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1、2 01 0正 第 1 期 管 技 术 Pi p e l i n e Te c h ni qu e 5 设 台 a n d Equ i pme n t 2 01 0 No 1 工业管道声发射信号衰减测试及定位分析 汪文有, 杨剑锋 ( 北京 化工大学化工安全教育部 工程研 究中心 , 北京1 0 0 0 2 9 ) 摘要 : 简述 了工业管道输送流体流动特性 , 以及声发射技术在管道检 测 中的应 用。采 用手持式声 发射检测仪器配合不 同频率传感器对在役工业管道进行检 测, 研 究焊接有三通 、 法兰、 阀 门等外接接 口 的不规则管道 的定位特征 , 对比分析规则管道 与焊有外接接 口的不
2、规则管道 衰减特征 区别, 通过对现 场数据的分析 , 得到管道损伤定位 与传播声速之间的相 互关 系以及不 同传播速度条件下产生的定位误 差, 综合分析误 差产生原因, 作为对现场检测的经验 。 关键词 : 声发射 ; 线定位 ; 误差分析 中图分类号 : T G1 1 5 2 8 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 4 9 6 1 4 ( 2 0 1 0 ) O 1 0 0 2 7 0 4 An a l y s i s o f t h e Po s i t i o n a n d At t e n ua t i o n o f S i g n a l f o r Ac o u s
3、 t i c Em i s s i o n Te s t i ng o f I nd us t r i a l Pi p e l i n e WANG We n y o u, YANG J i a n - f e n g ( E d u c a t i o n Mi nis t r y E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r o f C h e mi c a l E n g i n e e r i n g S a f e t y , B e i j i n g U n i v e r s i t y o f C h e mic al
4、T e c h n o l o g y , B e i j i n g 1 0 0 0 2 9 , C h i n a ) Ab s t r a c t : Th e p a p e r i n t r o d u c e s b r i e fl y t h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e fl u i d fl o w i n t h e i n d u s t r i a l p i p e l i n e s i n s e r v i c e b y u s i n g a h a n d h e l d a c o u s t i c
5、 e mi s s i o n d e t e c t o r I t s t u d i e s t h e a t t e n u a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f fl u i d fi l l e d c h a n n e l s a t d i f f e r e n t f r e q u e n c i e s a n d t h e p o s i t i o n i n g f e a t u r e s o f i r r e g u l a r c h a n n e l s w h i c h a r e w e
6、l d e d b y t e e j o i n t s , fl a n g e s , v a l v e s a n d o t h e r i n t e r f a c e s T h e d i f f e r e n c e s o f a t t e n u a t i n g c h ara c t e r i s t i c s b e t we e n r e gu l a r p i p e l i n e s a n d i rre g u l a r o r e s w e l d e d wi t h a n e x t e r n a l i n t e f
