管式夹套容器内管泄漏声发射监测试验研究.pdf

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1、管式夹套容器内管泄漏声发射监测试验研究 戴光 ， 刘鹏 ， 张颖 ， 巨勇智 ( 1 大庆石油学院， 黑龙江 大庆1 6 3 3 1 8 ； 2 齐齐哈尔大学 ， 黑龙江 齐齐哈尔1 6 1 0 0 6 ) 摘要： 为 了监测管式夹套容器在加压过程 中的内管泄漏情况， 及 时发现泄漏源。在 实验室内建立 管式夹套容器 内管泄漏声发射检测系统， 通过研究泄漏声发射信号的波形、 幅值和不同频带能量分 布规律 ， 以及利用波导杆检测管式夹套容器 的方法， 为现场检测提供试验依据。 关键词： 波导杆 ； 内管泄漏； 声发射检测 ； 管式夹套容 器 中图分类号 ： T Q 0 5 1 3 ； T Q o

2、 5 0 7 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 4 8 3 7 ( 2 0 0 9 ) 0 6 0 0 0 1 0 4 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 0 9 0 6 0 0 1 Te s t Re s e a r c h o n Le a k a g e M o n i t o r i n g o f P i p e J a c k e t Ve s s e l S I nn e rpi p e by Ac o us t i c Emi s s i o n Te c h ni q ue DAI Gu a n

3、g ， LI U P e n g ， ZHANG Yi n g ， j u Yo n gz h i ( I D a q i n g P e t r o l e u m I n s t i t u t e ， D a q i n g 1 6 3 3 1 8 ， C h i n a ； 2 Q i q i h a r U n i v e r s i t y ， Q i q i h a r 1 6 1 0 0 6， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T o mo n i t o r t h e i n n e r p i p e l e a k a g e s i t u a

4、 t i o n o f t h e p i p e j a c k e t v e s s e l i n t h e p r o c e s s o f p r e s s u r i z i n g，fin d o u t t h e f o u n t a i n h e a d i n t i meEs t a b l i s h i n g a c o u s t i c e mi s s i o n t e s t i n g s y s t e m o n i n n e r p i p e l e a k- a g e o f p i p e j a c k e t v e

5、s s e l ， t h r o u g h r e s e a r c h i n g t h e w a v e fo r m， t h e r a n g e a n d t h e l a w o f e n e r g y d i s t ri b u t i o n a mo n g d i f f e r e n t f r e q ue n c y b a n d wh i c h we r e b e l o n g t o t h e AE s i g n a l f r o m l e a k a g e a n d e x p l o i t wa v e g u i

6、 d e r o d t e s t i n g p i p e j a c k e t v e s s e l t o p r o v i d e a b a s i s o f e x p e ri m e n t a t i o n f o r t e s t i n g i n t h e w o r k fi e l d Ke y wo r d s ： w a v e g u i d e r o d ； i n n e r p i p e l e a k a g e ； a c o u s t i c e m i s s i o n t e s t i n g ； p i p e j

7、 a c k e t v e s s e l 工业生产中常用到管式夹套容器， 长期承受高 温 、 高压和腐蚀介质的影响， 其内管常常发生泄漏事 故。由于缺少有效的在线监检手段 ， 目前只能采用 停产更换部分内管的方法。这种方法不仅有一定 的 盲 目性 ， 也无法有效保证管式夹套容器 的安全运行。 声发射检测技术以其动态、 整体检测的技术特 点， 广泛应用于压力容器 的在线检测 ， 并且取得了较 明显的效果 J 。笔者 在实验 室建立管式夹套 容器 实验装置 ， 对管式夹套容器 内管泄漏进行 了一系列 的试验研究 ， 通过分析泄漏声发射信号的波形 、 频谱 以及不同频带能量 的分布规律， 为判断

8、管式夹套容 器泄漏提供依据。 1 试验系统的设计 图 1 为管式夹套容器泄漏声发射试验系统。试 验系统 内管长度 9 m， 外管长度 8 m， 实测内管外径 0 4 0 m m， 壁厚 4 m m， 外管外径 0 9 0 m m， 壁厚 6 mm。 在内管上开一个 1 mm的泄漏孔 ， 将内外管通过法 兰连接 ， 内管上安装一个压力表。在外管上开一个 1 o m m的孔 ， 将一个长 5 0 0 m m、 直径 0 1 0 m m的波 导杆插入孔内与内管壁耦合 良好 ， 并将其固定在外 管上 。将另一个相同型号的波导杆安装于管式夹套 容器 的外管壁 ， 确保两个波导杆在 同一个平面上并 且成

