聲發(fā)射檢測技術(shù)用于管道和儲罐檢測的實(shí)驗(yàn)研究

李霞 梁元杰 李子彬 王建全

(1.重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院，重慶 401331;2.中國石油集團(tuán)長慶油田分公司采油九廠，銀川 750000)

目前，我國已建油氣管道總長度約為8.5×104km，形成了橫跨東西、縱貫?zāi)媳?、覆蓋全國、連通海外的油氣管網(wǎng)格局［1］。但是隨著管道使用時間的增長，管道逐漸老化，不同程度的腐蝕和泄漏現(xiàn)象嚴(yán)重影響了正常的管道運(yùn)輸，由此引發(fā)的火災(zāi)、爆炸事故也有所增多。為了保證天然氣管道的正常運(yùn)行，有效預(yù)防天然氣管道事故的發(fā)生，有必要采用合理的檢測方法對天然氣管道、設(shè)備進(jìn)行安全檢測。

聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種動態(tài)連續(xù)監(jiān)測方法，主要利用缺陷本身發(fā)出缺陷信息，而不是用外部輸入對缺陷進(jìn)行掃描，可以用于大型構(gòu)件的部分或整體快速檢測。本次研究擬將聲發(fā)射技術(shù)用于石油管道和油罐缺陷檢測，探究一套合適的監(jiān)測方案，提高檢測成功率和效率。

1 管道聲發(fā)射檢測

聲發(fā)射(acoustic emission，簡稱AE)可以定義為物體或材料內(nèi)部迅速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種物理現(xiàn)象，是材料或結(jié)構(gòu)受內(nèi)外力作用產(chǎn)生變形或斷裂后，以彈性波的形式釋放出應(yīng)變能的結(jié)果［2］。

聲發(fā)射檢測技術(shù)的基本原理:從聲發(fā)射源產(chǎn)生的彈性波信號最終傳播到被測材料的表面，從而產(chǎn)生可以檢測到的表面位移;再由探測器將材料的機(jī)械振動轉(zhuǎn)化為電信號，然后進(jìn)行放大處理并記錄;最后對觀察到的聲發(fā)射信號進(jìn)行分析與推斷，了解材料產(chǎn)生聲發(fā)射的機(jī)制［3-8］。

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

管道及儲罐缺陷的發(fā)生和擴(kuò)展均屬于突發(fā)型聲發(fā)射信號，突發(fā)型信號的定位技術(shù)主要包括時差定位和區(qū)域定位。本次研究中管道及儲罐缺陷的聲發(fā)射檢測均采用時差定位。時差定位包括一維定位、二維定位、三維定位，管道聲發(fā)射檢測定位采用一維定位，即線性定位。線性定位至少需要2個傳感器，其定位原理如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射線性定位原理圖

在1#和2#傳感器之間有一個缺陷產(chǎn)生聲發(fā)射信號，到達(dá)1#傳感器的時間為t1，到達(dá)2#傳感器的時間為t2，該聲發(fā)射信號到達(dá)2個傳感器之間的時差t=t2-t1;用D來表示2個傳感器之間的距離;用v來表示聲波在試件(管道)中的傳播速度;聲發(fā)射源距1#傳感器的距離為d。d由下式計算:

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

管道聲發(fā)射檢測實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1)布置傳感器。首先確認(rèn)4個傳感器的布置位置，傳感器間距為400 mm;對傳感器布置區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇蚰?，將有雜質(zhì)和油漆的地方打磨干凈;在傳感器表面涂抹適量的耦合劑，耦合劑不宜涂抹過多。

(2)AE通道設(shè)置。首先選擇線性類型，單擊各通道編號;門檻類型選擇固定門檻，在本實(shí)驗(yàn)中將門檻設(shè)置為45 db。

(3)定時參數(shù)設(shè)置。實(shí)驗(yàn)中選擇1—4通道，本實(shí)驗(yàn)的時間單位是μs，距離單位是mm。

(4)定位設(shè)置。定位組號，首先選擇采集或重放時的定位組號，未被選擇的定位組在采集或重放時將會被忽略，最終選擇1號組;定位類型，選擇線性定位;事件定義值，此項(xiàng)選擇為2個傳感器的間距，為400 mm;事件閉鎖值，此項(xiàng)選擇為事件定義值的1.5 ～2.0 倍即可，為800 mm。

