙时，增加湿度对整个 管线的声信号衰减都有负面影响。 m i l l e r 【1 8 】建立了一种参考标准，用于管线泄漏的声发射检测装置的搭建和评 价，参考标准包括直径为5 0 8c m ( 2i n ) 的管道和便于引入的可以控制泄漏形式 的泄漏孔。试验证明，该参考标准不仅对声发射设备的检查很有效，而且作为一 种综合的声发射源定位方法有利于对泄漏源的识别。试验研究了压力对检测到的 泄漏率的影响，对于环境保护意义重大。 l e e 【1 9 l 将声发射技术用于管线的泄漏检测，采用了基于信号幅度衰减和时间 行程两种不同方法对泄漏源进行定位。试验结果表明，基于衰减的方法对于泄漏 检测更为有效，如果考虑衰减的影响，源定位可以更为准确。针对现有无损检测 方法还不能实现地下管线4 5 5c m 3 h ( 0 1g a l h ) 的泄漏检测，m i l l e r 设计了试验装 置，建立了声发射泄漏检测系统，其中的模拟泄漏源具有可重复性。在变化泄漏 孔径、泄漏孔取向、背景填充物和管道填充物及压力的情况下，进行了声发射泄 漏检测试验。 美国物理声学公司及新泽西技术大学分别在美国和俄罗斯进行了充液、埋地 管道的裂纹检测及对泄漏点的定位研列2 0 1 。通过泄漏点附近被热水融化的雪迹， 以及与h t h l 】i 系统的已知历史检测记录相对比，验证了该试验中对双层管道的泄漏 点的定位是准确的。实验中采用了气体致紊技术以突破传感器间距的限制。 在传统相关分析方法的基础上，l a n c e 【2 1 l 建立了一种新的管网泄漏理论模型， 获得了其声发射事件的基本特征。并采用两种算法对泄漏源定位中超声信号的弥 散进行了补偿，时间一空间转换法可以准确确定模拟模型和现场试验中的噪声 源；并从理论上证明，空间一频率转换法可以通过一个或两个探头来确定泄漏的 位置，但这种方法有待于试验证实。 r o b e r t s 【2 2 1 开发了一种用于管线声发射泄漏源定位的通用互相关方法。该方 第一章绪论 法有助于消除弥散现象对定位精度的影响，并对现场检测可能遇到的几个问题予 以考虑。从试验结果可见，泄漏声发射信号既包括对称模态又包括非对称模态； 模态的弥散特性沿管线长度变化，频率 3 0 k h z 时更为明显；各模态的能量分布沿 管线长度也是变化的；合理的模态分离技术对定位算法的影响很大。因此，对选 定模态的更好的分离方法是今后研究的重点，这对于复杂的多模态系统的适当模 态的选择尤为重要。 p a c 公司通过在m i s t r a s 和d i s p 系统上编写文件实现了一种特殊的互相关算 法( c o r a l ) 【2 3 】，通过对相邻的传感器接收到的撞击数进行互相关分析来确定声 发射源的位置。采用了这一算法，可以解决了由于传感器距离过大及加载时间较 长而导致的传感器所接收到的是混合的声发射撞击数的问题。采用该算法，可以 有效提高缺陷定位的精度。 1 2 2 国内研究状况 国内管道声发射检测研究大都是基于传统声发射进行的。霍臻【2 4 】利用声发射 技术对管道泄漏进行检测，实验证明应用泄漏声发射信号检测气体和液体的泄漏 是可行的，并有较高的灵敏度，但存在的问题是难于准确确定泄漏源的位置以及 检测灵敏度受噪声影响等。 王祖荫f 2 5 】对管道声发射检测实验中流体泄漏声发射信号盼特征进行了描述， 并对检测过程中声发射参数的选择进行了叙述，实验证明了采用声发射方法检测 压力管道泄漏的可行性，而且，对气体泄漏的检测效果优于对液体泄漏的检测。 