石油与天然气化工  2019, Vol. 48 Issue (1): 104-108
油气储罐缺陷的声发射无损检测定位精度优化
申林 , 侯东明 , 齐红元     
北京交通大学机械与电子控制工程学院
摘要:为实现油气储罐罐体损伤部位声发射信号源的精确定位,提出一种优化定位方法。该方法对基于时差定位算法主要影响因素(噪声干扰、信号衰减、波速变化、传感器布置以及尺寸效应等)的影响机理进行理论分析,然后找到声发射源定位算法与各影响因素之间的对应关系,完成相应源定位参数的优化设置,最后以罐体部分区域为研究对象,分别对源定位参数优化设置进行对比试验验证。实验结果表明, 该优化定位方法通过对各影响因素对应的参数优化设置,能有效地减小油气储罐中声发射源定位的误差, 提高其声发射源的定位精度, 为反演声发射源提供了一种有效途径。
关键词声发射    定位方法    定位精度    影响因素    参数优化    
Optimized method of acoustic emission nondestructive testing location precision based on oil and gas tank
Shen Lin , Hou Dongming , Qi Hongyuan     
School of Mechanical Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing, China
Abstract: In order to achieve accurate location of acoustic emission (AE) sources in oil and gas tank, an optimized location method is proposed. The theoretical analysis of the influence mechanism of the main factors, such as noise interference, signal attenuation, wave velocity variation, sensor layout and size effect etc. based on the TDOA location algorithm is carried out. Then the correspondence between AE location algorithm and various factors is found, and the optimal settings of the corresponding source location parameters are completed. Finally, a part of oil and gas tank steel plat is taken as the research object, and the optimal settings of the source location parameters are verified by comparative experiments. The experimental results show that based on the parameters settings optimization corresponding to the influencing factors, the optimized locating method can effectively reduce the AE source location error in tank steel plat, improve the location precision of the AE source, and provide an effective method for the inversion of AE sources.
Key words: acoustic emission    location algorithm    location precision    influence factor    parameter optimization    

油气储罐作为液化石油气的常用存储设备,其对质量的要求相当高。液化石油气储罐多在易燃易爆、腐蚀性工况下工作,其罐体由于疲劳、泄漏、腐蚀、开裂等导致的安全事故在国内外时有发生,因此如何进行高效、精确的油气储罐检测成为亟待解决的问题[1-4]

早期罐体检测方法有脉冲涡流探伤、漏磁检测、探测球检测、分段试压及超声层析成像检测等[5-7]。随着现代控制理论在工程上的应用,出现了泄漏声波法,负压力法及频率响应法等[8-9]。脉冲涡流检测易受温度等外界因素的影响,且检测仪器放置位置的遮挡也会影响测量精度;实际的罐体漏磁检测数据采集量极大,对数据的筛选与分析十分困难;探测球虽然检测精度高、适用性广,但若压差较小则难以识别;超声层析成像技术检测精度高,但需去除外部隔离层,保证罐体完全外漏,且检测周期长,操作不便。声发射技术(Acoustic Emission,简称AE)作为一种在线的动态检测方法,可以利用来自缺陷本身的声发射信号,对油气储罐损伤泄漏的存在状态进行连续的实时监测,通过对实验数据的分析,提取反映损伤特征状态的声发射信号参数,可以分析疲劳损伤萌生的时间,探寻损伤随时间扩展的变化历程[10-13]

如何提高声源的定位精度、最大限度地减少漏定位和伪定位, 是声发射检测与评定结果的关键。通过对声发射技术理论及实验研究成果、现场声发射检测的经验, 以油气储罐中部分区域作为研究对象,为分析计算方便,将其周向展开,并对声发射检测中的声源定位问题进行探讨, 并提出相应的优化方法。

1 声发射源定位原理及误差机理分析
1.1 定位原理

由于油气储罐为大半径空心储罐,故在分析时通常将其弧面展开,采用平面时差法定位,如图 1所示。在布置3个传感器的平面声发射源定位中,可以获得3个传感器接收到的声发射信号及到达次序、到达时间,并计算得出两组时差[14-16],计算如式(1)~式(2)。

$ \mathit{\Delta }{t_2} \cdot v = {r_2} - R $ (1)
$ \mathit{\Delta } {t_1}\cdot v = {r_1}-R $ (2)
图 1     试验区域罐壁平面展开示意图 Figure 1     Schematic diagram of tank steel plat in test area

