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通过阀门的内部流体泄漏与泄漏产生的声发射之间关系的研究

摘要

检测液体和气体通过阀门产生的声发射信号与定性泄漏率直接相关。这样就可以对多个行业的流程中的损失进行成本估算。然而, 要找出定性泄漏率与声发射信号之间的关系, 需要大量的实验数据。本文对声发射通过阀门检测内部泄漏率进行了理论研究, 并进行了实验验证。对内部液体和气体泄漏通过阀门产生的声发射信号进行了表征。研究和解释了泄漏率、入口压力水平、阀门尺寸和阀门类型等因素对声发射参数 和AE_RMS的影响。理论和实验结果表明, 从功率谱密度 (PSD) 计算的声发射信号功率与泄漏率的影响因素有很好的相关性。最后, 研制了一种新型廉价的声发射仪器, 利用微处理器预测定性泄漏率, 并推导出了该仪器的相关关系。

关键词：声发射 阀 气体泄漏率 液体泄漏率

1.介绍

声发射技术已应用于内部阀门泄漏检测, 在石油、天然气、化工、石化等行业得到了广泛的应用。这种技术强调确定可用于阀门原位的泄漏检测系统的可行性[2]。在决定修理或更换损坏的阀门之前, 各种工厂都需要了解泄漏率知识。然而, 在泄漏检测系统中, 从数千个阀门获得数据是困难和不方便的。从文献资料中看, 用于气相和液相转换的阀门的实施在几个行业中得到了广泛的应用[3]。

为调查和估计通过声发射的泄漏率，已经完成了大量的研究 [4-8]。在定量模型中建立了多独立变量 (如入口压力水平和泄漏率) 的多元回归拟合模型。然而, 最常见的问题之一已经是训练算法和计算阀门泄漏率所需的信息。这影响了许多工艺变量, 例如入口压力水平、阀门大小和类型。

最近, 分析了声发射与内部阀门泄漏率之间的理论关系, 以估计通过阀门的气体泄漏率 [9]。研究表明, 理论上由阀门泄漏孔后面的湍流射流产生的高频声功率与计算出的声发射信号功率之间存在良好的相关性。计算了每个阀门尺寸和入口压力水平的和皮尔逊相关系数 (r)。相关系数较高, 特别是在低入口压力水平 (100kPa)。r = 0.881、0.881 和 0.881, 阀门尺寸分别为25.4、50.8 和 76.2 毫米。

如上所述, 通过阀门的液体转化经常被使用。因此, 本文的主要目的是进一步分析和实现利用声发射技术, 通过经验变量、阀门尺寸和入口压力来估计液相阀门泄漏率的理论关系。此外, 还对液相和气相都进行了阀门类型的影响和声发射信号在频域中的特性的研究。通过对各种变量的影响进行了实证研究, 验证了所导出的理论公式。最后, 建立了基于理论模型的声发射仪器。

2. 理论

2.1 声发射信号源

声发射被定义为由局部源快速释放能量所产生的瞬态弹性波。研究发现, 声发射信号可以通过流体泄漏产生 [10, 11]。在液体阀门内部泄漏的情况下产生的伪源产生声发射信号, 在很大程度上是由于内部泄漏引起的湍流 [12]。

阀门泄漏的声发射信号在时域上是连续的。为了从声发射数据中提取有用的信息, 经常使用根-均值-平方值(RMS)来计算原始声发射信号中包含的平均能量。对于由N个样本、x[0]、x[1]、x [n-1] 组成的声发射信号, 其RMS值由公式（1）给出[13]:

此外, 在频域测量的参数也很有趣, 如峰值频率、主要频率分量的大小和频带中包含的能量。这些参数可以通过使用傅里叶变换进行光谱分析来获得。功率谱密度 (PSD) 表示信号功率在原始声发射信号频率上的分布。PSD可以使用公式（2）计算[14]:

在公式(2) 中, P [k] 是功率谱密度, X [k] 是声发射信号的离散傅立叶变换 (DPT)，x [n]、T是采样周期。

事实上, 用 公式(1) 计算的和在PSD光谱中测量的声发射能量是等价的。根据 Parseval 定理, 时间信号 x [n] 及其 DFT, x [k] 满足下式 [15]:

将公式（1）和公式（2）代入公式（3）整理得出：

在这个方程中,是离散频率采样区间。请注意, 一词表示在时域中测量的信号的平均功率, 以及这是PSD在频率范围内的集成, 代表了在频域中测量的功率。这和Parseval定理一致 [16], 在时域和频域中功率计算的结果相等。此外, 本文还比较了实验结果中得到的在时域和频域上的关系, 发现了它们的等效性。因此, 可以证实, 在时域或频域测量的基于能量速率的声发射参数非常适合表示内部阀门泄漏引起的声发射信号。下一节解释了基于能量差的声发射参数与内部阀门泄漏的关系。