李光海等【2 6 】利用声发射技术分别进行了充水和工业气体的地埋管线泄漏检 测研究。采用快速傅里叶变换( f f t ) 、小波和神经网络识别技术对泄漏声发射信 号和噪声进行分离处理，采用基于衰减和波形分析两种方法对泄漏源进行定位。 试验初步证明了声发射技术检测埋地管线泄漏的可能性。 目前，国内模态声发射研究较少，研究范围也较为有限。刘松平1 2 ，j 等介绍了 模态声发射检测技术的原理、信号特征及信号源识别和定位，并对其在飞机疲劳 裂纹监测中的应用进行了介绍。耿荣生【2 8 】等介绍了模态声发射在声发射源定位、 复合材料损伤源识别、疲劳裂纹萌生和扩展的声发射监测以及日历损伤声发射评 价等工程实践中的应用。 焦敬品等【2 9 ，3 0 】根据模态声发射理论，将圆管中导波的传播理论应用于管道泄 漏的声发射检测，建立了管道中泄漏声发射信号的多模态传播模型，并利用管道 中导波传播的频散特性，在提取单一模态导波的基础上，提出了一种实用的声发 射泄漏定位方法。 综上所述，管道的声发射缺陷检测及相关课题的研究是国内外无损检测领域 4 天津大学硕士学位论文管道腐蚀及泄漏的声发射捡4 技术研究 的一个热点。虽然目前针对管道裂纹、腐蚀及泄漏问题提出了各种实验方案，但 管道声发射检测技术在实际应用中还有许多问题需要解决，如检测距离、信号去 噪及定位精度的提高等。 1 3 声发射检测系统简介 自2 0 世纪7 0 年代初第一代声发射仪器河世以来声发射仪已经更新换代多 次在结构、功能和数字化程度上均有很大改进。第一代声发射仪存在不少缺点， 如重量大、体积大、功耗大和易受干扰等。8 0 年代中期，基于现代微处理器( 2 8 6 ) 的声发射仪被称为第二代声发射检测仪器，其信号处理能力较第一代有了很大提 高。9 0 年代以后的第三代多通道声发射检测分析系统均采用了更先进的数字化 技木，经前置放大的信号不经过模拟电路而是直接转换成数字信号，同时进行常 规特性参数的提取与波形记录，这不仅改善了电路的稳定性和可靠性，而且大大 强化了系统的信号处理能力口“。本文中采用的美国物理声学公司的声发射仪即属 第三代声发射仪，如图1 2 所示。 图l2 美国物理声学公司的声发射仪 第三代声发射检测仪器的结构如图l3 所示，一般有传感器、前置放大器、 信号参数测量、数据分析、记录和显示等基本单元构成。声发射传感器接收到的 声发射信号经过前置放大器放大滤波器频率鉴别经高速“d 变换器转换为数 字信号，经a 衅 换后的数字化声发射信号进八主处理器，进行常规特性参数的 提取、分析、运算后，最后输出到记录与显示单元0 2 l 。系统能根据用户需要给 第一章绪论 出相应的声发射分析曲线，以供分析检测到的声发射情况，可以实时记录、分析， 也可以进行事后分析处理。 1 髓道 2 樾 埔醚 图1 3 声发射检测系统结构示意图 ( 1 ) 传感器 声发射传感器是声发射系统的关键组成部分之一，通常声发射传感器的使 用频率在2 0 k h z 2 删z 之间。用于声发射信号检测的压电传感器按频率响应来 分，主要有单端谐振式传感器( 窄带传感器) 和宽带传感器。谐振式传感器具有 高灵敏度，但频率响应范围相对较窄；宽带传感器响应灵敏度低，但响应灵敏度 均匀平坦，频带较宽( 响应频率约为1 0 0 1 0 0 0l ( h z ) ，主要用于声发射波形的 时域和频域分析。 常用声发射传感器主要有压电型、电容型和光学型，其中以压电型因其灵 敏度和分辨率高、动态响应频带宽、动态误差小而应用最为广泛。