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聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在井控設(shè)備閥門中的應(yīng)用
發(fā)布于：2016/12/25 22:06:44 點(diǎn)擊量：196
唐建平
（中石化西南石油工程有限公司油田工程服務(wù)分公司，四川?綿陽(yáng)?621000）
摘要 ：閥門是生產(chǎn)生活中通過管道對(duì)介質(zhì)進(jìn)行輸送必不可少的裝置，隨著科技的發(fā)展對(duì)閥門檢測(cè)技術(shù)要求也提高了，而作為新興的一種在線動(dòng)態(tài)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)，相對(duì)其他檢測(cè)技術(shù)在井控設(shè)備閥門中的應(yīng)用有著很多優(yōu)點(diǎn)。文章通過對(duì)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的原理及特征進(jìn)行闡述，結(jié)合國(guó)內(nèi)外聲發(fā)射技術(shù)現(xiàn)狀對(duì)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在井控設(shè)備閥門中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
關(guān)鍵詞 ：井控設(shè)備 ；閥門 ；聲發(fā)射檢測(cè)
引言
隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源問題成為比較關(guān)心的問題，進(jìn)而對(duì)放置能源的壓力容器的要求也就相應(yīng)的提高了，壓力容器的生產(chǎn)要求嚴(yán)格不能有任何缺陷，這就需要檢測(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)避免放置途中出現(xiàn)安全問題。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)就是常規(guī)檢測(cè)技術(shù)的升級(jí)，可以對(duì)設(shè)備中的缺陷進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控，在壓力不斷變化的過程中利用內(nèi)置的高靈敏度傳感器就可以進(jìn)行檢測(cè)，并將信號(hào)通過介質(zhì)傳到外界進(jìn)行判斷。
聲發(fā)射源的位置可以通過區(qū)域定位法和時(shí)差定位法等來(lái)確定，而傳感器對(duì)于聲發(fā)射信號(hào)的采集主要是通過噪聲產(chǎn)生的紊流來(lái)獲取。聲發(fā)射技術(shù)不僅提高了檢測(cè)效率還節(jié)省成本費(fèi)用，從而達(dá)到安全使用的目的。
1?聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的原理及優(yōu)點(diǎn)
1.1?聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的原理
聲發(fā)射(AE，acoustic emission)指的是材料變形或者被積蓄起來(lái)的應(yīng)變能所釋放的聲音的傳播現(xiàn)象。聲發(fā)射是一種物理現(xiàn)象，不同材料的聲發(fā)射信號(hào)的頻率范圍也不同，而且幅度變化范圍也很寬泛。
聲發(fā)射技術(shù)是通過聲發(fā)射儀器，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的特征進(jìn)行探測(cè)、記錄，然后對(duì)探測(cè)到的信息進(jìn)行分析并推斷出聲源位置的技術(shù)。聲發(fā)射技術(shù)是一種無(wú)損檢測(cè)方法，對(duì)于利用超聲波、放射線、浸透等方法來(lái)進(jìn)行檢測(cè)是不一樣的，不需要檢測(cè)其缺陷就可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的功能。
從聲發(fā)射信號(hào)在時(shí)間上的性質(zhì)，可以分為連續(xù)型聲發(fā)信號(hào)和突發(fā)型聲發(fā)信號(hào)。連續(xù)型聲發(fā)信號(hào)是發(fā)生時(shí)間在時(shí)間上不可分的聲發(fā)射事件，特點(diǎn)是波幅度小、發(fā)射頻度高等；相對(duì)的突發(fā)型聲發(fā)信號(hào)是指發(fā)生時(shí)間間斷在時(shí)間上可分的聲發(fā)射事件，特點(diǎn)是波形呈脈沖狀、峰值較高等。而井控設(shè)備的閥門信號(hào)是連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)。
聲發(fā)射檢測(cè)的原理是根據(jù)從內(nèi)部發(fā)出的波對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷程度判斷的檢測(cè)方法，聲發(fā)射檢測(cè)原理如圖1所示。主要檢測(cè)過程是聲發(fā)射源對(duì)彈性波進(jìn)行激發(fā)，經(jīng)過某種介質(zhì)將材料內(nèi)部信號(hào)傳播到材料的表面，使材料的表面發(fā)生機(jī)械振動(dòng)從而產(chǎn)生微小位移量，然后使用聲發(fā)射傳感器對(duì)其進(jìn)行探測(cè)，AE傳感器的聲耦合將采集到的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后成為電信號(hào)，然后通過前置放大器進(jìn)行放大處理，最后收集到的信號(hào)參數(shù)特征都通過工控機(jī)進(jìn)行記錄分析。