9、9 O 。 夹角。采用美 国 P A C公司的 l 6通道数字 管式夹套容器内管泄漏声发射监测试验研究 V o 12 6 N 0 6 2 0 0 9 式声发射检测系统， 带宽为 1 01 0 0 0 k H z的 WD宽 带传感器( P A C， U S A ) ， 1 2 2 0 A前置放大器。 图 】 管式夹套容器 内管泄漏声发射试验系统 2 试 验过程 在安装传感器前 ， 对其灵敏度进行标定 ， 统计结 果见表 1 。图 1中 1 5号传感器安装于容器外管 壁， 自泄漏源起每问隔 1 n l 粘贴一个传感器。在两 个波导杆上分别布置 6 7号传感器 ， 其中 6号传感 器安装于插入夹套

10、内的波导杆， 7号传感器安装于 焊接在外管壁上的波导杆。 表 1 传感器 灵敏度标 定数据 传感器编号 1 2 3 4 5 6 7 灵敏度( d B) 9 2 9 0 9 1 9 1 9 0 9 2 9 l ( 1 ) 按照上述介绍 的方法粘贴好 传感器 ， 密封 好管端的法兰。一切准备就绪后 ， 将管端 的进气 口 与压力源接好， 给内管加压使压力缓慢变化 ， 从 0 5 4 MP a ， 每升高 0 5 M P a 压力， 稳压并采集一组数 据 。 ( 2 ) 利用水泵有进水 口向夹套 内注满水 ， 使夹 套内水保持静止状态 ， 给内管加压 ， 从 0 5 4 M P a ， 每升高 0

11、5 M P a 压力 ， 稳压并采集一组数据。 ( 3 ) 利用水泵有进水 口向夹套内注入水 ， 调节 排水口阀门， 使 夹套 内水处于流动状态， 给 内管加 压 ， 从 0 5 4 M P a ， 每升高 0 5 MP a 压力， 稳压并采 集一组数据。 ( 4 ) 密封泄漏孔 ， 在无泄漏状态下利用水泵向 夹套内注水， 调节排水阀门， 使夹套内水处于流动状 态， 采集夹套 内水流动过程的流动噪声数据。 3 试验数据处理与分析 3 1 不同压力下泄漏声发射信号特征 图 2为不同压力下 15通道泄漏信号幅值变 化曲线。从图中可以看出， 泄漏信号 的幅值随压力 的增加而增大 ， 随传播距离的增大

12、而减小。对 比图 2- 2 ( a ) 与图 2 ( b ) 可以看 出， 当夹套 内有静止水时， 泄 漏信号的幅值明显减小 ， 这说明夹套 内的水对泄漏 信号的传播有阻碍作用。而对比图2 ( a ) 与图2 ( e ) 可以看出， 当夹套 内水流动时， 泄漏信号幅值没有明 显的降低 ， 但是幅值曲线有明显的波动， 这说明流动 的水产生流动噪声 ， 对泄漏信号的识别有一定干扰 。 1 o 0 8 0 i 四 l o o 趔7 n 馨 4 0 l 0 0 如 丑 盖 8 O l 25 4 压力 ( M P a ) ( a ) 夹套内无水 2 5 压力 ( MP a ) 夹套内有静止水 2 5 4

13、 压力 f MP a ) ( c ) 夹套内有流动水 图2 不同压力下 1 5通道泄漏信号幅值变化曲线 比较图 3 ( a ) 、 ( b ) 可 以看 出， 流动噪声和泄漏 信号同为连续型信号， 流动噪声幅值相对较弱、 时域 波形平稳并且频率具有窄带特性。泄漏信号幅值要 第 2 6卷第 6期 压 力 容 器 总第 1 9 9期 强于流动噪声信号 、 时域波形随机性较大并且 频率 分布较宽， 在 0 2 0 0 k H z 范围内存在多个峰值 。 一 理 。 馨 【 ( a ) 夹套内水流动噪声 2 己 1 骧 0 时 间 ( I ll s ) 0 o 频率 1 o 2 0 0 ( b ) 夹

