吴猛猛，董秀臣，孙 团

(海军潜艇学院，山东 青岛 266199)

舰船上的管路纵横交错，阀门成百上千，这些管路阀门的状态是舰船各系统安全运行的基础。一旦管路阀门发生泄漏，将会对设备及系统的正常运行和指示带来严重的危害，尤其是一些关键管路阀门(如蒸汽管路、核反应堆管路、液压管路、高压气管路等)。例如，美国三里岛核事故的发生，其中一个很重要的原因就是稳压器的释放阀内漏。阀门的泄漏分为外漏和内漏，其中内漏更不容易检测，因此，阀门内漏检测成为研究热点。阀门泄漏的检测方法包括气泡测定法、质量平衡法、温度检测法、负压波法和声发射法等，其中声发射检测方法具有在线、快速、动态、经济及环境适应性强(特别是针对一些高温、辐射、不易接触的管路阀门)等优点，且不会破坏阀门的完整性。因此，声发射检测方法成为目前阀门内漏检测的主流方法和研究热点。

国外从20世纪60年代起开展了利用声发射技术检测阀门泄漏的研究[2]，目前部分研究成果已经得到了应用。2010年，Kaewwaewnoi等[3-4]对声发射信号特征参数与泄漏率之间的关系进行了研究；2012年，E.Mland等[5]对阀门内漏的声发射信号的处理方法进行了研究。在国内，戴光等[6-7]利用数值模拟和实验研究的方法对阀门内漏进行了声学检测；杨晶等[8]在阀门泄漏故障的可视化方面做了探索；胡新等基于声发射技术开发了阀门内漏的在线检测系统；高倩霞等[9-10]利用最小二乘法和自适应滤波除噪对阀门泄漏的声发射信号进行处理，并进行了工程验证。然而，目前对于舰船管路阀门的内漏尤其是微小内漏还缺乏深入研究。因此，如何基于声发射技术对舰船管路阀门内漏进行检测亟待研究。

本文对阀门泄漏的声发射检测技术的检测原理进行了分析，在实验室条件下搭建阀门泄漏声发射检测平台，并对不同泄漏工况下的声发射信号进行采集、处理和分析，得到阀门内漏声发射信号的特征参数，验证利用声发射信号检测阀门内漏的可行性。在此基础上，对下一步舰船管路阀门的内漏检测工作提出了几点建议。这对实现舰船管路阀门工作和运行状态的远程、实时和无损监测具有重要的参考价值。

1 阀门内漏的声发射检测机理

声发射(AE)是指材料中局域源能量快速释放而产生瞬态弹性波的现象。材料在应力作用下的变形和断裂是主要的声发射源。另一类与断裂机制无直接关系的弹性波源(如流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等)为二次声发射源[11]。阀门泄漏声发射信号属于二次声发射源，具有以下特点：① 阀门声发射信号是由阀门泄漏时，管道内输送的介质(气、液、蒸汽等)在阀门泄漏处喷射，介质撞击管壁激发的弹性波，是一种连续型声发射信号；② 泄漏声发射信号与介质种类、阀门类型、泄漏孔径的大小形状、阀门两侧的压差及泄漏量等因素有关，属于一种非平稳随机信号。阀门泄漏的声发射信号易受到舰船背景噪声的干扰，因此对背景噪声的抑制或消除、信号的处理和识别要求较高，同时对检测设备也有很高的要求。

声发射(AE)检测方法就是通过对阀门泄漏所发出的声发射信号的采集、记录和处理，进而判断阀门的泄漏状态或用于量化评价阀门的泄漏量(率)，如图1所示。在阀门泄漏率量化方面，一般通过阀门泄漏声发射信号的特征参数进行估算，主要特征参数包括有效值电压(AERMS)和平均信号电平(ASL)等。AERMS是指采样时间内声发射信号的均方根值，单位为V，计算公式为

(1)

式中:T为采样时间，对于泄漏检测，一般为0.5～5 s；V(t)为与时间有关的电压值。

图1 声发射检测阀门内漏原理

ASL为采样时间内声发射信号电平的平均值，单位为dB，计算公式为

(2)

式中，Pre为前置放大的增益，单位为dB。

研究表明，有效值电压(AERMS)和平均信号电平(ASL)与阀门内漏的泄漏率相关，估算公式[3]为

(3)

由于偶极子和四极子声源是射流紊流场的主要噪声场，将偶极子声源引入式(3)，得到阀门的泄漏声发射均方根值AERMS的计算公式为

(4)

式中:C1表示AE传感器、阀门材料、信号增益等影响的流体参数；α为流体内的声速；ρ为流体密度；D为阀门尺寸；Q表示体积流速；ΔP表示通过阀门的压降；P1表示进口压力；Cv表示阀门的流动系数；S表示流体的特定黏度。