7、a c e a r e an a l y s e d w i th c o mp ar- a t i v e me t h o d s T h r o u g h a n a n a l y s i s o f O 13 一 s i t e d a t a, t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p i p e l i n e d e f e c t s p o s i t i o n i n g a n d t r a n s mi s s i o n o f t h e s o u n d v e l o c i t y i s d e t
8、 e r mi n e d, a n d p o s i t i o n i n g e rro r s i n d i f f e r e n t t r a n s mi s s i o n v e l o c i t i e s a r e d e t e rm i n e d A c o mp r e h e n s i v e a n a l y s i s o f t h e e r r o r s wi l l p r o v i d e s o me e x p e r i e n c e f o r o n s i t e d e t e c t i o n s Ke y w
9、o r d s : a c o u s t i c e mi s s i o n; l i n e l o c a t i o n; e r r o r a n a l y s i s 0 引言 声发射探测到的能量来 自被测试物体本身 , 在一 次检测中可 以整体探测 和评价被测结 构活性损伤 的 状态 , 缩短检验的停产 时间或不需要停产。在管道损 伤声发射检测领域 , 线定 位方法是有效 、 直观的方法 之一 。利用声 发射技 术对管道活性损伤进行定位 检 测 , 选用其 他无损检测方法对该 区域复检 , 进行定 量 检测 , 整体评估该管道的使用状态 , 估算其剩余 寿命 , 进行管道整
10、体性评 价 , 提 出介质输送工艺 、 管道维修 策略、 定期 复验等方法预 防管道损伤 的加剧 , 以减少 经济损失 , 此正确进行信号源定位显得尤为重要。 在以往的文献资料中, 通常采用实验室模拟流体在管 道中流动 , 对管道进行衰减测试与定位研究 , 得到实 验室条件下特定频率、 特定管道的声源信号的传播特 收稿 日期 : 2 0 0 9 0 2 0 6 收修改稿 日期 : 2 0 0 90 91 9 性 , 具有一定参考价值 。由于现场情况 复杂多变 , 包 括管道本体特征 、 流体介质流动状况 、 外界干扰等 因 素 , 使得模拟实验得到的结论不适合现场应用。 利用声发射对在役管道进
11、行检测 , 首先找到管线 在不同频率传感器检测过程 的衰减特性 , 分析焊接有 三通、 法兰 、 阀门等外接接 口的不规则管道定位特征, 通过对检测数据 的处理 , 得到管道损伤定位与波速之 间的相互关系和在不同传播速度条件下定位误差 , 并 综合分析误差产生的原因。 1 检测对象与检测设备 检测对象 为某石化企业炼油 厂常减压装置 中轻 质蜡油常温输送管道 和石脑 油空冷机冷却后常温 出 口管道。采用手持式声发射检测仪 ( P O C K E TA E) , 采用谐振频率 为 6 0 k H z 、 1 5 0 k H z的传感器进行对 比 检测 。声发射检 测仪的设置 参数见 表 1 ,
12、P D T、 H D T、 H L T分别为峰值定 义时间、 撞击定义时 间、 撞击 闭锁 2 8 P i p e l i n e T e c h n i q u e a n d E q u i p me n t J a n 2 0 1 0 时 间。 表 1 声发射检测仪参数设置表 2 流体噪音与管道损伤 将流体看作 由微小的流体元 构成 , 流体元在管道 内流动, 途经管径变化或弯管部位等改变流体流动状 态的地方 , 流体元 的动量 由于管道施加的作用力而发 生改变。根据动力学第三定律和流体流动的连续性 , 管道将受到流体的连续冲击 , 从 而产生冲击波并引起 管道振动 ; 工业管道铺设情况
