天然气管道阀门内漏声发射检测方法及关键技术研究进展.pdf
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1、第 5 1卷第 3期 2 0 1 5年 6月 石油化工自动化 AUT0MAT1 0N I N P ETRO- CHEMI CAL I NDUS TRY Vo 1 5 1 ,No 3 J u n e ,2 0 1 5 天然气管道 阀门内漏声发射检测方法 及关键 技术研究 进展 张海峰1 , 陈鑫1 , 马斌 良2 , 李振林 1 , 张海东3 , 刘治超 ( 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 0 0 ; 3 中海油田服务股份有限公司 物探事业部, 北京 I O O
2、O L O ) 摘 要 : 应用声发射进行输气管道阀门内漏检测可以有效地检测出阀门是否泄漏并对内漏流量进行计算。介绍了声发射检测 方法, 指出其在输气管阀门内漏检测应用过程中的关键技术问题, 对输气管道球阀内漏声发射特征及机理、 声发射信号降噪与 特征参数提取 、 内漏流量预测等 问题进行重点 的描述 , 在此基础之上给出 了相应的研究思路和建议。 关 键词 : 天然气管道阀门内漏声发射 中图分类号 : T P 2 7 4 + 5 文献标 志码 :A 文章编号 :1 0 0 7 7 3 2 4 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 0 5 3 0 4 Re v i e w of Ac o u s
3、 t i c Em i s s i o n De t e c t i o n M e t h o d a n d Ke y Te c h no l o g y a b o ut Na t ur a l Ga s Pi pe l i ne Va l v e I nt e r na l Le a k a g e Zh a n g Ha i f e n g ,Ch e n Xi n ,M a Bi n l i a n g ,Li Z h e n l i n ,Z h a n g Ha i d o n g 。 ,Li u Z h i c h a o ( 1 Me c h a n i c a l a n
4、 d T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g ,C h i n a Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m ( B e r i n g ) , B e i j i n g , 1 0 2 2 4 9 ,C h i n a ;2 Pe t r o Ch i n a Du s h a n z i Pe t r o c h e mi c a l C o mp a n y ,Ka r a ma y,8 3 3 6 0 0,Ch i n a ; 3 Ge o p h y s i c a l E x p
5、l o r a t i o n G r o u p ,C h i n a Oi l f i e l d S e r v i c e s L i mi t e d , B e ij i n g ,1 0 0 0 1 0 ,C h i n a ) Ab s t r a c t s :Th e a p p l i c a t i o n o f a c o u s t i c e mi s s i o n t e c h n i q u e t o d e t e c t n a t u r a l g a s p i p e l i n e v a l v e i n t e r n a l l
6、e a k a g e i s t h e mo s t p r o mi s i n g wa y f o r l e a k a g e d e t e c t i o n c u r r e n t l y I t c a n e f f e c t i v e l y i d e n t i f y i n t e r n a l l e a k a g e a s we l l a s i n t e r n a l l e a k a g e f l o w r a t e c a n b e c a l c u l a t e d Th e a c o u s t i c e m
7、i s s i o n d e t e c t i o n me t h o d i s i n t r o d u c e d Ke y t e c h n i c a l p r o b l e ms i n a p p l i c a t i o n o f d e t e c t i n g n a t u r a l g a s t r a n s p o r t a t i o n p i p e l i n e v a l v e i n t e r n a l l e a k i n g a r e p o i n t e d o u t Le a k a g e a c o
