压力管线缺陷声发射信号频谱特性试验

    1 引 言

    压力管道发生泄漏时会产生沿管道传播的连续型声发射信号, 通过对声发射信号的分析处理能确定结构的某些特征, 如漏孔位置和大小等[1]。为了使声发射技术更好地用于管道的泄漏检测, 国内外许多科学工作者对管道泄漏声发射进行了大量的研究工作, 使泄漏声发射技术得到较好的发展, 对泄漏声发射信号的分析处理也从参数分析为主转向相关分析、神经网络、模态分析、小波分析等新的处理方法[2]。

    通过各种方法了解泄漏声发射信号的频谱特性是目前研究的主要方向之一。但由于泄漏声发射信号的产生、传播和检测受到泄漏孔径大小和形状、介质压力、传播路径、传感器特性、环境噪声等多种复杂因素的影响, 使得泄漏声发射技术的理论研究比较困难, 目前一般以实验研究为主[3]。文献[4] 报导塑料管道水泄漏信号的主频率在 5Hz~50Hz, 而铸铁报导无缝钢管气流泄漏信号的主频率在 20Hz 左右。本文主要通过充液压力管道泄漏声发射监测实验, 利用小波变换对实验测试信号进行分析来研究泄漏声发射信号的频谱特性, 为声发射技术在压力管道泄漏中的应用打下基础。

    2 实验部分

    对充液压力管道泄漏声发射信号检测的实验装置如图 1 所示。以水为实验介质, 循环回路由水箱、泵、连接管道、阀门及泄漏管道组成, 在泄漏管道前、后两端均用软管连接以消除泵振动对测试的影响,由转子流量计和压力表测量泄漏管道的流量和压力, 其大小由阀门调节控制。

    实验泄漏管道为 Φ108×5 的碳钢管道, 在泄漏管道中间部位设有带孔螺钉, 通过更换带孔螺钉改变泄漏孔大小。实验时, 泄漏孔朝下, 在泄漏孔上方安放声发射检测探头, 然后连接前置放大器和声发射仪。声发射仪检测参数设为: 增益为 35dB, 门槛值20dB, 波形录取采样频率为 10MHz。

    对 1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm 八种规格的泄漏孔直径及 600L/h、800L/h、1 000L/h、1 200L/h、1 400L/h、1 600L/h 六种流量进行组合实验测试。

    3 数据处理

    由于泄漏声发射信号的频带很宽, 频率组成相当丰富, 故利用小波变换对泄漏信号进行频谱分析。通过把声发射信号分解到不同的频率通道, 可以获取在不同的频带上被分析信号中的不同频率成分的特征。本文采用 db5 小波基对泄漏信号进行 6 级小波分解。

    以总流量 1 000L/h 为例, 将孔径 1mm~8mm泄漏声发射信号进行小波变换, 以孔径 4mm 为例,将总流量 600L/h~1 600L/h 泄漏声发射信号进行小波变换, 各典型信号的频谱图如图 2~图 11 所示。频谱图中为每个分解尺度对应的频谱信息, 图中标注的 a 和 d 分别表示经过小波分解后得到的低频信号和高频信号, a 和 d 后面的数字表示小波分解的级数。将各级的幅值平方在频率长度上的积分记为该级的能量, 则各级能量占总能量的比例如表 1 和表 2 示。