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一种舰船气体泄漏的声发射检测方法

发布日期:2019-09-19 08:52    浏览次数:

       0 引言

      舰船上存在大量用于存储压缩气体的压力容器和输送压缩气体的管道,尤其以管道居多。由于松动、老化等原因造成密封不严使得管道易发生气体泄漏,影响设备和系统的正常运行,如不及时处理,可能造成更严重的后果,甚至威胁舰船生命力。传统的泄漏检测方法如气压法和气泡法等操作复杂、对技术人员要求较高,并且不具有实时性检测泄漏气体的优势,影响检测效率。因此,选择合适的检测方法,实现快速、准确的泄漏检测对保障舰船生命力具有重大的现实意义与实用价值。
     本文提出一种声发射检测方法,介绍了其检测原理,设置了几种形式泄漏试验,最后通过试验结果总结泄漏信号特征,分析验证声发射检测法的可行性。
      1 传统气体泄漏检测方法
      根据检测原理的不同,气体泄漏检测方法分为许多种,常用的方法包括气泡法、气压法、流量法、卤素法和氦质谱法等。
     (1) 气泡法
      对于任何能在漏孔两侧产生压力差的被检件都是适用的。对被检件充气加压后,在被检件低压端一侧需要检测的部位涂刷显示液体,观察有无气泡产生。在涂刷显示液时,让液体慢慢流到被检部位,以防止液体本身产生气泡。抽真空法是在需检测部位涂刷显示液体并在其上放置真空罩盒,真空罩盒与被测件结合部位用橡胶垫或真空封泥密封,对真空罩盒抽真空后,仔细观察检测部位是否有气泡冒出。
    (2)气压法
     气压式泄漏检测法是将被测件密封,充入干燥的压缩空气,达到规定的压力后,测量工件内气体压力参数的变化量,通过压力传感器测量气体的泄漏情况。检测结果准确、可靠,该方法经济实用,可以实现自动化在线检测,生产效率高。
    (3)流量法
    测量工件与压缩空气气源保持连接。当有外泄时,工件内部将不断有气体流过,通过测定气体的流量以确定工件的泄漏情况。
    (4)卤素法
     利用卤素气体在高温时会分解产生阳离子使电极导电性增强的原理,将混有卤素的空气气体送入被测件,如果工件发生泄漏,混有卤素的气体将进入电极,使电极间阳离子增多,离子流增高,通过电表指示发现卤素泄漏。
   (5)氦质谱法
    将混有氦元素的压缩气体充入被测件,并将被测件放入密封容器。通过氦元素检测装置测量密封容器里氦元素的含量来分析被测件泄漏量的大小。这种方法的测量精度比较高,一般用在高精度场合。综上所述,以上方法一般需要将被测对象与专用设备连接或搭建试验台架后进行检测,来判断被测对象是否泄漏。舰船内布置有大量的带压气体管路和耗气设备,而舰船气体泄漏多发生于接头和法兰等密封处,舰船气体泄漏检测往往不需定量检测,而是定性找出泄漏部位,之后及时修复保障舰船安全运行。目前常用的检测方法中只有气泡法适合,但是用气泡法所需时间长,对检测人员的经验要求较高且效率低;而其他方法需要搭建测试台架,不能适用。气泡法也是目前舰船气体泄漏的主要检测方法。因此,迫切需要一种适用于舰船气体泄漏检测并快速定位泄漏部位的检测方法。
     2 声发射泄漏检测方法
     2.1 声发射现象
     一个充满某压力气体的容器,一旦容器有漏孔出现,气体就会从漏孔冲出,当漏孔很小时,冲出气体就会形成湍流,湍流在漏孔附近会产生一定频率的声波,称为声发射现象,如图1 所示。
       泄漏点压力P与漏孔口直径D决定了声波的声压级L。著名学者马大猷教授提出了如下公式:
      由此可见,与漏孔距离一定时,泄漏声波声压级随漏孔尺寸和泄漏压力而变化。当漏孔很小时,频谱分析表明,各频率点对应的声压级大小不同,声压级最大值对应的频率较高,一般大于20 kHz,即为超声波。舰船气体管路接头和法兰等密封处发生泄漏时,等效漏孔尺寸不可能很大,因此这种泄漏也会产生超声波。
     2.2 检测原理
     对于舰船内大量的气体管路,管路上的某处发生泄漏时,声发射现象产生的超声波在空气中传播具有方向性,且随离漏孔距离增加而迅速衰减,越靠近泄漏部位,超声波声压级越强,而在其他管路处检测到的声压级将十分微弱,通过检测这种超声波声压级的变化可确定泄漏部位。定义声压级信号的均方根值 RMS 为:
 