(5)定位顯示。首先選擇定位顯示框右側(cè)的定位組號和結(jié)構(gòu)類型，定位組號必須與通用頁設(shè)置的定位組號一致，本次實(shí)驗(yàn)為1號組，結(jié)構(gòu)類型選擇自由體即可;線性定位只需要一個方向的尺寸，在尺寸輸入框內(nèi)x軸尺寸可以比探頭的實(shí)際尺寸大些，y方向未限制輸入(本次實(shí)驗(yàn)輸入150 mm);右鍵點(diǎn)擊定位顯示對話框左側(cè)空白區(qū)域，選擇放置傳感器，之后在任意位置放置4個傳感器，在頁面右上角輸入4 個傳感器的具體坐標(biāo)，1#(0，0)，2#(400，0)，3#(800，0)，4#(1 200，0)。

(6)圖形設(shè)置。選擇通道，本實(shí)驗(yàn)有1—4號通道;選擇定位組，本實(shí)驗(yàn)只有一組，輸入數(shù)據(jù)選項(xiàng)選擇事件;定位圖的圖形設(shè)置中，選擇二維柱狀圖，y軸顯示選項(xiàng)為事件，類型選擇為壓縮，x軸顯示選項(xiàng)為x位置，類型為固定，數(shù)據(jù)輸入選項(xiàng)選擇事件;設(shè)置非定位圖形，不需要選擇定位組，只需選擇相應(yīng)的通道即可，數(shù)據(jù)輸入選擇撞擊。

(7)記錄幅值響應(yīng)值。將所有探頭布置好后，點(diǎn)擊采集按鈕，打開行列表，依次記錄各個探頭的幅值響應(yīng)值。連接好儀器設(shè)備，按圖2所示布置好傳感器，完成AE-win軟件各項(xiàng)設(shè)置后就可以開始采集了。在進(jìn)行聲發(fā)射信號定位之前，必須對每一個傳感器的耦合質(zhì)量進(jìn)行檢測，即用斷鉛法確定傳感器的耦合質(zhì)量。使用0.5 mm的HB鉛芯，鉛芯伸出距離約2.5 mm，與試件表面保持約30度夾角，斷鉛幅值在95 db以上則認(rèn)為耦合質(zhì)量很高。為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在檢測耦合質(zhì)量時只能有一個通道處于工作狀態(tài)，即在AE硬件設(shè)置時，每次只對一個通道打勾。本次實(shí)驗(yàn)管道傳感器耦合質(zhì)量檢測結(jié)果如表1所示。

表1 管道傳感器耦合質(zhì)量檢測結(jié)果

圖2 聲發(fā)射檢測實(shí)驗(yàn)管道

從表1可以明顯看出，1#、2#、4#傳感器耦合質(zhì)量很高，而3#傳感器只有在第1次和第3次斷鉛時耦合質(zhì)量很高，在第2次斷鉛時幅值低于95 db，耦合質(zhì)量不佳。這可能是由于管道表面不是很平，使得傳感器未能完全接觸到管道，此問題對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大。傳感器耦合質(zhì)量檢測完成后，將傳感器用膠帶固定在管道上以便于操作。

如圖2所示，4個傳感器之間的距離均為400 mm。在管道上選擇一處位置，用斷鉛法來模擬缺陷的產(chǎn)生位置。該處缺陷點(diǎn)位于3#與4#傳感器之間，距4#傳感器100 mm處。在該處斷鉛3次來模擬缺陷的產(chǎn)生，每2次斷鉛時要保證足夠的時間間隔，采集傳感器接收到的聲發(fā)射信號各項(xiàng)參數(shù)，記錄相應(yīng)的波形信息，并對缺陷進(jìn)行定位。表2為管道模擬缺陷實(shí)驗(yàn)的定位結(jié)果，由表可看出聲發(fā)射檢測技術(shù)可以很好地對管道缺陷進(jìn)行定位。

表2 模擬缺陷的定位結(jié)果

2 油罐聲發(fā)射檢測

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

儲罐缺陷的發(fā)生和擴(kuò)展也屬于突發(fā)型聲發(fā)射信號，儲罐聲發(fā)射檢測定位采用柱面定位。柱面定位實(shí)際上也是平面定位，屬于平面定位的一種特例。

