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聲發射檢測技術在井控設備閥門中的應用
發布于：2016/12/25 22:06:44 點擊量：205
唐建平
（中石化西南石油工程有限公司油田工程服務分公司，四川?綿陽?621000）
摘要 ：閥門是生產生活中通過管道對介質進行輸送必不可少的裝置，隨著科技的發展對閥門檢測技術要求也提高了，而作為新興的一種在線動態聲發射檢測技術，相對其他檢測技術在井控設備閥門中的應用有著很多優點。文章通過對聲發射檢測技術的原理及特征進行闡述，結合國內外聲發射技術現狀對聲發射檢測技術在井控設備閥門中的應用進行詳細說明。
關鍵詞 ：井控設備 ；閥門 ；聲發射檢測
引言
隨著經濟的迅速發展，能源問題成為比較關心的問題，進而對放置能源的壓力容器的要求也就相應的提高了，壓力容器的生產要求嚴格不能有任何缺陷，這就需要檢測內部結構避免放置途中出現安全問題。聲發射檢測技術就是常規檢測技術的升級，可以對設備中的缺陷進行實時檢測實時監控，在壓力不斷變化的過程中利用內置的高靈敏度傳感器就可以進行檢測，并將信號通過介質傳到外界進行判斷。
聲發射源的位置可以通過區域定位法和時差定位法等來確定，而傳感器對于聲發射信號的采集主要是通過噪聲產生的紊流來獲取。聲發射技術不僅提高了檢測效率還節省成本費用，從而達到安全使用的目的。
1?聲發射檢測技術的原理及優點
1.1?聲發射檢測技術的原理
聲發射(AE，acoustic emission)指的是材料變形或者被積蓄起來的應變能所釋放的聲音的傳播現象。聲發射是一種物理現象，不同材料的聲發射信號的頻率范圍也不同，而且幅度變化范圍也很寬泛。
聲發射技術是通過聲發射儀器，對聲發射信號的特征進行探測、記錄，然后對探測到的信息進行分析并推斷出聲源位置的技術。聲發射技術是一種無損檢測方法，對于利用超聲波、放射線、浸透等方法來進行檢測是不一樣的，不需要檢測其缺陷就可實現在線監測的功能。
從聲發射信號在時間上的性質，可以分為連續型聲發信號和突發型聲發信號。連續型聲發信號是發生時間在時間上不可分的聲發射事件，特點是波幅度小、發射頻度高等；相對的突發型聲發信號是指發生時間間斷在時間上可分的聲發射事件，特點是波形呈脈沖狀、峰值較高等。而井控設備的閥門信號是連續型聲發射信號。
聲發射檢測的原理是根據從內部發出的波對結構內部損傷程度判斷的檢測方法，聲發射檢測原理如圖1所示。主要檢測過程是聲發射源對彈性波進行激發，經過某種介質將材料內部信號傳播到材料的表面，使材料的表面發生機械振動從而產生微小位移量，然后使用聲發射傳感器對其進行探測，AE傳感器的聲耦合將采集到的信號進行轉換后成為電信號，然后通過前置放大器進行放大處理，最后收集到的信號參數特征都通過工控機進行記錄分析。
根據分析結果結合對井控設備閥門安全標準的設定，判斷出閥門內部及表面存在缺陷的等級，從而得出被檢測閥門的實際安全情況的結論。
圖1?聲發射檢測原理流程圖
1.2?聲發射檢測技術的優點
聲發射檢測技術在實際應用中有很多優點，主要優點如下 ：
（1）實時動態性。利用聲發射檢測技術可以對門閥內部的裂紋或者缺陷進行實時檢測。
（2）整體性檢測。對在門閥結構內部安置少量固定不動的傳感器，傳感器按照一定陣列進行排列，聲發射儀器就可以通過傳感器獲得被檢測對象的一切信號信息，對缺陷具體位置的確定是通過聲發射技術中的時差定位技術來確定。
（3）高精度和靈敏性。材料在裂紋出現的階段就會有聲發射信號的產生，傳感器的設置如果比較好就可以發現裂紋出現的過程。聲發射的靈敏度也是比較高的，可以探測出微裂紋和位錯運動的發生。
（4）快捷性。常規設備檢測時間是利用聲發射檢測時間的五倍，這就大大提高了用戶檢測時的效率，同時檢測人員的勞動強度也降低了，工作效率就提高了。
2?聲發射檢測技術國內外研究現狀
國外對于閥門故障檢測技術研究始于20世紀60年代左右，隨著科技的快速發展，聲發射檢測技術在井控設備閥門中的應用得到了很好的推動，相應的聲發射儀器也迅速的發展起來。