14、 套 内 尢 水 时泄 糯 信 号 图 3 流动噪声与泄漏信号的波形和频谱图 3 2 泄漏信号小波包分解及各频带能量分布特征 将泄漏信 号进 行小波包分解 _ 2 J ， 由上 面分析 可知 ， 泄漏信号频率主要集中在 0 2 0 0 k H z 之 间， 根据采样定理 ， 信号 的采样频率设为 l M k H z ， 则其 奈奎斯特 ( N y q u i s t ) 频率为 5 1 2 k H z 。因此 ， 将泄漏 信号分解到第 5层 ， 共 2 个子频带 ， 每个子频带宽为 1 6 k H z ， 对应最低频带为 01 6 k H z 。 设 ： 5 ，( t ) 对应能量为 E ，

15、， 则有 ： E J =f I 5 ， ) I d t =0 ， l ( 1 ) k： l 其中 ， ( = 0 ， 1 ， 2 ， ， 2 一1 ； ：1 ， 2 ， ， n ) 试 验中取样点数 12 = 2 0 4 8 。设被分析信号的总能量为 ，则有 ： 2 51 E 。 =E ， =0 ( 2 ) 当被测信号能量较 大时 ， 不方便 数据分 析， 因 此 ， 用 E 5 ,j( = 0， 1 ， 2 ， ， 2 一1 ) 比总能量 E 。 ， 得到 各频段能量与信号总量 的比值 ( 见表 2 ) ， 从 而找 出 泄漏信号的能量分布规律， 各频率段能量与信号总 能量 比值二维柱状 图

16、见 图4 。 表 2 信号各频段能量分布 各频段能量与信号总能量的比值 信号 频率段 夹套内 夹套 内 夹套 内 段数 ( k H z ) 流动噪声 无水时 水静止时 水流动时 泄漏信号 泄漏信号 泄漏信号 1 01 6 0 7 02 9 5 0 1 01 l 3 0 2 6 69 3 0 3 20 3 8 2 1 63 2 0 2l 8 8 5 0 1 9 8 0 3 3 81 4 0 2 46 31 3 3 248 0 0 o 39 8 5 0 08 701 6 0 05 81 9 2 01 1 03 4 486 4 0 0 2 06 5 2 0 2 48 22 0 2 3 83 9 0

17、21 31 1 5 6 48 0 O o o 6 0 9 0 O 【 ) 7 6 5 2 0 0 o 6 2 8 7 O o o 4 4 3 3 6 8 096 0 0 0 25 9 9 0 0 37 9 78 0 011 59 6 0 00 98 4 9 7 961 1 2 0 0 0 31 5 2 0 0 5l 9l1 0 03 91 5 5 0 05 8 91 1 8 1 1 21 2 8 0 o 0 83 2l O 221 98 0 02 5 98 5 0 02 6 84 8 9 1 28 0 0 3 9 26 5 0 0 4 6l 1 3 0 0 09 8 59 0 01 5 32

18、5 ( 1 ) 由表 2和 图 4可 以看 出， 信号 在 01 2 8 k Hz 问 的 能量 占信 号 总 能量 的 百 分 比分 别 为： 9 6 0 7 ， 9 5 3 9 ， 9 9 o 1 和 9 8 4 7 。由此说 明， 泄漏信号的能量主要集中在 01 2 8 k H z 。 ( 2 ) 由表 2和图 4可知， 夹套 内无水 ， 泄漏信号 在 1 1 21 2 8 k H z的能量 占信号总能量的 2 2 1 9 8 ， 夹套 内水静止和流动两种情况时分别为 2 5 9 8 5 丑 【衄 丑 妞 1 2 3 4 5 6 7 8 9 频率段 l 2 3 4 5 6 7 8 9 频