根據(jù)分析結(jié)果結(jié)合對(duì)井控設(shè)備閥門安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定，判斷出閥門內(nèi)部及表面存在缺陷的等級(jí)，從而得出被檢測(cè)閥門的實(shí)際安全情況的結(jié)論。
圖1?聲發(fā)射檢測(cè)原理流程圖
1.2?聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中有很多優(yōu)點(diǎn)，主要優(yōu)點(diǎn)如下 ：
（1）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性。利用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)門閥內(nèi)部的裂紋或者缺陷進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。
（2）整體性檢測(cè)。對(duì)在門閥結(jié)構(gòu)內(nèi)部安置少量固定不動(dòng)的傳感器，傳感器按照一定陣列進(jìn)行排列，聲發(fā)射儀器就可以通過傳感器獲得被檢測(cè)對(duì)象的一切信號(hào)信息，對(duì)缺陷具體位置的確定是通過聲發(fā)射技術(shù)中的時(shí)差定位技術(shù)來(lái)確定。
（3）高精度和靈敏性。材料在裂紋出現(xiàn)的階段就會(huì)有聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生，傳感器的設(shè)置如果比較好就可以發(fā)現(xiàn)裂紋出現(xiàn)的過程。聲發(fā)射的靈敏度也是比較高的，可以探測(cè)出微裂紋和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的發(fā)生。
（4）快捷性。常規(guī)設(shè)備檢測(cè)時(shí)間是利用聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)間的五倍，這就大大提高了用戶檢測(cè)時(shí)的效率，同時(shí)檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度也降低了，工作效率就提高了。
2?聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國(guó)外對(duì)于閥門故障檢測(cè)技術(shù)研究始于20世紀(jì)60年代左右，隨著科技的快速發(fā)展，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在井控設(shè)備閥門中的應(yīng)用得到了很好的推動(dòng)，相應(yīng)的聲發(fā)射儀器也迅速的發(fā)展起來(lái)。
英國(guó)的BP石油公司在檢測(cè)中使用的聲發(fā)射檢測(cè)儀器奠定了聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在門閥檢測(cè)中的基礎(chǔ)，隨后對(duì)于聲發(fā)射儀器的生產(chǎn)加大了投入，國(guó)外對(duì)聲發(fā)射技術(shù)從各種方面存在的問題進(jìn)行不斷的研究完善，探索出了閥門的泄漏率和聲發(fā)射信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)于聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在井控設(shè)備閥門中進(jìn)行更好的應(yīng)用。
國(guó)內(nèi)對(duì)聲發(fā)射技術(shù)的研究起步比較晚，始于20世紀(jì)90年代，但是近幾年對(duì)于該技術(shù)在井控設(shè)備閥門中應(yīng)用的研究有所增加。
首先是通過一系列的實(shí)驗(yàn)對(duì)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在閥門中檢漏行為的可能性進(jìn)行驗(yàn)證，其次利用EMD方法對(duì)于聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的精準(zhǔn)性進(jìn)行檢測(cè)，再次對(duì)聲發(fā)射信號(hào)和閥門泄漏量之間的線性關(guān)系進(jìn)行證明，最后用DSP譜分析法和差直法對(duì)閥門可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行檢測(cè)并研發(fā)出了聲發(fā)射儀器。
總之，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研人員都對(duì)門閥在井控中可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行了大量的分析研究工作，便于聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)更好的應(yīng)用。
3?聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在井控設(shè)備閥門中的應(yīng)用
3.1?閥門產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的原理
閥門會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的起因有機(jī)械振動(dòng)、氣濁以及紊流或者空氣動(dòng)力噪聲三種。