压电材料多为 非金属介电晶体，其中锆钛酸铅( p z t 一5 ) 接收灵敏度高，是声发射传感器常用 的压电材料。 ( 2 ) 前置放大器 前置放大器置于传感器附近，其主要作用是为高阻抗传感器与低阻抗传输 电缆之间提供阻抗匹配，以防信号衰减，以及通过放大微弱的输入信号，改善对 电缆噪声有关的信噪比。前置放大器一般具有单端和差动输入两种输入方式，分 别配用不同的传感器。差动传感器和差动放大器具有较强的共模电压干扰抑制能 力，可以适应于较强的电磁干扰环境。 前置放大器通常提供4 0 d b 固定增益。有的还备有不同的附加增益，以适应 不同的用途。前置放大器本身具有较宽的频率范围，通常约为2 l 【h z 1 删z 。然 而，实际频宽也取决于滤波器的选择。为提高信号幅度于输出噪声的幅度之比， 放大器的动态范围应尽可能大，一般为6 0 8 5d b 。某些特殊应用下，为进一步 减少由电缆引入的干扰，前置放大器可也以和传感器集成到一起，构成带前放的 6 天津大学硕士学位论文 管道腐蚀及泄漏的声发射检测技术研究 一体化传感器。 ( 3 ) 信号处理单元 一个声发射系统中一般包括一块或多块信号处理板，信号处理板主要完成 对来自前置放大器的声发射信号的处理。传感器输出的信号，经前置放大器放大， 滤波器频率鉴别、门槛电路探测后，由声发射特征提取电路将数字化的声发射信 号变成声发射特性参数，如：振铃计数、幅度、上升时间、持续时间、时差、平 均信号电平和有效值电压等，经进一步处理、分析，形成附加的声发射特征，如 参数窗滤波，时间序列等，通过p c i 总线由系统c p u 来读取和处理声发射数据， 最后输出到记录与显示单元。 ( 4 ) 计算机系统 计算机系统将各个信号处理卡得到的波形数据读到计算机系统进行保存、 处理和显示等操作。不同类型的声发射仪对计算机系统的要求不一样，如前所述， 参数式声发射仪对计算机系统的要求较低，参数一波形式次之，直接波形式对计 算机系统的要求最高。考虑到声发射检测系统的升级，计算机系统应该有适当的 扩充能力。 ( 5 ) 采集分析软件 声发射系统的采集、分析软件可以分成独立的几个软件，也可以是多个软件 功能集合到一起，实现实时常规参数、波形采集、事后分析、图表显示等功能， 使声发射检测系统可以对材料和构件的性能进行分析。 ( 6 ) 其它附件 传感器到前置放大器、前置放大器到主机之间均通过信号电缆连接，应为具 有足够屏蔽能力的、低传输损耗的电缆，一般选用阻抗为5 0 q 的同轴电缆。由 于传感器至前置放大器之间的电缆易受电磁波的干扰，故应限制其长度，一般不 超过1 5 m 。前置放大器到主机的电缆长度可以较长，不过，当电缆长度大于3 0 0 m 时，应串接中继放大器。当检测试件为铁磁性材质时，可采用磁性夹具来固定传 感器或前置放大器。 1 4 本课题的研究意义及主要内容 管道一旦发生事故导致介质泄漏，极易造成环境污染、诱发火灾和爆炸，给 人类的生存和生态环境造成严重损失。安全、环境及灾害防治是二十一世纪人类 生存和可持续发展的重要课题，针对这一课题并结合我国相当一部分管道超期服 役，已经存在极大的安全隐患的现状，研究管道的安全检测技术，尤其是不停产 的条件下的在线检测技术，具有重要的意义。 7 第一章绪论 本文是为管道声发射腐蚀及泄漏检测真正进入工业应用的一系列前期研究。 采用声发射检测的方法，通过大量的声发射裂纹和泄漏的模拟实验，研究了在声 发射检测过程中影响声发射检测和定位的影响因素，并对声发射源的定位情况进 行了讨论，采用了一些处理方法来尽可能的提高检测精度。