19、率段 ( b ) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 O 0 0 0 O O 0 O 8 7 6 5 4 3 2 l O 0 O O 0 O 0 0 O C P V T 管式夹套容器内管泄漏声发射监测试验研究 V o 12 6 N 0 6 2 0 o 9 丑 妞 哟j l 2 3 4 5 6 7 8 9 频率段 ( e ) l 2 3 4 5 6 7 8 9 频率段 ( d ) 图4 各频率段能量与信号总能量比值二维柱状图 和 2 6 8 4 8 。这说 明夹套内水对高频泄漏信 号的 传播有明显阻碍作用。 ( 3 ) 由表 2可以得出， 流动噪声 01 6 k H z 的能 量占信号总能量的

20、7 0 2 9 5 ， 而泄漏信号在 01 6 k H z的能量低于总能量 的 4 0 。泄漏信号在频率 4 81 2 8 k Hz的能量 占泄漏信号总能 量的 3 0 以 上 ， 远大于流动噪声的 3 4 5 。由此 ， 可 以区别流 动噪声和泄漏信号， 从而判断管式夹套容器 内管是 否发生泄 漏 。 3 3 波 导杆 在检测 中的应 用 由于管式夹套容器常常工作在高温的环境下， 不能直接将常温探头耦合到其表面进行检测 ， 如果 全部采用高温探头则成本又过高， 因此试验 中采用 波导杆技术来解决此问题【 4 。图5中信号 A为管 壁上传感器所接收到的泄漏信号波形和频谱图， 信 号 和 c分别

21、为安装在外管壁和插入夹套 内波导 杆上传感器所接收到的泄漏信号波形和频谱图。对 比信号 和 B， 可以看出泄漏信号经波导杆传播后 其幅值变化较小 ， 频谱无明显变化， 因此将波导杆应 用于夹套容器的泄漏检测是可行的。 一 i 四 馨 一j 1 一 一 三 j j 兰 套 二 二 量 卜一 频率 ( k H z ) ( a ) ( b ) 图 5 泄漏信号波形 与频谱对 比图 通过比较信号 和 C的时域波形和频谱可知 ， 虽然波导杆的安放方法不同， 但是泄漏信号的时域波 形、 幅度和频谱不存在 明显差异。在实际工程检测 中， 可将波导杆直接安装于管式夹套容器的外管壁。 4 结论 ( 1 ) 泄漏

22、 声发射信 号的幅度 随压力增 大而增 大、 随传播距离增大而减小。当夹套内有水时 ， 水将 阻碍泄漏信号的传播 ， 加速泄漏信号 的衰减。当水 流动时 ， 产生的流动噪声 ， 对泄漏信号的识别存在一 定干扰。 ( 2 ) 流动噪声具有窄带特性 ， 能量主要集 中在 0 1 6 k H z ， 而泄漏信号随机性较强体现出宽带特性， 能量主要集 中在 4 81 2 8 k H z 。因此 ， 通过 比较泄 漏信号和流动噪声的不同频率区间能量的差异， 可 以判断管式夹套容器是否发生泄漏。 ( 3 ) 泄漏声发射信号经波导杆传播后幅度衰减 很小， 频谱无明显变化， 因此将波导杆应用于管式夹 套容器内

23、管泄漏的检测是可行的。 f 下转第 5 4页) 8 7 6 5 4 3 2 1) O 0 O 0 0 O n O 8 7 6 5 4 3 2 l O O O O 0 0 O n n 三级旋风分离器的制作与安装 V o 12 6 N 0 6 2 0 o 9 进行耐磨衬里施工。龟 甲网根据来料尺寸预先下 料。龟甲网与端板应逐块焊接 ， 每道焊缝长度不小 于 2 0 m m， 拼接处每一端头应沿网深全焊。相邻龟 甲网纵向拼缝应错开 3 0 0 m m以上。结扣间隙及错 边高度不大于 0 5 m m。安装平整度用 5 0 0 m m弦 长样板检查， 间隙不得大于 5 m m。 ( 5 ) 设备壳体 、

24、 锥体等单层无龟 甲网衬里施工 程序与封头一致。部分部位采用 Y型锚 固钉补衬。 此处衬里带旋风分离器安装完毕， 检查合格后进行。 ( 6 ) 衬里施工完毕后 ， 应制备工程试 样。送第 三方检验机构检验。检验项 目为体积密度 、 耐压强 度、 抗折强度 、 线变化率。 内件安装完毕后 ， 进行总体质量检查 ， 记 录文 件、 检验文件应报验给业主 、 监理、 质检站等有关部 门。内件安装质量检查项 目见表 5 。 表 5内件安装质量检查 检查项 目 允差 ( m r n ) 检查方式 旋风分离器铅锤度 3 线坠、 卷尺 旋风分离器同轴度 1 1 线坠、 卷尺 烟气入口筒体 7 7 盘尺、 水