（1）機(jī)械振動(dòng)噪聲。機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生是因?yàn)殚y體內(nèi)的壓力不穩(wěn)定致使產(chǎn)生無(wú)規(guī)律的波動(dòng)以及閥門內(nèi)部有一些可動(dòng)部件和彈性部件因其周圍流體沖擊而振動(dòng)，而這些振動(dòng)都是沒有規(guī)律的所以會(huì)以其自然頻率振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)究其根源是閥芯相對(duì)于它的導(dǎo)向表面的側(cè)向位移。
（2）氣濁噪聲。氣濁的發(fā)生可以分為兩個(gè)過程，第一個(gè)過程是部分液體因?yàn)檎舭l(fā)形成氣泡，第二個(gè)過程就是氣泡在空中爆破或者破裂，又重新成為液體。
（3）紊流或者空氣動(dòng)力噪聲。閥門噪聲的主要原因就是空氣動(dòng)力噪聲，這種噪聲是因?yàn)檎羝?、空氣和其他流體進(jìn)行紊流的結(jié)果。在氣體和流體流動(dòng)的過程中，當(dāng)高速流體從閥門流出時(shí)，因?yàn)橥蝗慌蛎浕蛘呤峭蝗粶p速，以及在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中發(fā)生急拐彎或者碰到障礙物都會(huì)形成紊流。
由此可見閥門泄漏的聲源有很多種，而且不易辨別。但是紊流噪聲是閥門泄漏的主要聲源，如圖2。但是閥門泄漏后發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)確實(shí)各有特點(diǎn)，比如泄漏后通過介質(zhì)激發(fā)的應(yīng)力波的頻譜會(huì)有很尖的高峰，可以利用頻譜分析法將泄漏的信號(hào)從噪聲中進(jìn)行分離。泄漏時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)會(huì)比結(jié)構(gòu)內(nèi)部有裂紋產(chǎn)生的信號(hào)更強(qiáng)，而且頻譜波動(dòng)的幅度和泄漏的速率成正比關(guān)系，與信號(hào)的均方根值也成正比。如果泄漏和壓力沒有關(guān)系，那么泄漏的速率就會(huì)很小，與信號(hào)的均方根值正比的關(guān)系依然成立。所以，閥門是否發(fā)生泄漏可以通過聲發(fā)射儀器接收到的聲發(fā)射信號(hào)的均方根值來(lái)進(jìn)行判斷。
圖2?聲發(fā)射檢測(cè)閥門原理圖
3.2?閥門檢測(cè)的側(cè)重點(diǎn)
對(duì)閥門進(jìn)行檢測(cè)時(shí)要有著重點(diǎn)，那么在測(cè)試點(diǎn)的選取上要考慮如下因素 ：
第一，不同閥門所通過的流體是不同的，所以對(duì)每個(gè)閥門進(jìn)行測(cè)試的最佳點(diǎn)是不一樣的。
第二，測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)接收情況也會(huì)受到傳感器安放位置的影響，比如，傳感器對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換的耦合程度不同或者傳感器固定的松緊度不同都會(huì)影響測(cè)試點(diǎn)對(duì)信號(hào)的接收。
第三，背壓對(duì)測(cè)試點(diǎn)選取的影響，閥門差壓的變化會(huì)受到背壓存在的影響，而泄漏聲音的強(qiáng)度受壓差不同的影響。對(duì)于閥門的測(cè)量點(diǎn)推薦如圖3所示。
圖3?閥門推薦測(cè)量點(diǎn)
3.3?聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在井控設(shè)備閥門應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)
檢測(cè)過程中不會(huì)要求拆閥，只是內(nèi)部安置傳感器通過其精準(zhǔn)靈敏度對(duì)閥門的安全情況進(jìn)行判定，絲毫不會(huì)影響閥門的完整性?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需要的情況對(duì)聲發(fā)射檢測(cè)進(jìn)行安排，絲毫不影響生產(chǎn)過程。檢測(cè)的結(jié)果直觀便與判斷，并且對(duì)閥門內(nèi)部的缺陷參數(shù)也有記錄。經(jīng)濟(jì)方便的同時(shí)還減少環(huán)境的污染，還能保證設(shè)備會(huì)安全運(yùn)行防止意外發(fā)生。
4?總結(jié)
聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)作為新興的閥門缺陷檢測(cè)技術(shù)，不僅具有常規(guī)檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)還有其沒有的優(yōu)點(diǎn)，所以其應(yīng)用領(lǐng)域更廣闊。聲發(fā)射進(jìn)行檢測(cè)的首要工作就是對(duì)周圍環(huán)境干擾的噪聲進(jìn)行分離，才能對(duì)閥門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫或者泄漏等情況進(jìn)行檢測(cè)進(jìn)而判斷安全性。對(duì)于聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的不斷完善不僅會(huì)給應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，也能不斷發(fā)揮其更高的作用。