本文旨在对管道缺陷 的现场应用进行前期摸索，在实验室条件下尽可能多的获得有关管道声发射检测 的经验和结论，因而尽管并未正式进入油气管道的缺陷检测，仍然积累了很多有 关管道声发射检测的收获。具体如下： 通过研究，声发射检测完全可以应用于管道缺陷及泄漏检测，而且以其动态 检测的优点具有很大的潜力。但是由于声发射信号的影响因素比较多，因而在实 际进行检测的过程中，需要从理论分析、实际操作、具体管道情况等多方面考虑 各种影响因素，减少不良影响，为后续的信号分析得到尽可能噪声少的有效信号， 并采用合理的信号处理的方法来最终实现对管道缺陷及泄漏的定位分析。 本文的主要内容安排如下： 1 查阅大量国内外管道安全检测技术，获取先进的管道检测研究成果，对 声发射相关理论及管道声发射检测现有技术进行研究。 2 管道腐蚀的主要典型缺陷为裂纹缺陷，在实验室条件下，采用断铅实验 可以模拟裂纹的产生。采集管道裂纹信号后，关键在于如何通过一定的 方法来确定声发射信号的源位置，并对定位不准的情况予以改善。本文 采用时差定位的方法，在实验过程中详细讨论了使用该方法时影响声发 射裂纹检测及定位的具体因素，对漏定位和伪定位现象的原因进行分析， 并且对由于衰减、模态变换、频散等原因引起的定位误差过大的情况， 采用修改定时参数、测量实际波速、绘制衰减曲线的定位补偿方法来改 善定位效果，取得了一定的成效。 3 由于管道泄漏信号是不同于管道裂纹突发型信号的连续型型号，所以在 采集时受到更多因素的影响。本文对采集到的管道泄漏信号进行分析， 发现直接根据采集的信号进行定位是不可信的，因而在详细讨论不同的 泄漏参数( 包括泄漏孔径尺寸、压力大小、传播距离) 的基础上，采用 相关分析的信号处理方法来实现对泄漏位置的定位。通过计算，相关分 析对于结构比较单一的管道在噪声比较少的情况下是有很好的定位精度 的，但是在管道结构比较复杂，噪声源也比较多的情况下，需要可以更 好的去除噪声的信号处理方法来分离有效信号。本文采用小波包分析的 方法更好的处理了这样的情况，提高了管道泄漏定位的精度。 天津大学硕士学位论文管道腐蚀及泄漏的声发射检测技术研究 第二章管道裂纹的声发射检测及定位技术研究 管道缺陷引起其内部介质或管道局部的变化而激发应力波时，携带缺陷源信 息的应力波( 即声发射信号) 沿管壁传播，利用声发射传感器采集该应力波信号， 对其进行分析处理，就可以获得管道的缺陷信息。采用声发射技术可以检测管道 结构上的一些缺陷，如裂缝、焊缝未焊透、咬边、夹杂物、环形焊缝边缘位移、 腐蚀、分层、泄漏和冰堵等。裂纹类缺陷是管道上最常见的缺陷之一，也是管道 中存在的最为严重的缺陷【3 4 ”】，对管道的威胁极大。裂纹扩展时释放出的声发射 信号，不但出现的次数较多，而且位置比较集中，因此声发射检测的可靠性较高。 采用声发射方法可以在管道裂纹及腐蚀缺陷发展初期就对其进行识别，从而避免 继续扩展，导致泄漏或酿成其它重大事故。 本章从分析对管道实验装置声发射检测采集到的实验数据入手，对管道腐蚀 的典型缺陷裂纹的声发射信号进行了识别，并从突发型声发射信号的定位原 理出发，详细讨论了裂纹检测和定位过程中出现的问题和影响因素，分析了误差 产生的原因，提出了对应的补偿方法并进行了验证，着重得到了一些结论，为实 际现场管道裂纹缺陷检测提供了依据。 2 1 声发射管道裂纹检测的研究 管道裂纹声发射检测的目的在于检测到有关裂纹的声发射信号，并在此基础 上获得裂纹缺陷的详细信息，对裂纹缺陷的位置和严重程度做出判断。