裂纹是管道上最常见的缺陷之一,主要由管材缺陷、材料空隙、夹杂物或凹陷、局部脆性区域及应力、疲劳腐蚀等造成,对管道安全的威胁极大。声发射作为一种动态无损检测方法,可在不停产的状况下对压力管道的活性缺陷,如裂纹扩展、环形焊缝位移、腐蚀等进行实时检测及判断,而且对管道特殊结构的形状不敏感[1-2]。因此,压力管道的声发射检测技术研究具有重要的意义。
1 声发射管道裂纹检测与定位的原理
采用声发射技术对管道腐蚀裂纹等缺陷进行检测时,需要对管道进行工作压力范围内的加载。在载荷作用下,管道内的活性缺陷会发生轻微扩展,在管壁中激发出应力波并沿管壁传播。该应力波携带有丰富的管道缺陷信息,采用安装在被测管道两端的传感器采集信号,再由声发射仪器进行数字化分析,就可以获取管道缺陷的详细信息,对缺陷产生的位置及严重程度做出判断[3]。
管道上裂纹的产生与扩展属于突发型声发射信号。突发型声发射信号的定位方法可采用时差定位法[4]。时差定位至少需2个声发射传感器,通过测量声发射信号到达各个检测通道的时间差、波速和传感器间距等参数,并采用一定的算法来确定声源的目标或位置,其定位原理如图1所示。图中声发射源距1#传感器的距离为
d=(1/2)·(D-vΔt) (1)
式中 D为两个传感器间的距离;v为声波在结构中的传播速度;Δt为信号到达两个传感器间的时差。
时差线定位技术的关键是确定声波在试件中的传播速度v和Δt。其中,v一般可通过查阅工程手册来获得。由于管道裂纹激发的声发射信号为突发型信号,故Δt可通过多通道声发射仪器记录的各通道信号到达时间来确定。现代声发射仪的时差测量是基于各通道的到达时间,而每个通道到达时间的测量与触发电平的设置和仪器的时钟频率有关。目前,仪器的采样时间可精确到250 ns以上[5]。
2 声发射管道裂纹检测的实验研究
2.1 管道裂纹信号的采集
在实验室条件下获取裂纹信号难,因此在声发射实验中常采用国际上通用的NIelsen-Hsu断铅法来模拟裂纹的产生。图2为相同类型传感器采集的、不同性质的声发射信号[6]。传感器与声发射源的间距均为9 m。研究表明,固体材料断裂破坏时产生的声发射信号都具有与图2(a)类似的波形。
在实验室条件下,对一条长约15 m、直径 100 mm(变径后为 50 mm)的不锈钢管道进行裂纹检测及定位实验。由于该管道的支路、法兰、支撑等附属结构众多,为了研究声发射波在通过不同管道特征,如焊缝、法兰、支路、变径等的衰减情况,选取了一段附属结构较多的管道进行实验。分别将4个传感器沿管道依序布置(见图3)。1#和4#传感器的间距为5 400 mm。
在管道上选择3处位置模拟裂纹的产生,分别位于
(1)距离1#传感器1000 mm处。
(2)距离2#传感器900 mm处。
(3)距离3#传感器400 mm处。
每处各断铅3次,每2次断铅间要保证一定的时间间隔,采集传感器接收到的声发射参数,记录相应的波形信息,并对裂纹进行定位。
2.2 管道裂纹声发射信号的定位及误差分析
图4为1 000 mm处断铅时,1#和2#传感器采集到的波形。由于2#传感器距离声发射源较近,故先被触发。两传感器接收的声发射信号的时差Δt=-23μs,声发射波在不锈钢材料中的纵波的传播速度约为7 000 m/s,则裂纹距离相邻传感器的长度为980.5 mm。裂纹产生的真实位置为1 000 mm,测量值相对于真实值误差为1.95%。考虑到传感器的布置位置也可能产生一定的误差,因此这种误差是可接受的。其他计算结果如表1所示。
由表可看出,1#-2#传感器对1 000 mm处的裂纹定位较准确,且3次定位结果的重复性很好。3#-4#传感器的定位结果误差较大,而2#-3#传感器的定位效果最差。
直接从三段检测区域的管道特征上来看(见图3),1#-2#传感器间为一段直管,3#-4#传感器间存在1个法兰和1个阀门,而2#-3#传感器间有一个法兰、2条焊缝、2条支路、1个阀门,并存在变径情况。由于这些特殊结构的作用,裂纹信号在传感器接收到之前,由于反射、折射及模式转换等,能量可能会出现较大衰减,两传感器接收到的很可能已经不是同一模态的声发射波,这些均会导致对缺陷定位的误差。此外,在对处于不同检测区域的裂纹进行定位时,我们采用的是同一声速,而实际检测过程中,由于不同检测区段内的管道表面状态、尺寸及特殊结构等条件的不同,波的传播速度也不完全相同,甚至会出现较大差异。采用相同的波速进行计算,也会引起一定的定位误差。
3 检测实例及结果分析
3.1 声发射管道裂纹检测的定位误差补偿
对第二、三处模拟裂纹定位时产生了较大的误差,其原因主要是检测区域内的特殊管道结构引起的复合波时差测量误差,以及由此带来波的传播速度的改变。对于这两种误差,本文主要采用如下方法进行了修正。
3.1.1基于定时参数的定位补偿
应力波在固体中传播,遇到不同界面时会发生反射、折射及波型转换,同时还会发生衰减和叠加等现象。如果检测区域两端的传感器接收的是来自同一声源中不同模态的应力波,那么所测的时差必然会产生一定的偏差,由此将引起定位的误差。为了减少这种误差,应根据不同检测结构确定不同的定时参数。定时参数是指撞击信号测量过程的控制参数,包括:峰值鉴别时间(PDT)、撞击鉴别时间(HDT)和撞击闭锁时间(HLT),如图5所示。
以HLT为例,为避免测量反射波或迟到波而设置的关闭测量电路的时间间隔,可设置系统在锁定的一段时间内不处理任何撞击信号,以防止噪声的干扰,如图5(c)所示。HKT足够长,可消除噪声干扰,但太长也可能将真正的信号当成噪声干扰滤除。因此,定时参数的设置将直接影响到对声发射源的定位精度。