2.2 声发射与液体阀门泄漏的理论关系

当压力边界的泄漏孔处存在湍流条件时, 流体流动的不稳定性会导致流动的时间依赖性。因此, 产生了流量波动。于是,产生了净密度波动和流动(湍流)区域的净动量转移。声音发射必须是四极和高阶源的结果。声功率流向四极或湍流流动, Lighthill等式被定义为 [17]:

其中是声功率 (w), rho;是流体密度 (kg/m³), m 是平均湍流射流速度 (m/s), D是阀门尺寸 (m), alpha;是流体中的声速 (m/s)。

在以前的工作中[9], 液体阀泄漏的声音功率,，与平均信号功率成正比。这种相关性可以简单地定义为:

此外, 由公式(7) 给出了根据流体参数推导出的声功率。平均信号功率与声音功率之间的理论关系可以表示为:

和

其中为入口压力 (kg/m s²), d 为孔直径或泄漏孔直径 (m), C₀ 为比例常数。

在液体阀泄漏的情况下, 液体通过阀门的体积流量通过了分析的理论关系 [18]:

其中Q为体积流量 (m³/s), c_v为阀门流量系数 (无量纲), 为阀门的压降 (kPa), S 为比重 (kg/m³)。方程可以重新排列如下:

代入公式（8）得到：

其中C₁是流体变量的函数,忽略了如声发射传感器、仪器增益、参考电压、信号衰减、声发射采集系统和阀门材料以简化关系。

公式(11) 将是量化方法的良好基础。该方程表明,对两个变量体积流量（Q）和阀门压降()非常敏感。其他参数 (alpha;、rho;、D、P₁、S) 是流体和阀门系统的恒常系数。本文根据公式 (11) 计算受各种因素影响的 C₁值。

公式(11) 显示了液体阀泄漏的关系。这被用来估计泄漏率和预测流体力学参数对声发射信号的影响。当阀体内的阀座发生泄漏时, 来自声源的弹性波通过该阀体传播。该弹性波直接被安装在阀体表面的声发射传感器转化为声发射信号。声发射信号被放大器放大并通过估计泄漏率的过程发送，如图1所示。

图1. .通过声发射预测阀门泄漏率的过程。

3. 实验设置

实验设置如下图2所示。它包括两个部分; 阀泄漏系统和声发射测量系统。在阀门泄漏系统中, 选择两种类型的球阀和截止阀作为试验对象。球阀和截止阀在工业上得到了广泛的应用。不同尺寸的软阀座内径分别为25.4, 50.8 和76.2 毫米, 是为了产生泄漏。由于不完全闭合泄漏率从1.0到6.0 I/min分钟。利用柱塞泵产生保持在100至700千帕之间的水流压力。对于声发射测量系统, 实验中的声发射传感器为谐振型, 固有频率为150kHz。声发射传感器发出的声发射信号被 60dB增益的前放大器放大。还包括一个 200–300 kHz 的带通滤波器。采用 LOCAN320 放大声发射信号, 增益为20分贝。实时信号分析仪 (最大采样率为 10 MHz) 也用于记录频率域中0至 1 MHz之间的声发射波形。该信号是根据一组978个采样点计算的, 周期为 382 mu;s, 平均为500次。用 pc 机记录了声发射波形, 并将其转换为声发射参数。

图2. 实验设置示意图

4. 结果与讨论

4.1 气体和液体阀门泄漏声发射信号的特性

压缩空气阀 (代表气相) 和淡水阀 (代表液相) 在频域的声发射泄漏信号的典型特征见图3a 和 b。结果表明, 在0-1000kHz的频率范围内, 功率谱密度 (PSD) 与频域泄漏率之间存在关系。实验设备和条件是: 300 kPa 的进气压力和25.4 毫米的球阀尺寸。由公式(2)计算的PSD的大小对于淡水来说大于压缩空气。实验验证了不同进气压力下阀门尺寸50.8 和 76.2 mm 的理论结果。这可能是由水的声阻抗引起的, 与压缩空气相比, 水的声阻抗更接近阀门材料的声阻抗。在水介质中, 声波从湍流源很好地传播到声发射传感器。造成震级差异的另一个原因可能是喷水对阀体的影响。水的分子质量和密度远远大于压缩空气。