     式中:n 为一段时间内测点数目;Li 为一段时间内测得的各声压值; L 为一段时间内的声压均值。
     由式(2)可知:某部位发生泄漏后,Li增大;正对泄漏部位时li 最大,使得到RMS 值最大。此外,由带通滤波器原理可知,当其中心频率与泄漏信号频率接近时,得到的RMS 达到最大值;反之中心频率与泄漏信号频率相差较大,得到的RMS 将很小。因此,通过比较RMS 值可确定泄漏部位,并得到泄漏信号最大声压级对应的特征频率。
     3 试验台架
     3.1 泄漏试验对象
     设置以下 2 种泄漏对象(图2)进行泄漏试验:
   (1)泄漏模拟装置,可模拟不同压力(0.01 MPa~0.5 MPa)、不同直径圆孔(直径0.05 mm、0.2 mm)泄漏状态下的气体泄漏。
  (2)空气管路(压力3 MPa),从管路接头处模拟气体泄漏(舰船情况相似)
     3.2 检测仪
     依据声发射检测方法,采用手持式检测装置采集气体泄漏的超声波信号,主要包括多功能探伤仪和传感器,如图3所示,它能自动将检测到的声压级转化为RMS值,并实时显示于显示屏上,其工作频率为10 kHz~120 kHz。
     3.3 试验方法
     用探伤仪连接传感器后,调节探伤仪滤波器中心频率,依次从10 kHz 增加至120 kHz,每次调节后,在距离泄漏部位附近不同距离处移动传感器,当探伤仪上RMS 值达到最大值时记录数据,绘制RMS-中心频率曲线得到泄漏信号特征,如图4 所示。
     4 结果分析
     用泄漏模拟装置进行了不同压力、漏孔状态的试验,记录泄漏RMS 值,其中未泄漏RMS 记为0。试验结果如图5 所示。
     以上3种情况试验曲线相似,随滤波器中心频率增加,检测得到RMS值逐渐增大,RMS值最大时对应的中心频率均在39 kHz左右,之后随中心频率增加RMS值逐渐减小。由此可见,漏孔泄漏产生超声波声压级在中心频率39 kHz时最大,选择39 kHz频率超声波判断泄漏具有最灵敏的效果。用 3 MPa 空气管路模拟接头处泄漏,记录泄漏RMS 值,其中未泄漏RMS 记为0,试验结果如图6所示。
      试验结果表明:随滤波器中心频率增加,得到RMS值逐渐增大,RMS值最大时对应中心频率均在39 kHz左右,之后随中心频率增加RMS值逐渐减小。由此可见,管路泄漏产生超声波声压级在中心频率39 kHz时最大,选择39 kHz频率超声波判断泄漏具有最灵敏的效果。未泄漏时RMS值为0,接头泄漏后在其附近的RMS值明显增大,通过比较RMS值可以判断泄漏部位。
     5 结论
    (1)本文分析了目前气体泄漏检测方法的现状及其局限性,针对舰船气体管路特点,提出了一种声发射检测方法。气体泄漏产生声发射现象,通过检测这种现象产生的特定频率超声波信号来确定泄漏部位。
    (2)设置了几种不同形式的泄漏试验,得到了泄漏信号特征。结果表明,发生泄漏产生的超声波声压级最大对应频率是39 kHz,其他频率下声压级信号减弱。因此,可用声发射现象产生的39 kHz频率超声波来判断泄漏,具有最好的效果。
    (3)空气管路模拟泄漏试验表明,声发射检测法无需搭建检测台架,其判断直观迅速,不依赖人员经验,克服了传统方法的缺点,是一种适合于舰船气体泄漏检测的良好方法。
                                                            作者:唐 昉,谢江辉
                                                (武汉第二船舶设计研究所,武汉 430205)