13、复杂 , 由于流动过程中 边界层约束、 流动状态、 压力 、 流速等原 因, 管道 内流 体流动基本为湍流状态, 即不稳定流动状态 , 造成流 体内部 的不 同流体元相互冲击 , 产生流动噪音 ; 对管 道损伤声发射检测造成一定干扰。 管道损伤包括泄漏 、 裂纹 、 腐蚀等方面 , 管道经常 输送高温、 高压、 高腐蚀性介质, 在长时间使用过程 中, 由于物理 、 化学、 电化学等因素的复合 作用, 管体 内壁、 外壁会萌生点蚀 、 冲蚀 、 裂纹等损伤, 随着损伤 的不断扩展 , 导致管壁减薄、 泄漏 、 爆炸等事故。 3 管道声发射检测 3 1 蜡油输送管道检测 管道材料为 2 0钢 ,
14、流动介质为轻质蜡油 , 管径为 1 5 0 m m, 壁厚为 5 2 mm 管道为直立式 , 检测段没有 外接接口影响。分别采用不同频率传感器进行衰减 测试 , 测试方法是将传感器固定在打磨过 的管壁上 , 测定耦合 良好后 , 距离传感器每 1 0 0 mm做一点进行 断铅信号采集 , 每点断铅 3次, 共计标定 1 7点 。 3 1 1 衰减测试 分别采用谐振频率为 6 0 k Hz 、 1 5 0 k H z的传感器 进行测定, 并计算与传感器不同距离的信号幅值的平 均值, 所得数据见表 2 、 表 3 。D为信号源与传感器的 距离 , d m; 为信号幅值 , d B; 为断铅次数。
15、3 1 2 对比分析 对表 2和表 3中的数据进行 图表绘制 , 得到 R 6 和 R 1 5传感器接收到的信号幅值随距离变化的衰减 测试 ( 1 5 0 r a m, 2 0 # 钢管道) 曲线 图, 如图 1所示 。1 5 0 k H z 传感器衰减幅度明显大于6 0 k H z 传感器, 距离传 感器7 0 0 m m处, 高频( 1 5 0 k H z ) 传感器接收到的信号 已经由9 1 d B衰减到 5 9 d B , 衰减损失接近3 2 d B ; 而 低频 ( 6 0 k H z )传感器在相同位置接收到的信号幅值 表 2 6 0 ld t z谐振传感器测得断铅信号幅值变 化表
16、 N=1 N =2 N :3 平均值 表 3 1 5 0 k I -I z 谐振传感器测得断铅信号幅值变化表 信号幅值 A d B 项 目D=1 D= 2 D= 3 D= 4 D=5 D:6 D= 7 D: 8 D= 9 d m d m d m d m d m d m d m d m d m 6 2 6 2 6 2 6 2 V:1 6 0 5 9 6 0 5 9 6 5 6 5 5 8 61 :2 6 4 6 0 61 5 8 6 4 6 3 5 9 6 0 :3 61 61 61 6 2 6 6 6 2 5 6 5 9 兰望篁 : ! : ! : 箜 : ! : 仍高达 9 0 d B左右,
17、 衰减损失为 1 0 d B左右。其次, 管 道声发射信号传播具 有回波性 , 呈非线性衰减 , 在传 播一段距离往往出现回波现象( 即出现短时高幅值信 号) , 图 1中距 离通道 7 0 0 9 0 0 m m与1 3 0 01 5 0 0 m m两段之间 出现高幅值信号 , 使得衰减 曲线出现反 弹 ; 衰减 曲线整体呈下 降趋势 , 但是随着信号源与传 感器 间距 的增加 , 衰减 曲线斜率不断减小 , 衰减曲线 趋于平稳。 3 2 石脑油冷却出口管段检测 , 图 2为石脑油冷却 出口管线参数 图, 管道材料为 2 0钢 , 流动介质为石脑油 , 管径 1 0 0 n l n l ,
18、管长 2 1 m, 壁 厚 4 3 ra i n , 检测段焊接三通、 阀门、 法兰等外接装置。 3 2 1 衰减测 试 采用谐振频率 6 0 k H z 传感器进行检测 , 利用 1 通 道( 1 号传感器) 进行信号采集, 测试方法是将传感器 固定在打磨过的管壁上, 测定耦合良好后 , 距离传感 器每 1 0 0 m m测试一点进行断铅信号采集, 每点断铅3 次 , 共计标定 2 0点。图 3分别是距离 1 通道 1 0 0 m m 舛 曲 卯 虬 粥 6 6 如 如 6 0 7 8 8 m 9 9 9 2 3 值 3 昭 3 3 3 鼹 卯 盯 6 盯 盯 6 盯 8 8 甜 加 辨 旺