25、平尺、 卷尺 与设备同轴度 旋风分离器入口标高差 5 U型管、 直尺 旋风分离器叶片导向 按图纸要求 目测 料腿拉杆处垫板通气孔 按图纸要求 目测 内集气室与壳体水平度 5 u型管、 卷尺 内集气室与壳体同心度 5 水平尺、 盘尺、 卷尺 内集气开孔方位允差 3 卷尺 焊缝外观 、 腰高 按 图纸要求 目测 、 角尺 保温钉安装质量 按规范要求 目测、 卷尺 龟 甲网安装质量 按规范要求 目测 、 卷尺 衬里施工质量 按规范要求 制备试样 、 目测 注意事项 ： 现场安装需要多单位统筹作业 ， 各工 种配合协调 ， 交叉作业时做好安全管理。在封头 吊 装组焊前 ， 封头段内部衬里应施工完毕 ，

26、 并确保设备 内部旋风分离器、 料腿拉杆及限位结构已安装或固 定于设备内部 ， 避免漏项 ， 在封头盖帽后难以弥补。 4 结 论 ( 1 ) 球形封头的组焊及内部集气室的安装是一 个重点。球形封头 的外形尺寸， 将影响锥形板及环 形板的安装尺寸 ， 进而决定内部集气室空间。直接 影响到反再系统工艺性能 ， 因此在组焊球型封头时， 对临时工装、 组对平台及检测手段要作充分的准备。 ( 2 ) 内部旋风分离系统安装是难点。由于烟气 入口分配器与旋风分离器接口要等待封头安装完毕 后进行 ， 因此要提前将旋风分离器悬挂在既定位置。 特别要注意旋风分离器临时固定的安全。 ( 3 ) 衬里施工难度较大。衬

27、里施工是设备安装 的最后工序， 需要在密闭环境中 施工， 高空作业。施 工前应进行详尽的技术交底和安全准备工作。 ( 4 ) 三级旋风分离器工序复杂 ， 各工种交叉作 业多 ， 施工前需要编制详尽的质检计划 、 工艺顺序表 和安全施工措施。对工装胎具的预制质量 、 临时加 固构件等均纳入质检计划范围。保证施工的质量和 安 全 。 收稿 日期： 2 0 0 9 0 51 2 作者简介： 张建华( 1 9 5 8一) ， 男， 工程师， 长期在压力容器制 造厂工作， 通讯地址： 2 5 5 4 3 8山东淄博市 1 3 2信箱 8分箱淄 博澳信机械制造有限公司。 ( 上接第 4页) ( 4 ) 通

28、过比较波导杆的两种安装方法下泄漏信 号的波形和频谱 ， 得到试验结果无明显差异 ， 因此在 实际工程检测中， 为了方便检测， 可将波导杆直接安 装于管式夹套容器的外管壁。 参考文献 ： 1 陈志刚 声发射技术在泄漏检测中的应用 J 无损检 测 ， 2 0 0 8 ， ( 6 ) ： 3 6 6 3 6 8 ， 3 8 7 2 周伟 Ma t l a b小波分析高级技术 M 西安： 西安电子 科技大学出版社， 2 0 0 6 91 0 5 4 3 王春光， 高广珠， 余理富， 等 基于小波分析的子带特 征提取与选择方法 J 国防科技大学学报， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 1 ) ： 8 58 9 4 李善春， 戴光， 高峰， 等 波导杆中声发射信号传播特 性实验 J 大庆石油学院学报， 2 0 0 6 ， ( 5 ) ： 6 5 6 8 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 41 2 作者简介： 戴光( 1 9 5 4一) ， 男， 教授， 系主任， 长期从事声发 射检测与结构完整性评价和无损检测教学工作 ， 通讯地址： 1 6 3 3 1 8黑龙江大庆市大庆石油学院5 6号信箱。