本文根据不同管道检测区段的管道特征及声发射波在通过这些结构的衰减率,对三段不同的检测区域分别设置了定时参数。
3.1.2基于实测波速的定位改进方法
声波的传播速度是声发射源定位计算中的重要参数,其不确定性会对源定位精度产生一定影响。目前,声发射仪在进行定位计算时,一般采用工程手册推荐的特定模态声发射波的传播速度,如不锈钢结构中纵波的传播速度为5 600~7 500 m/s。当管道结构较复杂时,受管道特征的影响,虽然管道材质相同,但声发射波在不同区段的传播速度是不同的,实际测量声速的方法充分考虑了管道材质的不均匀性及特殊结构等方面的影响,因此能真实地反映声发射波在结构中的传播及衰减特性。经实际测量波速后,本文将用于三处裂纹定位计算的波速分别确定为7 000 m/s,4 300 m/s和5 615 m/s。
3.1.3基于衰减补偿的定位改进方
声发射定位实验中,当被测件的结构较复杂时,可能由于衰减过大而使某种模态的声发射波低于检测门槛值而无法触发传感器,因此,在检测过程中需测量构件的衰减曲线,以便对定位结果进行补偿。
图6为实验管道的衰减补偿曲线。由图可看出,0~1 800 mm范围内(1#-2#传感器检测区域),信号的衰减较小,约为-8 dB;1 800~4 000 mm(2#-3#传感器检测区域)和4 000~5 400 mm范围内(3#-4#传感器检测区域),信号衰减较快,有些区域出现了-25 dB/m的高衰减情况。
对不同检测区域采用距离-幅度衰减曲线进行补偿,可对焊缝、法兰、支路等特殊管道结构对定位造成的负面影响进行补偿,避免漏定位。
采用上述方法对定位结果进行补偿,并根据不同的实测声速对各点位置进行重新计算后,定位的精度提高,表2为补偿后的模拟裂纹定位结果。
3.2 结果分析
本文通过实验对管道裂纹产生的声发射信号在管道中的传播和衰减情况进行了研究,验证了不同的管道特征对声发射信号传播及衰减特性的影响,得出结论:
(1)用于管道腐蚀及裂纹检测的理想声发射传感器的共振频率为10~40 kHz。检测时传感器的布置间距一般随管道的具体状况而定。如果管道状况较理想(空管道、不埋地),传感器间的布置距离就可适当延长。
(2)声发射信号通过法兰、焊缝、三通等管道特征时,会有不同程度的衰减。本实验中,每过1个法兰会有10 dB左右的幅度衰减;每通过一条环形焊缝,会有3 dB的衰减。弯头和三通等结构会对试验结果造成一些问题并导致错误的定位。不过,如果将弯头和三通用作传感器的安装位置,这些问题可以避免。
(3)管道直径的改变对声发射信号的传播影响不大。
(4)前一次断铅与下一次断铅之间的时间间隔较小时,前一次的反射波会对下一次断铅产生波的叠加,这种情况在管道较长时更明显。因而,可能导致第二次断铅信号的幅值增大。本文的实验中,虽然管道不长,但由于管道特征较复杂,波的反射较多,断铅停止一段时间后仍会有新的声发射信号撞击数出现。
参考文献:
[1] RAE M, LEE J H. Acoustic emission technique forpipeline leak detection[J].Key Engineering Materials,2000, 186(4): 888-892.
[2] MILLER R K, POLLOCK A A, FINKEL P, et al.The development of acoustic emission for leak detec-tion and location in liquid-filled, buried pipelines[J].Journal of Acoustic Emission, 2001, 32(2): 245-256.
[3] LIANG Jia-hui. Piezoelectric transducers for acousticemission testing[J].Nondestructive Testing, 2002,24(12): 526-531.
[4] REWERTS L E, ROBERTS R A, CLARK M A. Dis-persion compensation in acoustic emission pipeline leaklocation[J]. Review of Progress in Quantitative Non-destructive Evaluation, 1997, 16(4): 427-434.
[5] SUN Li-ying, LI Yi-bo, QU Zhi-gang, et al. Study onacoustic emission pipeline leakage detection based onEMD signal analysis method [J]. Piezoelectrics andAcoustooptics, 2008,30(2):239-241.
[6] ROBERTS R A, REWERTS L E, CLARK M A. Therole of propagation characteristics in acoustic Emissionpipeline leak location[J]. Review of Progress in Quan-titative Nondestructive Evaluation, 1998, 17(5):501-508.
本文作者：孙立瑛 李一博 王伟魁 杜 刚 靳世久