19、 昭 虬 2 3 值 第 1 期 汪文有等: x - ,2 k 管道声发射信号衰减测试及定位分析 2 9 螽 馨 丑 图 1 6 0 k l -I z 与 1 5 0 k Hz谐振传感器测得断铅信号衰减曲线 图2 石脑油冷却出口管线参数图 和2 m处相同声源信号被传感器接收到 的波形特征。 随着测试距离的增加, 信号幅值不断衰减, 相同的声 源信号经过长距离的传播, 既产生波幅的衰减, 又伴 随着声波模 式 的转换 , 其 波形 的突发 型特征趋 于模 糊, 原始信号的波形特征参数( 包括能量、 有效值、 时 间参数 ) 都发生明显改变。 乏 幽 脚 地 ( a ) 距离 1通道 1 0 0
20、mm处断铅信号 波形 图 0 8 O 6 0 4 迁0 2 脚0 I f 逛 一 0 2 -0 4 0 6 0 8 L JIII I 【 iIliL r 叩 _ w r 。哪 I 2 一 l 0 1 2 3 4 5 6 7 8 时 间 ms ( b) 距 离 1通道 2 m 处 断铅 信 亏 波形 图 图 3 传感器接收不 同距离处相 同信号源波形对 比图 利用 3 1 1中衰减测试方法得到衰减曲线图如图 4所示。衰减曲线表 明: 在管道不规则处 ( 如弯管 、 三 通、 阀门等构件处) 幅度衰减较大。距离传感器 4 0 0 m m左右连接三通管线, 造成信号在此位置附近大幅 度衰减( 约 1
21、 3 d B ) 。在距离传感器1 1 0 0 m m左右外 接三通处 同样产生衰减 ( 约 5 d B) , 其衰减幅度不明显 主要 由于距离传感器较远 , 使得衰减率的减小弥补 了 幅值 的降低。 图 4 1 0 0 l n l n直径不规则 6 0 k Hz传感器断铅信号衰减 曲线 3 2 2波速 与定位误 差 图 2中两个 R 6传感器间距 1 3 0 0 mm, 共有 4处 断铅位置 , 分别距离 l 通道 2 0 0 m m、 5 0 0 m m、 9 0 0 m m、 1 1 0 0 iT l m, 每处断铅 3次 , 每次断铅信号传到 l 、 2通道 的相对时间设为 、 ( 即
22、一次断铅信号被两 通道接 收到的时间中, 截取具有相对时差 的时间位数) , T为 每点 3次断铅信号被两传感器接收到的时间差的平均 3 值 , T= ( 1 。 一 1 ) 3 , D 为断铅位置与 1通道 的 i 距离; D 为断铅位置与两个传感器的间距差, m m; 为断铅次数 , 将得到的信号数据见表 4 。 表4 信号源到达两通道时间、 距离参数表 = l v = 2 = 3 9l 9 o n s 8 0 4 2 5 3 0 2 由表 4可以看出, 距离 1 通道不同的位置处 , 所测 蚴 呦 舛 卵 叭配 _立 3 0 P i p e l i n e T e c h n i q u
23、 e a n d Eq u i p me n t J a n 2 0 1 0 得声速值具有一定 的差别 , 且在三通处和跨越三通后 波速值浮动较大。利用链接光标捕捉各点位置坐标 平均值与实际信号源位置进行对比, 得到不同声速设 置引起 的测量值与实际值的误差 , 通过对 比找出声速 值设置大小对定位产生的影响。 图5为同一信号源不同声速设置条件下引起的定 位误差 图, 不 同的声速设 置带来不 同的定位误差, 在 靠近传感器 的两侧所测得声速与两传感器 中部位置 得到的声速值不同, 其 中既与传感器相隔距离大小有 关 , 同时也取决 于管 道的形状 以及是 否接有外 接接 口, 而管道上各种不
24、规则构件 以及距离外接接 口远近 都会对定位产生影响。因此 , 实 际检测过 程中 , 要采 用声速的调整对关键位置进行定位复验, 避免产生较 大的定位误差, 以至于产生伪定位 、 无定位 、 大误差定 位等现象。 1 4 0 1 2 0 乓1 0 0 8 0 棚4 0 2 O 0 图 5 同一信 号源不 同声速条件下 的定位误差图 4 结束语 由图 1分析可得 , 相同条件下 6 0 k H z 传感器衰减 程度 比 1 5 0 k H z 传感器小得多。1 5 0 k H z 通道在 0 5 m距离范围内衰减近似直线 , 且衰减 程度接近于 3 5 d B 6 0 k H z 传感器在 1