英國的BP石油公司在檢測中使用的聲發射檢測儀器奠定了聲發射檢測技術在門閥檢測中的基礎，隨后對于聲發射儀器的生產加大了投入，國外對聲發射技術從各種方面存在的問題進行不斷的研究完善，探索出了閥門的泄漏率和聲發射信號之間的對應關系，對于聲發射檢測技術在井控設備閥門中進行更好的應用。
國內對聲發射技術的研究起步比較晚，始于20世紀90年代，但是近幾年對于該技術在井控設備閥門中應用的研究有所增加。
首先是通過一系列的實驗對聲發射檢測技術在閥門中檢漏行為的可能性進行驗證，其次利用EMD方法對于聲發射檢測技術的精準性進行檢測，再次對聲發射信號和閥門泄漏量之間的線性關系進行證明，最后用DSP譜分析法和差直法對閥門可能出現的情況進行檢測并研發出了聲發射儀器。
總之，國內相關科研人員都對門閥在井控中可能出現的情況進行了大量的分析研究工作，便于聲發射檢測技術更好的應用。
3?聲發射檢測技術在井控設備閥門中的應用
3.1?閥門產生聲發射信號的原理
閥門會產生聲發射信號的起因有機械振動、氣濁以及紊流或者空氣動力噪聲三種。
（1）機械振動噪聲。機械振動產生是因為閥體內的壓力不穩定致使產生無規律的波動以及閥門內部有一些可動部件和彈性部件因其周圍流體沖擊而振動，而這些振動都是沒有規律的所以會以其自然頻率振動，機械振動究其根源是閥芯相對于它的導向表面的側向位移。
（2）氣濁噪聲。氣濁的發生可以分為兩個過程，第一個過程是部分液體因為蒸發形成氣泡，第二個過程就是氣泡在空中爆破或者破裂，又重新成為液體。
（3）紊流或者空氣動力噪聲。閥門噪聲的主要原因就是空氣動力噪聲，這種噪聲是因為蒸汽、空氣和其他流體進行紊流的結果。在氣體和流體流動的過程中，當高速流體從閥門流出時，因為突然膨脹或者是突然減速，以及在內部結構中發生急拐彎或者碰到障礙物都會形成紊流。
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。但是閥門泄漏后發出的聲發射信號確實各有特點，比如泄漏后通過介質激發的應力波的頻譜會有很尖的高峰，可以利用頻譜分析法將泄漏的信號從噪聲中進行分離。泄漏時產生的信號會比結構內部有裂紋產生的信號更強，而且頻譜波動的幅度和泄漏的速率成正比關系，與信號的均方根值也成正比。如果泄漏和壓力沒有關系，那么泄漏的速率就會很小，與信號的均方根值正比的關系依然成立。所以，閥門是否發生泄漏可以通過聲發射儀器接收到的聲發射信號的均方根值來進行判斷。
圖2?聲發射檢測閥門原理圖
3.2?閥門檢測的側重點
對閥門進行檢測時要有著重點，那么在測試點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，所以對每個閥門進行測試的最佳點是不一樣的。
第二，測試點的信號接收情況也會受到傳感器安放位置的影響，比如，傳感器對信號轉換的耦合程度不同或者傳感器固定的松緊度不同都會影響測試點對信號的接收。
第三，背壓對測試點選取的影響，閥門差壓的變化會受到背壓存在的影響，而泄漏聲音的強度受壓差不同的影響。對于閥門的測量點推薦如圖3所示。
圖3?閥門推薦測量點
3.3?聲發射檢測技術在井控設備閥門應用中的優點
檢測過程中不會要求拆閥，只是內部安置傳感器通過其精準靈敏度對閥門的安全情況進行判定，絲毫不會影響閥門的完整性。可以根據實際需要的情況對聲發射檢測進行安排，絲毫不影響生產過程。檢測的結果直觀便與判斷，并且對閥門內部的缺陷參數也有記錄。經濟方便的同時還減少環境的污染，還能保證設備會安全運行防止意外發生。
4?總結
聲發射檢測技術作為新興的閥門缺陷檢測技術，不僅具有常規檢測方法的優點還有其沒有的優點，所以其應用領域更廣闊。聲發射進行檢測的首要工作就是對周圍環境干擾的噪聲進行分離，才能對閥門的內部結構出現裂縫或者泄漏等情況進行檢測進而判斷安全性。對于聲發射檢測技術的不斷完善不僅會給應用的各個領域帶來經濟效益，也能不斷發揮其更高的作用。