由于本文 是在实验室的条件下对管道缺陷声发射检测进行研究，所采用的实验管道都是完 好的，实际管道体上并没有裂纹，这就需要通过一定的方式来模拟管道裂纹，检 测到该模拟裂纹并进行定位，这样才可以为进行管道缺陷现场检测提供前提。 2 1 1 管道裂纹声发射信号的采集 由于在实验室条件下裂纹信号很难获取，因此在声发射实验中均采用 n i e l s e n h s u 断铅法【3 6 ，3 7 1 ，即用直径为o 5 哪的h b 型铅笔，沿被检件表面倾斜 3 0 角断铅，来模拟裂纹的产生。这是声发射检测技术中最常用的模拟声发射源， 具有广泛的代表性。 图2 1 给出了相同类型的传感器采集到的管道中传播的分别由断铅信号和实 9 第二章管道裂纹的声麓射检铡及定位技术研究 际裂纹所产生的声发射波形之间的对比。图中( a ) 为管道裂纹所产生的声发射 信号，圈( b ) 为断铅信号产生的声发射信号，传感器与声发射源间的距离为9m 。 两者均为高频突发型声发射信号，可以用断铅信号来模拟裂纹信号，在本文的实 验中，均采用此种方式。 匐苗道裂瘦产生的声发射信号 c b ) 断船信号产生的声发射信号 图21 仆s q 米白断铅信号和实际裂纹所“。生的审发射信号 如图22 所示为本文采用的裂纹摸拟实验管道i ，其现场图及示意酎分别如 圉2 2 ( a ) 和图22 ( b ) 所示。该管道即为家用普通暖气主管道，其表面有漆 皮，对声发射信号的采集存在影响，因而在实际安装传感器的时候应该将表面滚 皮刮去 ( a ) 现场豳 c b ) 示意图 雷22 声艇射裂纹罐拟实验管道 1 0 洲一 “ = i _ 一一， 天律大学硕士学位论文 管道腐蚀及泄漏的声发射检测技术研究 表2 1 为裂纹模拟管道实验管道i 的相关参数。 表2 1 声发射裂纹模拟实验管道的参数 管道材质铸铁 测量长度 5 0 0 0 m m 直径1 0 0 m m 三通位置1 3 5 0 m m 变径位置1 0 0 m m 变为l l o i n m ，长度为1 0 0 m m 在图2 2 的所示的裂纹模拟实验管道i 上，在传感器1 撑、2 捍之间距离l 1 0 0 0 m m 的位置进行断铅来模拟裂纹，l 撑、2 群采集到的声发射信号参数如表2 2 所示， 而采集到的信号波形和频谱如图2 3 所示。 表2 2 两传感嚣按收n 0 声发射信弓参数 传感器触发时间幅度( d b )上升时间计数率持续时间 c h a n n e la n v “t i n l e a m p l i t u d e 融s e t i 】m ec o u n t sd u r a t i o n 20 0 ：0 0 ：0 0 ：16 6 3 4 7 7 9 3 5 5 51 6 7 81 0 0 1 5 1 1 0 0 ：0 0 ：0 0 ：1 6 6 3 7 1 3 9 37 4 52 2 4 01 0 0 7 1 6 1 哪却咖加咖 ( a ) 波形( b ) 频谱 图2 3 管道裂纹声发射信号的波形和频谱 由图2 3 可以看到，管道裂纹的声发射信号是典型的突发型声发射信号，即 在时域上可以分离的信号【3 8 3 9 1 。它的上升段比较迅速，而下降段则呈现指数衰减 振荡的现象，按其包络线的形态则呈现一个三角形。声发射源的一次突发发射实 际上是一个突发脉冲，而传感器输出的信号呈现复杂的波形，则是信号在介质中 传播过程的反射、折射、波形变换及传感器的谐振等多种因素合成的结果。