25、 m和 1 7 m长度分别衰减 8 d B 和 l 6 d B左右 , 6 0 k H z 更适合于现场管道长距离检测。 管道声发 射信号 检测过程 中, 由于管道传 声特 性, 使得声信号传播过程具有 反射 、 折射 以及不 同模 式声波 的转换 、 叠加 、 干涉 , 使衰减 曲线产 生 回波效 应 , 在某些位置 ( 距离 通道 7 0 09 0 0 m m 与1 3 0 0 1 5 0 0 mm) 出现高幅值信号 , 衰减曲线 出现反弹现象 , 但是衰减曲线整体呈下降趋势。 管道声发射信号衰减 曲线斜率 随着与传感器距 离的增加不断变小 , 衰减程度 由快速衰减不断趋于平 稳 , 单位
26、距离的衰减 幅度不断减小 , 这是管道适用于 长距离声发射检测的一个原因。 由图 4可知 , 管道上 的外 接接 口或变化处 , 如 阀 门、 三通、 法兰 、 弯头等构件, 对声发射信号产 生一定 的影响 , 并且距离接 口越 近, 声信号衰减越快 , 而这些 部位往往是焊接部位 , 是损伤容易产生的地方。因此 进行定位检测过程 中, 要设定合适 的声速 并进行复 验 。 由图5曲线分析 , 带有外接接 口的不规则管道 , 其 声速与定位设置要根据实际情况进行 比较分析 , 有针 对性对不同活性源位置采用不同声速设置进行定位 , 并进行校验 , 防止出现伪定位 、 缺失定位现象的发生。 参考
27、文献 : 1 沈功田, 戴光 , 刘时风 中国声发射检测技术进展学会成 立 2 5周年纪念 无损检测 , 2 0 0 3 , 2 5 ( 6 ) : 3 0 2 3 0 7 2 邵峰, 梁华 大型常压金属储罐在线声发射检测与评价 特种设备安全技术, 2 0 0 5 ( 3 ) : 4 7 5 0 3 赵庆华 输油管道存在问题及对策 管道技术与设备, 2 0 0 2 ( 2 ) : 79 4 赵麦群, 雷阿丽 金属的腐蚀与防护 北京: 国防工业出版 社 , 2 0 0 2 : 1 2 7 5 杨明纬 声发射检测 北京:机械工业出版社, 2 0 0 5 : 1 1 1 7 作者简介: 汪文有( 1
28、 9 8 1 一) , 硕士研究生, 研究方向为管道腐蚀 声 发射检测 ( 上接第 2 6页) 的管道表面反复调整提离值 , 成功实 现了漏磁灵敏度的校准。在工程检验中, 发现 1 1处缺 陷, 经过验证, 局部腐蚀减薄最大达到了5 5 m m 4结束语 漏磁检测法是 目前钢 质管道 内外腐蚀 检测最先 进的手段 J , 尽管有各种限制与不足 , 但通过探头沿 管壁爬行提高 了检测效率并实现 了对体积 型缺 陷的 1 0 0 检测。 由于被测管道条件各 异, 样管 的选取 、 探头校准 及被测管道 的表面光滑程度对检测结果的准确性影 响较大, 有效解决上述问题, 将大量减少验证虚假信 号的工作
29、量, 提高检验的效率与可靠性。 参考文献 : 1 MA N D A Y A M S ,U P D A L , U P D A S S , e t a 1 I n v a r i a n c e t r a n s for ma t i o n s f o r ma g n e t i c f l u x l e a k a g e s i g n a l s I E E E T r a n s a c t i o n s o n m a g n e t i c s, 1 9 9 6 , 3 2 ( 3 ): 1 5 7 7 1 5 8 0 2 蒋齐 管道缺陷漏磁检测智能识别技术 中国仪器仪表 , 2 0 0 4 ( 6 ) : 1 2 3 崔伟, 黄松岭 , 赵伟 传感器提离值对管道漏磁检测的影 响 清华大学学报( 自然科学版) , 2 0 0 7 , 4 7 ( 1 ) : 2 1 2 4 4 马凤铭 高速漏磁检测中的速度效应及信号补偿 无损探 伤, 2 0 0 5 , 2 9 ( 3 ) : 1 21 5 5 刘慧芳 油气管道内腐蚀检测技术的现状与发展趋势 管 道技术与设备 , 2 0 0 8 ( 5 ) : 1 3 作者简介: 熊昌胜( 1 9 8 3 一) , 工程师, 从事漏磁原理研究及新技 术应用等工作。
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