基于小波阈值的天然气管道阀门内漏信号分析.pdf
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1、第 2 3卷第 2期 2 0 1 5年 6月 北京石油化工学院学报 J o u r n a l o f Be i j i n g I n s t i t u t e o f Pe t r o c he m i c a l Te c hno l o gy Vo 1 2 3 No 2 3 u n 2 0 1 5 基于小波阈值的天然气管道 阀门内漏信号分析 刘治超 , 陈鑫 , 马斌 良 , 李振林 , 郭茂 磊 , 张海峰 ( 1 中国石油大学 ( 北京 )机械与储运工程学 院,北京 1 0 2 2 4 9 ; 2 中国石 油天然气股份 有限公 司独山子石化分公司 ,新疆克拉玛依 8 3 3 6
2、0 0 ) 摘 要 : 阀 门是天然气管道运输 的重要组 成部 件 , 阀 门内漏 给天然 气管 道运输 带来 了严 重 的安全 威 胁 。通过 阀门内漏声 发射特性实验和声发射信号分 析 , 可以得 到声发射 信号 的幅度 、 能量 和频谱 , 并进 行 内漏 流量的判定 。由于采集 的声发射信号含有 大量 的噪声 , 因此应对 采集 的声 发射 信号采 用默认 阈 值 、 硬阈值 、 软阈值 、 改进 的小波 阚值 等多种阈值进 行降 噪分析 , 提 高重建信 号 的信 噪 比, 降低 均方根误 差 值 , 消除信号噪声 , 为阀 门内漏 的检测 和定性定量 分析提供有效工具 。 关键词
3、: 频谱 分析 ;声 发射 ;小波阈值 ;信噪 比;均方根误差值 中图分类号 : TE 8 8 文献标志码 : A 管道运输是天然气最主要的运输方式 , 阀 门是天然气管道重要的组成部分 , 为了保证天 然气运输的安全性 , 天然气管道阀门需要具有 很好 的密 封 性 。在 实 际 工 作 中 , 由于 运 输 或 者 安装不当很可能造成 阀门的内漏 , 并且这种 内 漏不容易被发现 。声发射检测技术作 为一种新 型的无损检测技术 , 能够采集 阀门内漏 的声发 射信号, 通过信号特征研究对 阀门内漏进行定 性 和定 量 的分析 。 国外对 于声 发 射 技 术 的研 究 较 早 , 并 且
4、将 其应用于管道阀门内漏 检测 中, 证明声发射技 术具 有 很 好 的应 用 前 景L 1 。2 0 0 4年, J H L e e 2 研究 阀门在 不 同开 启 角 度 下 的 泄漏 声 发 射信号特征, 确定了不 同声发射波形与阀门泄 漏 率 之 间 的 对 应 关 系。 2 0 1 0 年w Ka e wwa e wn o i 和 A P r a t e e p a s e n _ 3 。 进 行 了低 压下 的阀 门内部 流体 泄漏 与声 发射信 号 的关 系 研究 , 通 过理 论 分 析 求 得 阀 门泄 漏率 与声 发射 特征信号的数学模型 。国内对于声发射检测技 术也有一定
5、的研究 , 2 0 1 2年高倩霞l 5 采用声发 收稿 日期 : 2 0 1 4 1 1 1 7 基金项 目: 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 ( 9 7 3)项 目 ( 2 0 1 2 c B 7 2 O 5 O 4 ) ; 国家 自然基金项 目( 5 1 1 0 6 1 8 0 ) 。 作者 简介 : 刘治超 ( 1 9 8 8 一) , 男 , 硕 士研究 生, 研究 方 向为输 气管道球 阀内漏声学检测 , E ma i l : l i u z h i c h a o b o a 1 6 3 c o m。 射检测技术对火电厂的阀门泄漏量进行定量研 究。2 0 1 3年
6、 , 张海峰 等C 6 - 7 3 采用 L a b VI E W 图 形 化编 程语 言 和 Ma t l a b相 结 合 开 发 出了 天 然 气管道阀门内漏声发射检测系统, 并采用小波 包分析进行 了天然气管道 阀门内漏声发射信号 的特 征研 究 。 笔者采用天然气管道阀门内漏声发射检测 系统 , 在 对 实 验室 和现 场 的 阀 门进 行 内漏 检测 中发现 , 采集的阀门声发射信号 中含有大量的 环境噪声 , 对检测 的效果产生 了一定 的影 响。 通过对声发射信号进行时频特性研究 , 采用多 种小波阈值去噪方法对声发射信号进行去噪处 理 , 通 过 理论分 析 和试验 研究 验