突发 型信号的频谱分布曲线非常集中，质心比较明显，表明信号包含的频率比较单纯。 第一章管道裂纹的声发射检测及定位技术研究 2 1 2 管道裂纹声发射检测的定位原理 管道腐蚀裂纹的产生与扩展均属于突发型声发射信号。突发型信号的定位方 法主要有区域定位和时差定位两种1 4 。 区域定位是一种处理速度快、简便而粗略的定位方式，要求事先将几个声发 射传感器按一定的几何关系放置在固定点上，组成传感器阵列，并将被测结构根 据传感器布置的几何关系分成若干区域。由于声发射波在传播过程中会有能量损 失，即声发射信号的强度随测量点与声发射源距离的增加而衰减，根据这一现象， 通过分析传感器接收到的声发射信号的强度，可以粗略确定声发射源所在的区 域；通过分析衰减特性，可以实现声发射源的定位。 时差定位是经过对声发射检测系统的各个通道信号到达的时间差、波速和传 感器间距等参数的测量及一定的算法运算，来确定声源的目标或位置。时差定位 是一种精确而复杂的定位方式，广泛用于各种试样和构件的检测，本文主要采用 突发型声发射信号时差线定位的基本原理来实现对管道裂纹和泄漏的定位。时差 线定位至少需要两个声发射传感器，其定位原理如图3 4 所示。 传感 管 图3 4 卢发射州差线定何原理图 在1 4 和2 ”传感器之间有一个声发射源产生声发射信号，到达1 4 传感器的时 间为f 。，到达少传感器的时间为r ，因此，该信号到达两个传感器之间的时差 f = f ：一，如以d 表示两个传感器间的距离，以1 ，表示声波在试样中的传播速度， 则可以得出声发射源距1 4 传感器的距离d 1 d = 二( d 一比，) ( 2 一1 ) 2 对于表2 2 中所示的声发射信号，两传感器接收的声发射信号的时差 缸= 一2 3 6 坤，又可据手册查得声发射波在不锈钢材料中的纵波的传播速度约为 7 0 0 0 州s ，由式( 2 一1 ) ，可以计算裂纹距离1 4 传感器的长度为 tt d = 去( d v f ) = ( 1 8 0 0 + 7 0 0 0 1 0 3 2 3 6 1 0 - 6 ) = 9 8 2 6 肌所 二 裂纹产生的真实位置为1 0 0 0n 埘，计算可得测量误差为1 7 4 。由于传感器 的直径和位置测量可能产生一定的误差，因此这种误差应该是可以接受的。 1 2 天津大学碗士学位论文管道腐蚀及泄漏的声技射检测技术研究 可见，管道裂纹声发射源韵线定位技术的关键是确定两个量：声发射波在管 道中传播的速度v 和信号到达两个估感器的时间差a ，。其中，声波在不同材料中 的传播速度般可咀通过查阅工程手册来得到或者比较复杂的材料需要通过 现场实际测量得到。由于管道裂纹激发的声发射信号为突发型信号，故时差出可 通过多通道声发射仪器的各通道记录信号的触发时间( a r r i v “t i m e ) 来确定。 现代声发射仪的时差测垂是基于各通道的触发时间，而每个通道的触发时间的测 量与触发电平值的设置和仪器的时钟频率有关。目前，仪器的采样时间可精确到 2 5 0n s 以上，因此，对时差测量不会产生太大的影响。所以采用时差定位的方法 时，如果可以比较精确的得到声速v 和时间差f ，通过计算就可以比较准确的得 到缺陷的实际位置。 2 1 3 管道裂纹声发射信号的定位及误差分析 由上一节可卧看到，对于图22 的所示的裂纹模拟实验管道i ，其管道特征 较为简单，没有很多复杂的管道结构，因而在实际进行管道裂纹声发射检测定位 的时候，其定位效果可以达到一个比较好的精度值。