式(3)、式(4)表示经过声发射源的两条双曲线,其交点即为声发射源所在位置, 如图 2所示。

$ A{R_1} = \frac{{\frac{1}{2} \cdot D_1^2-\mathit{\Delta } t_1^2{v^2}}}{{\mathit{\Delta }{t_1} \cdot v + {D_1}{\rm{cos}}(\theta-{\theta _1})}} $ (3)
$ {R_2} = \frac{{\frac{1}{2} \cdot D_2^2-\mathit{\Delta } t_2^2{v^2}}}{{\mathit{\Delta }{t_2} \cdot v + {D_2}{\rm{cos}}({\theta _3}-\theta )}} $ (4)
图 2     4个传感器发射源平面定位原理 Figure 2     Plane localization principle of four secsors acoustic emission source

设由传感器S1、S3之间的时差Δtx所求双曲线为1,由传感器S2、S4之间的时差Δty所求双曲线为2,且传感器S1与S3、S2与S4之间的距离为分别为abv为声波在介质中的传播速度,则由几何关系可知,声发射源就位于双曲线1、2的交点Q(x, y)。

表征损伤位置的声发射源Q(x, y)可由式(5)~式(7)求得:

$ \left\{ \begin{array}{l} {L_x} = \mathit{\Delta } {t_x} \cdot v\\ {L_y} = \mathit{\Delta } {t_y} \cdot v \end{array} \right. $ (5)
$ x = \frac{{{L_x}}}{{2a}}\left[{{L_x} + 2\sqrt {{{\left( {X-\frac{a}{2}} \right)}^2} + {Y^2}} } \right] $ (6)
$ y = \frac{{{L_y}}}{{2a}}\left[{{L_y} + 2\sqrt {{{\left( {Y-\frac{b}{2}} \right)}^2} + {X^2}} } \right] $ (7)

以上公式推导都是在理想均匀材质条件下得出的,即声波在均匀介质中以恒定速度传播,各个通道之间的时差准确,根据解析几何关系进行推到得到的声源位置。但是在实际工程应用中,源定位精度会受到各种外界因素的干扰。

1.2 误差机理分析

通过对储罐侧面展开定位原理的公式推导,可以看出影响源定位精度的因素包括两个方面,即波在介质中的传播速度和各个通道接收到的时差的准确性[17]。针对这两个方面,下面分别对各自的影响因素进行分析,从而实现源定位精度误差分析。

1.2.1 时差测量误差

计算各通道之间时差的关键就是要得到各个通道信号的达到时间,通常把首次超过阈值时间、峰值时间或n次振铃时间等作为信号到达时间。在声发射采集系统中,传感器采集到声发射源发出的脉冲信号如图 3所示。

图 3     典型声发射波形 Figure 3     Typical acoustic emission

影响时差准确性的因素主要包括噪声干扰、信号衰减、尺寸效应、材料局部结构缺陷等,而声发射信号的衰减特性也在一定程度上影响了声发射源定位的准确度。如果存在噪声干扰,或当噪声较大或者门槛较低时,声发射系统也会把噪声当作有用的声发射信号进行处理,从而给信号到达时间的判断带来误差[18-20]

1.2.2 波速测量误差

波的传播速度与介质的弹性模量和材料密度有关,在均匀介质中,纵波与横波的速度可分别用式(8)、式(9)计算:

$ {v_1} = \sqrt {\frac{E}{\rho }\frac{{1-\sigma }}{{\rho \left( {1 + \sigma } \right)(1-2\sigma )}}} $ (8)
$ {v_{\rm{s}}} = \sqrt {\frac{E}{\rho }\frac{{1-\sigma }}{{2\left( {1 + \sigma } \right)}}} = \sqrt {\frac{G}{\rho }} $ (9)

式中:v1为纵波速度,m/s;vs为横波速度,m/s;E为杨氏模量,MPa;G为切变模量,MPa;σ为泊松比;ρ为密度,g/m3

各种类型的弹性波在不同传播介质中的传播速度也各不相同,从式(8)和式(9)可看出,材料的结构、形状、尺寸、各项异性和内部介质属性等都会对弹性波的传播速度产生一定的影响。在实际工程应用中,通常通过多种原位测试手段,根据不同的测点间距来测量弹性波的实际传播速度。

2 试验验证
2.1 试验装置选择

试验用声发射设备为美国物理声学公司(PAC)生产的PCI-E声发射系统(见图 4)。主要由前置放大器、声发射传感器、声发射卡、声发射采集软件(AE-win)4部分组成。

图 4     PCI-E声发射系统 Figure 4     Acoustic emission system PCI-E

声发射系统的作用是把传送到物体表面的弹性波变换成电信号,不同材料发出的声发射信号的频率相差很大,本试验选择最适合储罐材料的峰值频率为30 kHz的R3a传感器。为满足信号处理的需要,本试验选择增益为40 dB放大器,选择20~400 kHz的滤波范围。试验对象为油气储罐罐体部分区域,范围为150 cm×150 cm,如图 5所示。