2 阀门内漏检测模拟及声发射检测实验

图2为阀门泄漏模拟及声发射检测装置示意图。该装置主要由阀门泄漏模拟系统和泄漏信号检测装置两部分组成。其中，阀门泄漏模拟系统主要由水箱、水泵(手动泵、电动管道泵)、蓄压器、阀门等组成；泄漏信号检测装置主要由声发射传感器、前置放大器、信号采集卡以及计算机等组成。

图2 阀门泄漏模拟及检测装置示意图

2.1 阀门泄漏模拟系统

阀门泄漏模拟系统的基本原理是通过将管路内充满水，提高水的压力以模拟不同压力下阀门的泄漏。同时，在待测阀门的在阀芯密合面加工一定深度的划痕，对于不同的划痕深度，阀门的内漏量是不同的，从而模拟不同泄漏量情况下声发射信号的变化。

本系统采用手动泵作为管道的增压设备，其最高工作压力为4 MPa，实验压力从1～3 MPa变化，模拟不同压力下阀门泄漏声发射信号的变化。电动管道泵用于预先为装置内的管路内充满水，排出其内空气，管道泵工作电压为220 V，采用防水开关控制其启动和停止。蓄压器用于保持管路内的压力稳定，减小压力波动。蓄压器采用囊式蓄压器下部与装置管路连接，容积为2.5 L，最高可承受压力为10 MPa。蓄压器内预先充入2.5 MPa的氮气，以缩短泵压时间。待测截止阀以J41H- 40C国标截止阀为基础改造而成，通径为DN50，阀芯改为铜制。装置内的管路采用无缝钢管焊接而成，连接处采用钢制法兰连接。截止阀两侧管路采用DN50，其余管路直径为DN20，管路直径变化处采用锥面过渡处理。

2.2 阀门泄漏检测装置

阀门泄漏检测装置的工作原理是通过声发射传感器将阀门发出的机械波信号转换为连续的电信号，并通过前置放大器将这一电信号放大后传输给检测装置的主处理器，经处理、存储后等待后续的信号显示、处理和分析。

本实验采用的检测装置为美国声学公司PAC生产的声发射检测仪器，其中，传感器为R15a型传感器，固定在待测阀门的中间位置；前置放大器为20/40/60 dB类型放大器，可实现信号的20/40/60 dB三种增益；信号采集卡为PCI-2双通道数字采集处理板，其具有低噪声、40 MHz/18-bit实时采集转换、实时AE特征提取、内置波形处理、内置AE数据流等特点。采集后的信号输入计算机，可由AEwinTM软件进行AE信号和波形的处理、显示、快速储存和重放，并可选择和查看多个2-D或3-D的实时AE特征以及绘制活动波形曲线。

2.3 实验结果及分析

图3给出了测得的内漏阀门声发射信号，可见阀门泄漏的声发射信号具有如下特点：① 泄漏的声发射波的频谱具有很陡的尖峰，为检测泄漏提供了有利条件；② 泄漏产生的声发射信号比较大，且大小随着泄漏率的增大而增大；③ 阀门泄漏的声发射信号为连续型的非平稳信号。

图3 阀门泄漏的声发射信号特征

图4给出了经小波分析处理后的声发射信号，图中可见小波分析方法是目前处理阀门内漏声场信号的有效方法。经过分析后的阀门的内漏声场特征比较明显，可以显示出阀门的泄漏状态，并且阀门存在2次截流点，形成2处喷流噪声源。

图4 小波变换处理后的泄漏信号

3 结束语

本文主要分析了基于声发射技术阀门内漏检测的方法机理，综述了国内外的相关研究进展，并在实验室条件下，实际测量了阀门内漏的声发射信号，用小波分析的方法获取了阀门内漏的特征。为将声发射技术推广应用于舰船阀门的在线检测中，笔者建议开展如下几项工作：

1)出台阀门内漏声发射检测的标准。目前国内外虽然有声发射检测的相关标准，但阀门内漏的检测标准还主要是以气泡法为主，因此阀门内漏声发射检测的标准亟待出台，这对于舰船管路阀门的内漏检测具有指导作用。

2)对阀门泄漏信号的分析与特征提取方法进行深入研究，尤其是复杂背景噪声下阀门的微量内漏。下一步应结合舰船阀门的实际类型、使用工况、布置环境等因素进行综合分析，探索在舰船舱内复杂背景噪声下如何提取有效的声发射信号特征。

3)开展大量实验和实艇测试，建立阀门内漏声发射检测特征参数的数据库，结合数据融合、人工智能等技术，研制舰船管路阀门内漏的便携式智能声发射检测仪或实时监测仪，这对于舰船管路阀门泄漏监测、阀门故障的预防性维修以及保障舰船运行的安全性和战斗力具有重要意义。