進(jìn)行平面定位時至少需要3個傳感器，2組時差，為了得到單一解一般使用4個傳感器，3組時差。傳感器的布置方式可任意選擇，如三角形、四邊形、方形、菱形等。

圖3所示為聲發(fā)射平面定位原理示意圖，S1，S2，S3，S4分別為4個傳感器所在位置。由S1和S3之間的時差Δtx所得到的雙曲線為曲線1，由S2和S4之間的時差Δty所得到的雙曲線為曲線2，聲發(fā)射源Q離S1和S3，S2和S4各自的距離差分別為ΔLx和ΔLy，波速為v，2組傳感器的間距分別為a和b，聲發(fā)射源就在2條雙曲線的交點(diǎn)Q(X，Y)上，其坐標(biāo)為:

圖3 聲發(fā)射平面定位原理示意圖

柱面定位也屬于平面定位，是平面定位的一種特例。如圖4所示，聲發(fā)射源即聲音在柱面上的傳播與在平面上的傳播相似，只是矩形的兩邊相連接，圓柱面的剖面AB和CD實(shí)際上連接在一起，聲發(fā)射信號從M點(diǎn)傳播到P點(diǎn)后并未反射，而是繼續(xù)從P點(diǎn)向N點(diǎn)傳播。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)儀器及軟件連接與管道聲發(fā)射檢測實(shí)驗(yàn)相同。實(shí)驗(yàn)步驟也基本相同，只是有些設(shè)置不同。

圖4 柱面定位原理圖

實(shí)驗(yàn)的具體步驟分述如下:

(1)布置傳感器。本次實(shí)驗(yàn)傳感器布置如圖5所示。

(2)定位設(shè)置。本實(shí)驗(yàn)事件定義值為1 000，實(shí)驗(yàn)時間閉鎖值為2 000。

(3)定位顯示。定位組號為1號，結(jié)構(gòu)類型為垂直容器;容器尺寸，外徑3 000 mm，高度為3 000 mm;傳感器坐標(biāo)分別為 1#(200，200)，2#(200，800)，3#(1 000，200)，4#(1 000，800)。

(4)圖形設(shè)置。選擇事件組，在定位圖中設(shè)置柱面定位。

各項(xiàng)設(shè)置完成后需進(jìn)行傳感器耦合質(zhì)量檢測，其檢測方法仍是3次斷鉛法。本次檢測結(jié)果如表3所示。

表3 油罐檢測中傳感器耦合質(zhì)量檢測結(jié)果

從表3可以看出1#、3#、4#傳感器耦合質(zhì)量很高，并且1#和4#傳感器的重復(fù)性很好。2#傳感器第1次斷鉛幅值為94 db，略低于95 db，耦合質(zhì)量基本滿足要求。

完成耦合質(zhì)量檢測后，開始進(jìn)行罐體缺陷定位實(shí)驗(yàn)。如圖 5 所示，1#、2#、3#、4#傳感器構(gòu)成一個矩形，邊長為600 mm×800 mm，即1#與2#傳感器間距為600 mm，1#與3#傳感器間距為800 mm。在罐體上選擇一處位置，用斷鉛法來模擬缺陷的產(chǎn)生位置，該處缺陷點(diǎn)坐標(biāo)為(600，500)。在該處斷鉛3次來模擬缺陷的產(chǎn)生，每2次斷鉛要保證足夠的時間間隔，采集傳感器接收到的聲發(fā)射信號各項(xiàng)參數(shù)，記錄相應(yīng)的波形信息，并對缺陷進(jìn)行定位。如表4所示，聲發(fā)射檢測技術(shù)可以很好地對罐體缺陷進(jìn)行定位。

圖5 聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)立式油罐

表4 罐體缺陷定位結(jié)果

3 結(jié)語

通過本次實(shí)驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論:

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)可以對管道和立式油罐缺陷準(zhǔn)確定位;

(2)聲發(fā)射技術(shù)有平面定位、柱面定位、三位定位等定位方法，這就決定其可以進(jìn)行大范圍快速檢測，并且不需要進(jìn)行掃查;

(3)聲發(fā)射技術(shù)是動態(tài)檢測，可以進(jìn)行在線監(jiān)測，但不能檢測出聲發(fā)射源內(nèi)缺陷的性質(zhì)和大小。

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