8、u s t i c e mi s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n d me c h a n i s m o f v a l e ,d e - n o i s i n g,f e a t u r e p a r a me t e r e x t r a c t i o n o f a c o u s t i c e mi s s i o n s i g n a l a n d i n e r n a l l e a k a g e f l o w p r e d i c t i o n a r e e mp h a s i z e d On t
9、 h e b a s i s o f a b o v e r e s e a r c h,r e l e v a n t i d e a s a n d s u g g e s t i o n s a r e p r o p o s e d Ke y wo r d s :n a t u r a l g a s p i p e l i n e ;v a l v e ;i n t e r n a l l e a k a g e ;a c o u s t i c e mi s s i o n 阀门可以定义为接通、 截断流体通路或者改变 流体流动方向、 流量以及压力值的装置, 广泛应用 于国民经 济的
10、主要领域 。根据 Va l v e Wo r d的统 计 , 全球工业阀门市场需求中 , 石油天然气行业所 占比例最高, 达到 3 7 4 O ; 其次是能源电力领域 , 占市 场 需 求 的 2 1 3 O ; 第 三 位 是 化 工 领 域 占 1 1 5 0 , 前三大领域所 占比例总和为市场 总需求 的 7 0 2 0 。国家西气东输一线 、 二线项 目中, 一 线全长 4 2 0 0 k m, 管径 1 0 1 6 mn l , 设计输气压力 1 0 MP a , 全线压气站所需 站场 3 5座 , 线路截断 阀 室 1 3 7座口 ; 二线项 目干线长 4 8 7 3 k m, 支
11、干线 3 9 1 8 k m, 需全焊接球 阀 4 0 0 0多个 , 压气站所需 阀门近百 台, 总价值高 于 3 5亿元 , 支线球 阀预计 2 0亿元 。天然气管道阀门要求具有很好的密封 性 , 不能存在 内漏 , 一旦 内漏将严重威胁天然气管 道的安全运行 。阀门内漏检测 比较困难 , 但是声发 射检测技术作为一种新型的声学无损检测技术 , 被 明是一种有效的检测手段 , 其具有便携 、 快速 、 、高效的检测特点 , 无需拆卸即可对阀门整体 行检测 , 减少了不必要 的阀门拆 卸费用 , 及 时辨别 稿件收到 日期 : 2 0 1 5 0 1 1 4 , 修改稿收到 日期 : 2 0
12、 1 5 0 4 0 8 。 基金项 目:国家科学 自然基金项 目( 编号 :5 1 1 0 6 1 8 0 ) ; 中石油科技 项 目( 编号 :1 1 0 4 0 2 ) 。 作者信 息:张海峰 ( 1 9 8 6 一) , 男 , 博士研究生 , 研究方 向:天然气管 道阀门内漏 检测技术研究 。 经 进 证 济 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m石油化工 自动化 第 5 1 卷 内漏 阀 门。 因此 , 笔者针对阀门内漏声发射检测技术展开 研究 , 并对声发射检测过程 中的声学机理 、 声学特 征参数提取 、 阀门内漏流量识别等关键 问题进行了 阐述 。 1
13、 阀门内漏声发射检测原理 声发射是指物体在受到形变 、 裂纹扩展或外界 作用时, 局部由于迅速释放弹性能量而产生瞬态应 力波的一种物理现象 I 。当材料局部产生声发射 现象时, 由声源发射出的声发射信号会包含材料内 部缺陷性质、 状态变化 以及 内部结构特征等信息。 声发射源在类 别上可分 为两类 :由于应力作 用引起 的材料和结构中与形变和裂纹 直接有关的 弹性波发射源 , 为第一类声源 , 也称之为主动声发 射源 ; 声发射源为第二类声发射源, 或者称之为被 动声发射源, 主要来源于爆炸 、 燃烧 、 摩擦 、 泄漏等 与形变和断裂无直接关系的弹性波声发射源。输 气管道阀门内漏所产生的声发
14、射源为第二类 , 主要 是由于阀门受到磨损 、 腐蚀、 划伤等损伤时, 阀门的 密封面密封不严导致泄漏发生 。在泄漏过程中, 由 于泄漏点处具有压差, 泄漏孔后高速流动的气体与 静止或者流动相对较慢气体急剧混合产生喷流 噪 声 , 同时由于受到阀门内部复杂的固体流道边界影 响也会产生强涡流噪声 ; 当截流口上游压力大于下 游压力 1 8 9 3倍时 , 则会 出现阻塞现象 , 并产生阻 塞喷注噪声发射源 , 以上声发射源携带着泄漏点信 息( 泄漏强度等) 沿阀体向两侧传播, 采用声发射传 感器拾取该声发射信号, 并对其进行采集和分析处 理 , 则可以对泄漏强度进行判断。 2 阀门内漏声学检测关