但是一般实际应用的管道复 杂多样，对于管道结构比较复杂的情况声发射检曩i 定位是否还可以达到同样的 效果呢? 如图25 所示为本文采用的裂纹模拟实验管道，其现场图及示意图分别如 图25 ( a ) 和图25 ( b ) 所示。该管道为天津大学自动化学院的流量实验设备管 道，表面光滑，传感器耦舍良好，但由于其为不锈钢材质，磁性吸座无法将传感 器固定因而采用胶带粘贴将传感器固定。实验表明，采用胶带粘贴固定传感器 不影响声带射信号精据的采隼 a ) 现场圈 第二章管道裂纹的声发射检测及定位技术研究 涎婆 由该示意图可以看出，该管道结构特征比较复杂，声发射信号的采集过程必 然要考虑这些管道特征的影响。其中1 群、2 4 、3 “、4 4 为固定在管道上的四个传感 器。表2 3 为裂纹模拟实验管道i i 的管道参数。 表2 3 声发射裂纹模拟实验管道l i 的参数 管道材质不锈钢 测量长度6 3 7 0 m m 直径0 0 m m 变径为5 0 衄 法兰数及位置 法兰号宽度位置 l 5 1 m m3 0 4 0 m m 21 0 8 m m4 5 7 0 m m 32 5 8 m m 5 9 8 0 m m 三通数及位置三通管径位置 ll o o m m2 8 5 0 m m 25 0 m m 3 5 3 5 m m 泄漏孔位置位置2 7 1 0 衄 管夹数及位置 管夹宽度位置 13 5 m m1 6 9 0 m m 23 5 m m5 1 9 0 m m 变径位置粗管焊缝位置3 9 9 4 姗；细管焊缝位置4 0 9 4 衄 压力表位置5 7 4 0 姗直径1 8 衄 温度传感器位置4 1 8 5 i n m 直径2 0 衄 对于如图2 5 所示的裂纹模拟实验管道1 i ，在管道上选择三处位置，用以模 拟裂纹的产生位置。三处缺陷点分别位于( 1 ) 距离1 4 传感器1 0 0 0 咖处：( 2 ) 距离2 4 传感器9 0 0m m 处；( 3 ) 距离3 4 传感器4 0 0 咖处。在每处各断铅三次来 1 4 天津大学硕士学位论文 管道腐蚀及泄漏的声发射检测技术研究 模拟裂纹的产生，每两次断铅之间要保证一定的时间问隔，采集传感器接收到的 声发射参数，记录相应的波形信息，并对裂纹进行定位。 表2 4 模拟裂纹的定位结果 定位 裂纹计算位置( m m ) 传感器组 裂纹实际位置( 姗) 误差 第一次第二次第三次平均 l4 2 4 传感器 ( 距l4 传感器) 1 0 0 0 9 8 2 69 8 2 69 8 2 69 8 2 6 1 7 4 2 4 3 。传感器 ( 距2 9 传感器) 9 0 0 5 8 3 45 8 3 46 2 0 25 9 2 33 3 8 3 4 4 4 传感器 ( 距3 4 传感器) 4 0 0 3 2 2 53 4 1 23 2 2 93 3 0 51 7 8 图2 6 管道裂纹模拟实验定位图 表2 4 为模拟裂纹的实际定位结果，图2 6 为实际定位效果图。从表中数据 可以看出，1 4 2 4 传感器对1 0 0 0n l n l 处的裂纹定位较为准确，且三次定位结果的 重复性很好。3 撑一4 4 传感器的定位结果误差较大，而2 群一3 撑传感器的定位效果最 差。 直接从三段检测区域的管道特征上来看( 图2 5 ( b ) 中) ，1 # 一矿传感器之 间为一段直管，3 。一4 4 传感器之间存在一个法兰和一个阀门，而矿一3 4 传感器之 间有一个法兰、两条焊缝、两条支路、一个阀门，并存在变径情况。