图 5     储罐试验区域 Figure 5     Tank steel plat in test areas

2.2 试验内容及步骤

经传感器耦合质量检测确认后,进行波速值测量。首先通过设置不同门槛值,在罐壁试验区域中心位置进行断铅试验,测试噪声对定位精度的影响;然后来通过更换传感器的布置位置,探究信号衰减、尺寸效应等因素对定位精度的影响;最后对储罐壁进行破坏,探究结构缺陷、传播方式对定位精度影响。在所选试验区域的3种传感器布置方案如图 6所示。

图 6     试验区域的3种传感器布置方案 Figure 6     Three Layout schemes of three sensors in test area

3 试验结果分析

分析波速对定位精度的影响(布置方案1)。根据材料声学矩阵测量结果,计算出波速在金属储罐中传播的平均值为4 437 737.6 mm/s,并以测得的实际波速均值为系统定位设置波速,其比理论波速定位精度高,能够在一定程度上避免由于材质不均匀、结构缺陷等造成的影响,进一步提高定位精度。

分析传感器布置对定位精度的影响(试验门槛45 dB)。本次试验分别以3种布置方案进行断铅试验,分别进行5组试验,其测量结果见表 1

通过对比表 1中3种传感器布置方案下传感器采集到脉冲信号的位置坐标可以发现,布置方案1的误差值较大,并且其误差波动也较大;而布置方案3试验结果则较为满意,其偏差距离均小于布置方案1的最小值0.98 cm,且其定位精度也较为理想,5组试验中最小偏差距离仅为0.36 cm。说明不同布置方案的传感器得到脉冲信号的定位精度也各不相同,各传感器与信号源距离越远,信号衰减越大,则定位精度越差;传感器越靠近边缘,定位精度相应地也会变差,合理的传感器布置位置可以在一定程度上克服信号衰减、尺寸效应等因素对定位准确性的影响。

分析结构缺陷对定位精度的影响(布置方案1,试验门槛45 dB)。本次试验选择同一储罐罐壁已知损伤区域(腐蚀)来研究其结构变化对定位精度的影响, 分别以完好罐壁区域、同样大小的损伤罐壁区域进行断铅试验,设损伤罐壁试验为定位组1,参照完好罐壁试验为定位组2,其测量结果见表 2

由于储罐损伤部位范围较大,故采用布置方案1中传感器位置作为对照试验。从表 2可以看出,罐壁在被破坏后,其内部结构也发生了相应的改变,则其定位精度就大大降低。破坏后的储罐失去了其原有的性能,由于罐壁的不均匀变形,其内部会产生一定的残余内应力,导致弹性波在罐壁中的传播路径及传播速度发生改变,使得波速场定位产生诸多干扰因素,导致定位误差增大。

表 1    不同布置方案定位精度比对 Table 1    Location accuracy comparison of different layout schemescm

表 2    损伤区域与完好区域定位精度比对 Table 2    Location accuracy comparison between intact area and damaged areacm

试验说明在金属材料中进行声发射定位时,为保证定位精度,应尽可能地保持材料的完整性及均匀性。在后续的试验中,可以探寻不同损伤位置和损伤大小对定位精度的影响,为已破损金属部件损伤位置精确定位提供帮助。

4 结论

通过对油气储罐的声发射源定位原理及误差机理分析,得到影响声发射源定位精度的主要参数,对主要参数进行分析后,得出影响参数准确性的关键因素,然后通过试验设计,完成试验验证,最后对试验结果进行分析得出提高油气储罐声发射无损检测定位精度的优化方法。本次研究主要结论如下:

(1) 通过合理门槛值的设置来提高各通道时差的准确性。能够在一定程度上克服门槛值过低导致噪声影响时差准确性以及门槛过高导致由于信号较弱而错漏的情况,从而提高时差计算的准确性,实现定位精度优化。

(2) 通过合理布置传感器的位置及数量来优化定位精度。合理的传感器布置位置可以在一定程度上克服信号衰减、尺寸效应等因素对定位准确性的影响,合适的传感器个数可以减小伪信号源对定位位置分析的干扰,并最大限度地节约成本,从而提高时差计算的准确性,实现定位优化。

(3) 试验材质的完好性也是影响定位精度非常重要的因素,所以在实验室研究前一定要检查材质质量,以及在试验过程中保持试验材质的完好性,从而提高时差计算的准确性,实现定位优化。

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