此外, 还发现 ae 传感器 (r15 型) 从漏水中获得的特征信号在 50–200 kHz 的工作频率范围内达到高峰。压缩空气泄漏的频率在150kHz的共振频率下表示了显著的峰值振幅。以下是影响液体 (水) 流动的四个流体参数以及对声发射信号的影响。

图3.泄漏率变化时25.4 mm球阀频域阀门泄漏的AE信号特征

（a）压缩空气泄漏（b）淡水泄漏。

4.2. 进气压力和泄漏率对声发射的影响

图4a 和 b 显示了从76.2 毫米球阀分别绘制出的和入口压力与泄漏率关系图。在图4a 中, 发现随压力的增加而增加。压力从100到700千帕不等, 也显示出类似的趋势, 然而, 这个数字显示了在恒定的入口压力300和700千帕下的关系。图4b 显示了2.0 和 5.0 l/min的固定泄漏率。结果发现,随泄漏率的增加而增加。所有泄漏率似乎都有同样的趋势。

此外, 这些结果为在相同的入口压力和泄漏率条件下的25.4 和 50.8 mm 尺寸阀门提供了类似的趋势。结果也与以前与其他气体和液体一起进行的记录[6, 7] 一致。泄漏率、入口压力和声发射参数之间的关系与公式(11) 的预测相对应。当速度是入口压力水平和泄漏率的函数时，这是由于湍流射流速度 (v) 对平均声发射能量的直接影响。

图4.流体参数对的影响

（a）入口压力水平的影响和（b）泄漏率的影响。

4.3. 阀门尺寸对声发射的影响

图5显示了当进气压力固定在300千帕时, 将球阀尺寸改变在25.4 至 76.2 mm 之间的影响。结果表明, 当阀门尺寸增大时, 有所下降。与公式(11) 有良好的一致性。在不同的入口压力和泄漏率条件下, 结果也出现了类似的趋势。这早先研究的结果一致[8]。

图5.阀门尺寸对的影响。

4.4. 阀门类型对声发射的影响

为了研究阀门类型及其几何形状的影响, 将进气压力固定在700千帕, 并在尺寸为 50.8 mm 的球阀和截止阀之间进行调整。图6显示, 在各种进气压力和泄漏率条件下, 球阀的小于截止阀的。这可能是由于截止阀产生的阀门流量系数 c_v, 低于球型阀门。结果表明, 阀门流量系数与成反比。表1中, 50.8 毫米球阀的 c_v 为 346, 另一种类型的 c_v 等于51。在公式(9) 中的基本阀门流量下, 较低的 c_v 值增加了在实验中测量的泄漏孔 () 之间的压差, 因此, 通过泄漏孔的速度和湍流都在增加。

图6.阀门类型对的影响。

4.5. 理论模型与实验结果的比较

图7和图8显示了分别使用截止阀阀和球阀根据公式(11) 计算的 50.8 mm 阀门和固定入口压力700千帕泄漏率的理论建模结果。在图7和图8的存在上表示的声音功率 () 或其他模型声功率的值, 可以从公式(11) 右侧的术语中计算, 不包括C₁值。图7和图8所示的声发射信号功率 (), 在公式(11) 项的左侧表示, 可以通过实验工作进行测量。在图7和8a 中, 实验数据的两个轴图 (以黑色正方形符号表示) 和以实线表示的声功率为两个功率呈现类似的趋势。图7和8b 证实了实线通过线性函数很好地拟合。这意味着声功率与声发射信号功率具有很强的线性关系。换句话说, 在水阀泄漏应用中, 与Lighthill方程式式得到的P_s值成正比。这一结果与 eq. (11) 所示的理论模型相对应。其他阀门的尺寸和类型在不同条件下也表现出了类似的方式。

图7.在固定的700 kPa入口压力下，50.8 mm截止阀的功率比较

（a）在各种泄漏率条件下的P_s和 （b）模型预测与实验数据。

图8.在固定的700 kPa入口压力下50.8 mm球阀的功率比较

（a）在各种泄漏率条件下的P_s和 （b）模型预测与实验数据。

5. 用于检测阀门泄漏率的新型仪器

在研究的基础上, 研制了一种用于测量液体和气体泄漏相的声发射仪。由于实施了微观处理而不是数据采集, 该仪器价格低廉。声发射传感器仍然可以是压电的 (PZT)。由于流体参数的存在, 使用方便, 可以直接安装到仪器中。泄漏率可以快速显示在仪器的面板上。因此, 没有必要使用额外的计算。仪器的细节将在进一步的文件中介绍。此外, 还将揭示影响及其不确定性的各种参数。

6. 结论

本文研究了液体通过阀门泄漏率与声发射的关系。证实了理论上得到的声功率P_{s资料编号：[4927]}