由于这些特 殊结构的作用，裂纹信号的能量在传感器接收到之前可能会出现较大衰减，两传 感器接收到的可能已经不是同一模态的声发射波，这些均会导致对缺陷定位的误 差。 此外，在对处于不同检测区域的裂纹进行定位时，我们采用的是同一声速， 而实际检测过程中，由于不同检测区段内的管道表面状态、尺寸及特殊结构等条 件的不同，波的传播速度也不完全相同，甚至会出现较大差异。采用相同的波速 进行计算，也会引起一定的定位误差。下文将详细讨论管道裂纹声发射定位的影 响因素。 第二章管道裂纹的声发射检测及定位技术研究 2 2 管道裂纹声发射定位影响因素的研究 前面已经介绍了时差测量方法是一种较为精确的定位方式，因而被较为广泛 的应用于声发射实际检测中。时差测量方法中最关键的因素是确定声发射波在管 道中的传播声速和同一声发射信号到达两个传感器的时差。目前，比较先进的声 发射仪的采样速度一般都可以达到1 0 - 7 s 级，并能实现多通道同时采集，这对于 现场声发射检测来说是足够精确的，由仪器产生的定位误差完全可以忽略不计。 因此，时差测量误差和波速测量误差就成为时差测量方法影响管道裂纹声发射检 测定位的主要因素。 2 2 1 时差测量误差对定位的影响 时差测量误差的形成原因主要在于管道的特殊结构特征和波的模态变换形 成的复合波。 2 2 1 1 管道特殊结构对定位的影晌 表2 5 为裂纹模拟实验管道i i 以4 4 传感器为基准时，每隔一定距离( 4 0 0 岫) 位置断铅三次，得到的声发射信号的幅度随管道距离增加而衰减的情况。 表2 5 以销传感器为基准的幅值衰减情况 次数 01234 5 ( 过管 6 夹) 位置( 蛐) 04 0 08 0 01 2 0 0 1 6 0 0 2 0 0 02 4 0 0 幅度一( ( 1 b ) 9 99 28 78 88 78 58 5 幅度二( d b ) 9 99 08 89 08 78 58 4 幅度三( d b )1 0 0 9 4 8 98 88 78 6 8 7 平均( d b ) 9 9 3 3 39 28 88 8 6 6 78 78 5 3 3 38 5 3 3 3 次数 7 8 ( 过泄9 ( 过11 01 1 ( 过 1 21 3 漏孔和法兰)三通) 焊缝) 位置( 衄)2 7 0 02 8 0 03 2 0 03 4 0 03 6 0 03 7 0 03 9 0 0 幅度一( d b ) 8 58 27 47 37 l8 07 5 幅度二( d b ) 8 68 47 37 4 7 07 77 2 幅度三( d b )8 58 37 37 57 27 87 4 1 6 天津大学硕士学位论文管道腐蚀及泄漏的声发射检测技术研究 平均( d b )8 5 3 3 3 8 3 7 3 3 3 3 7 47 l7 8 3 3 37 3 6 6 7 次数 1 4 ( 变j 51 6 ( 过1 7 ( 过1 8 径，过2 法3 法 焊缝)兰)兰) 位置( 咖) 4 1 3 04 3 0 04 9 3 06 2 0 06 3 7 0 幅度一( d b ) 7 6 7 8 6 6 4 44 2 幅度二( d b ) 7 77 86 54 64 4 幅度三( d b ) 7 67 86 4 4 24 3 平均( d b ) 7 6 3 3 37 86 54 44 3 由图中数据可以看出，在距离传感器较近的近场区主要发生了几何扩展衰 减，声发射信号由波源向各个方向