15、键技术研究 2 1 输气管道球阀内漏声学机理及特征研究 阀门内漏过程 中形成 的喷流噪声发声机理及 声源特性研究属于气动声学 的研究范畴 , 所包含的 基本物理过程是流体 中的湍 流流动 、 波动 、 涡和声 等运动之 问的相互 作用。1 9 5 2年, L i g h t h i l l 根据 Na v i e r S t o k e s 方程建立 了关于声波波动量与流场 参数 的关 系模 型, 即著名 的 L i g h t h i l l 方程l 5 。由 于最初的 L i g h t h i l l 方程的求解是建立在 自由空间 假设下得到的, 只能解决例如喷气噪声 的问题 , 对 于
16、有 固体 边 界条 件 的 问题 并 不适 用。1 9 5 5年 C u r i e 用基尔荷夫 ( Ki r c h h o f f ) 方法将 L i g h t h i l l 理 论推广 到考虑静 止 固体边 界 的影 响_ 6 。1 9 6 9年 F f o wc s Wi l l i a ms 和 Ha wk i n g s在前人研究的基础 之上进一步提 出了 F wH方程 , 该方程考虑到了 物体在流体中运动发声问题, 提出了运动物体与流 体相互作用产生声源是 由位移产生的单极子声源 , 由固体与边界与流体相互引起 的偶极子声源和由 气体喷流作用产生的四极子声源相互叠加而成 7
17、j 。 国内研究学者在气动声学领域也取得 了一定的科 研成果 , 其 中马大猷在 1 9 7 8年将喷注噪声功率作 为驻点压力的函数公式推广到亚声速喷注范围 , 并 得到喷流喷注噪声 的发生机理 , 1 9 7 9年又将驻 点 压力公式推广到高压阻塞喷注范 围, 1 9 8 7年又在 L i g h t h i l l 流体动力噪声理论的基础上 , 以相 同的量 纲分析法推导出与 L i g h t h i l l U8定律完全等效的 压力定律, 该定律不仅 同样适用 于低压空气喷注, 还可以推广到高压 阻塞 喷注范 围【 纠 。传统 的喷 流噪声理论分析研究方法 主要应用在 特定 的假设 条
18、件下 , 以空气喷流噪声和典型圆柱体在空气流中 发声作为研究对象, 对解决诸如气体在阀门内漏过 程 中气动发声这一类实际工程问题 , 还有一定的距 离。近年来 , 对于阀门内漏声场机理和声压场、 声 速场、 能量场 、 频域场等特征 , 研究者们进行 了一定 的相关实验研究 , MNo i p i t a k等人l 1 研究了以空 气为介质的 5 0 8 c m( 2 i n ) 球阀内漏过程的声场特 征 , 结果表明内漏过程 中的声场分布范围主要集 中 在 1 0 0 4 0 0 k Hz内, 且空气 内漏过程中声场强度 明显高于液体 内漏过程。国内研究员 1 a - 1 4 3 分析 了
19、承压阀门内漏过程 中流体流动状态 以及声源产生 机理 , 建立 了阀门内漏产生的声源信号幅度与内漏 率的一般关系。 从国内外近期的研究成果来看 , 阀门内漏过程 中声源主要为阀门喷流产生的四极子声源以及泄 漏气体与阀壁相互作用而产生的偶极子声源, 且声 压及频率分布与阀门压差和内漏孔径等条件有关 。 E l 前 阀门内漏检测方面 的研究主要集 中在低压力 ( 入 口压力小于 1 MP a ) 条件下检测 , 对于高压天然 气管道阀门内漏发声机理和声场特性 , 国内外还没 有进行深入的研究 , 而这方面的研究对于揭示阀门 内漏喷流噪声机理和声场分布规律具有重要意义。 2 2 输气 管道球 阀内漏
20、声学特征信 号提 取方法 研 究 从 国内外研究成果来看, 阀门内漏过程 中的声 场特征信号变化在相当大的程度上能够较 为准确 地反映阀门内漏程度 。与其他方法相 比, 声学检测 方法灵敏度 、 重复精度和可靠性高, 操作便捷 , 不需 要对阀门进行拆卸 , 可实现在线连续检测和阶段性 检测 , 在评价阀门内漏程度方面具有很好的发展应 用前景 。但 由于输气管道阀门多位于天然气站场 , 站场高噪声环境导致 阀门内漏过程 中声信号具有 不确定性 、 突发瞬态性、 多样性等特点 , 使声信号处 理成为阀门内漏声 学检测技术 中的难 点和瓶颈 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .
21、c o m第 3 期 张海峰等天然气管道阀门内漏声发射检测方法及关键技术研究进展 如何采用有效的信号处理方法 , 在环境 噪声 的影 响 下准确地提取 内漏声 源的特征参 数 , 获取 声源信 息 , 提高内漏识别准确度 , 将成为推动输气管道 阀 门内漏检测技术发展的关键 。 一般而言 , 解决噪声干扰既可 以采用硬件抑制 的方法 , 如在信号检测传感器后端连接滤波器 , 也 可以采用各种信噪分离算法 消除噪声影响。信 噪 分离算法的处理方式灵活性强 , 所 以使用面广并具 有特别 的重要性 , 多年来 国内外科研工作者对强噪 声环境下声场特征提取方面做了大量的研究工作 。 文献 1 5 采
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- 关 键 词:
- 天然气 管道 阀门 声发 检测 方法 关键技术 研究进展
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