基于声发射技术的阀门内漏状态识别研究与分析

基于声发射技术的阀门内漏状态识别研究与分析

高进

湛江港石化码头有限责任公司  广东省湛江市524008

摘要

阀门内漏是石油化工行业普遍存在的问题，任何阀门存在内漏的情况都可能造成管道输送介质污染以及生产工艺参数的改变，将会对生产监控系统的故障诊断、安全预警带来较大的压力。由于缺乏在线检测技术，通过人工经验，盲目拆卸阀门维修或更换方式，具有较大的不确定性，给企业造成大量的资源浪费。因此，通过基于声发射检测技术，研发一种阀门内漏检测设备，作为内漏与否的判断依据。通过智能化的阀门内漏检测设备，大大提高内漏检测的准确性，具有重要的工程意义和经济价值。

关键词：声发射，阀门内漏，量化分析

1 阀门内漏声发射检测研究内容

阀门有多种形式，本文以球阀为对象，探讨了球阀在使用过程中由于介质腐蚀、操作不当、异物损坏等引起的阀门内泄漏问题，如阀门不紧(开度小)、密封面损坏等。研究了不同工况和介质类型下各阀门失效模式的声发射信号特征，从仿真分析、实验研究和信号处理三个方面揭示了阀门内泄漏程度与声发射信号之间的相关机理，从而获得了能够有效表征阀门内泄漏的声发射信号特征参数。在上述研究的基础上，采用模式识别和统计学习的理论方法，构建了适用于阀门内漏故障分类和内漏率智能反演计算的数学模型。基于声发射检测结果，探索了适合于指导阀门更换、维修和降解处理的安全保障方案，为现场检测人员检测阀门内漏并快速决策提供了良好的理论参考。

2 阀门内漏的声流场模拟与影响因子敏感性判别

(1)利用Fluent软件对球阀气体内泄漏流场和声场进行仿真，得到了不同温度、内泄漏间隙、介质、压力和阀门通径下球阀气体内泄漏流场和声场的分布规律。

(2)从数值模拟结果可以看出，压力、温度、介质和阀门尺寸对球阀气体内泄漏流场和声场分布的影响较小，而内泄漏间隙越大，声强区域逐渐扩展到整个球体通道和下游管道。内漏间隙、压力与声功率强成正比，而介质密度、球阀通径与声功率强成反比。温度对气体速度和声功率的影响较小。

(3)比较了小开口和密封破坏两种失效类型的最佳测点。通过声功率级分布面积和声场指向性分析，两种破坏形式在管道截面上的声强分布有显著差异。对于大口径阀门内泄漏，可根据管道对称位置声强差初步确定阀门内漏可能性。根据内漏声功率级沿管道方向分布曲线的结果，在实际测量时可将声发射传感器布置在球阀后法兰处。

（4）采用灰色相对关联分析法，分析研究了内漏率、声功率与各影响因素的关联度，确定了内漏率、声功率与各影响因素的关联值。由于温度与内漏率和声功率的相关性较小，因此在设计实验方案时可以减小温度因素的影响。

3 阀门内漏的声发射检测研究

(1)设计一种阀门内漏声学试验装置，可实现各种介质状态下的阀门内漏试验，阀前、阀后压力可控，内漏量可准确测量。

(2)与仿真结果相似，对阀门内漏声发射检测最优测量的实验分析表明，应选择R15型传感器采集阀门下游法兰处(或连接处)的声发射信号。

(3)分析了不同压力、泄漏间隙、阀门尺寸和故障类型对阀门泄漏声发射信号的影响。振幅、ASL和RMS参数仍能有效表征压力对声发射信号的影响，阀内泄漏率与压力呈良好的线性关系。在泄漏率相同的情况下，声发射信号的ASL值随着阀门通径的增大而减小，但压力的变化不影响这一规律。随着泄漏间隙的增大，声发射信号的ASL值不断增大，但增长速度逐渐放缓。三种不同类型故障模式在60 ~ 180khz频率范围内信号分布较强，峰值频率约为85和160khz，频谱分布曲线不随压力变化而变化，两种故障同时发生时频谱特征会变得更加复杂。

4 阀门内漏信号特征提取方法与模式识别研究

(1)对阀内泄漏声发射信号进行小波包分解，基于小波节点的信号能量(能量比)、小波信息熵和AR特征对信号特征提取进行讨论。研究发现，不同失效类型的小波节点信号能量比存在明显的结构差异，且结构差异不随压力的变化而变化，可以作为判断阀门失效类型的特征变量。小波结信号能量量子频带的总趋势与泄漏率具有良好的相关性，可作为阀门泄漏率计算的特征变量。

(2)采用基于径向基函数的支持向量机，在主成分分析和交叉验证的优化下，分别识别第二类和第三类阀门内漏故障。根据判别结果，小波包分解提取的能量比例特征能有效识别不同类型的阀门内漏故障，其中二级判别准确率为90%，三级判别准确率为80%。

5 阀门内漏速率反演计算模型研究

(1)通过理论分析和实验研究，推导了基于声发射信号幅值范围参数的阀泄漏率拟合公式。通过逐步回归法和偏最小二乘法对实验数据进行处理，得到阀门内泄漏的经验公式为:

(2)提出了一种数据驱动的阀门内泄漏SVR定量计算方法，具有较好的通用性。当最近邻点k=3时，网格搜索和粒子群优化得到的预测值仅在少数点误差较大，而大多数点的预测误差小于20%。

(3)从公司阀门系统管理的角度出发，设计了阀门管理信息系统的构建框架，提出了基于信息系统作为管理工具的阀门气密性安全方案。

结论

(1)利用Fluent软件对球阀的泄漏流场和声场进行数值模拟，得到了不同内漏间隙、压力、温度、介质和阀门通径下球阀的泄漏流场和声场的分布规律。内漏间隙和压力与声功率强成正比，而介质密度和球阀通径与声功率强成反比。温度对气体速度和声功率的影响较小。

(2)采用灰色相对关联分析法，分析研究了阀内泄漏率、声功率与各影响因素的关联度，确定了阀内漏率、声功率与各影响因素的关联度。

(3)设计了一种阀门内漏声学试验装置，可实现各种介质状态下的阀门内漏试验，阀前、阀后压力可控，内泄漏量可准确测量。

(4)根据判别结果，认为小波包分解提取的能量比例特征可以有效识别不同形式的阀门内漏情况，其中二级判别准确率为90%，三级判别准确率为80%。

(5)提出了一种数据驱动的阀门内泄漏SVR定量计算方法，具有较好的通用性。

(6)从公司阀门系统管理的角度出发，设计了阀门管理信息系统的构建框架，提出了基于信息系统作为管理工具的阀门气密性安全方案。

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