7、证 其 有效 性 , 为 阀门内漏检测提供理论基础 。 1 阀门 内漏声发射检测理论分析 声发射是物体的能量迅速释放产生瞬态应 力 波 的 物理 现 象 , 声 源 发 出 的信 号 中包含 了材 料 内部的结构和缺陷等特性 , 通过仪器采集 的 声发射信号的特性分析可 以得 出材料和内部结 构的缺陷位置 、 状态变化等宏观信息。 声 发 射信 号 是 一种 瞬 时 弹 性 波 , 在 时域 上 表现为复杂的连续信号 , 其 中包含了环境噪声 , 并且在声发射信号的传播过程中存在由于信号 的不确定性、 突发瞬态性及多样性等产生的大 第 2期 刘治超等 基于小波阈值的天然气管道阀门内漏信号分析
8、2 1 量噪声干扰 , 阀门的内漏声发射信号被淹没在 噪声 中 , 所 以需 要 进行 降噪 处 理来 提 取 阀 门 内 漏 的信号 。 2 阀 门 内漏 试 验 研 究 本试验中, 采用声发射检测装置进行检测 , 该装置主要组成部分为声发射传感器 ( 中心频 率为 1 5 0 k Hz ) 、 信号放大器 增益( 4 0 1 ) d B 、 数据采集卡( 测量范围为 1 0 V, 采样频率为 2 0 0 k Hz ) 、 声发射检测软件( L a b VI E W 编制) 。 试验台是针对 中高压试验进行设计 的 , 设 计 承 压能 力 为 1 2 MP a , 许 用 最 大 工 作
9、压 力 为 1 0 MP a , 喷 管 上 下 游 管 径 为 DN8 0 , 内 径 为 7 6 2 mm。采 用 高 压 氮气 作 气 源 , 通 过 声 发 射 检测仪采集阀门的内漏信号 , 如图 1 所示。 图 1管道阀门 内漏声发射检测系统 3 基 于小 波 阈值 的声 发 射信 号去 噪方法研 究 对采集 的声发射信号进行 小波默认阈值 、 分层硬 阈值和软 阈值去噪 , 改进 的阈值去噪 , 对 比不 同的去 噪方 法得 出 的声发 射信 号 的信噪 比 和 均方 根误 差 值 , 去 噪 后 信 号 的信 噪 比 R 越 大 , 均方根误差值 R 越小 , 说明信号去噪的效
10、果 越好 。 f ; z ( ) R 一l o l g 一 ( 1 ) I E s ( n ) 一 ; ( ) l R 埘 一 (72 ( 2 ) 其 中: s ( ) 为采集 的声发射信号 ; ; ( ) 为去噪后 的信号 ; M 为采样点数 。 小 波 阈值去 噪 的关 键 是 合 理选 取 阈值 , 硬 阈值和软阈值是 2种通用 的阈值函数 , 但是都 存 在 着 一定 的缺 陷 , 硬 阈值 去 噪 后 的信 号 在 阈 值点处不连续 , 重构回的信号可能会出现振荡, 且容 易 出现吉 布斯 效应 。软 阈值 去噪 函数 虽然 在阈值点处连续 , 但是存在恒定的偏差, 重构回 的信 号
11、可 能会 出现 模糊 失真 。针 对传 统 的阈值 去噪存在 的缺陷 , 采用改进的小波阈值 , 新的阈 值的 自适应能力强 , 改进的阈值 函数介于软、 硬 阈值 函数 之 间 , 兼 顾 了两者 的优 势 。 经 典 的 阈值 T 的选 取 方 法 有通 用 阈值 选 取法、 S UR E S h r i n k阈值选取法、 启发式 阈值选 取法和极大极小 阈值选取法。 硬 阈值 函数 表 达式 为 : f W j , , l W l T 一 1 0 , I W j ,小 罂 0 l 5 O l o0 5 0 0 50 1 50 主 馨一 : 1 5 0 垂 馨一 : l 0 0 0 2
12、00 0 3 00 0 采样点数 ( a ) 原始信号 l 0 00 2 0 00 3 0 0 0 4oo o 采样点数 ( b ) 软阈值去噪后的信号 图 7 软阈值去噪后的信号图像 0 1 0 o 0 2o o o 3 o 0 0 40 0 0 采样点数 f a 1a原始信号 0 1 0 0 O 20 0 O 3 0 0 0 40 0 0 采样点数 ( b ) 硬 阈值去噪后 的信号 图 8 硬 阈值 去噪后的信号图像 采样点数 ( a 1 原始信号 0 1 00 O 2 0 00 3O 00 采样点数 ( b ) 改进 阈值去噪后 的信号 图 9 改进的小波 阈值去噪后 的信号 图像 噪
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- 基于 阈值 天然气 管道 阀门 信号 分析
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