基于小波包的阀门内漏声发射信号特征研究

蒋 鹏 李 伟 贾 鑫 贾招弟

(东北石油大学机械科学与工程学院)

阀门广泛应用于石化、冶金、航空航天及电力等领域，在实际使用中，对阀门的密封性要求很高。一旦阀门出现内漏，将引发严重的安全事故，因此使用无损检测方法及时、准确地发现阀门的泄漏，对避免重大安全事故的发生和保证安全生产、节省维修费用具有重要意义。

近年来声发射技术广泛应用于阀门内漏状态检测中[1，2]。声发射是指材料或构件内部因应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段或有裂纹形成和扩展、断裂时快速释放出应变能而产生瞬态应力波的现象[3,4]。声发射检测技术作为一种完整性评价方法，适用于在线连续监控检测，其结果直观、操作方便。正因为这些优点，声发射检测技术在阀门泄漏故障诊断中得到广泛应用。

1 阀门内漏声发射信号小波分析方法

1.1小波与小波包分析理论

由于泄漏声发射信号是一种非平稳随机信号，利用傅里叶变换分析无法解决时间和频率分辨率的矛盾[5]，而小波分析作为一种新的时频分析方法，它的多分辨率特点使其可以更加有效地实现信号的时域和频域的分析。小波在信号分析中的应用十分广泛，可用于时频分析、信号噪声的分离、信号的识别与判别及求分形指数等。

小波变换的含义为：将某一称为基本小波的函数ψ(t)做位移τ后，再在不同尺度a下与待分析信号x(t)做内积：

其中，X(ω)、ψ(ω)分别为x(t)、ψ(t)的傅里叶变换。

小波ψ(t)经过伸缩和平移后得到的一系列函数ψa，τ(t)称为小波基函数。

小波变换的多分辨率分析在时域和频域同时具有良好的局部化性质，是目前声发射信号处理中应用最广泛的方法之一[6]。小波包是小波分析的一种推广，可对频带进行多层次划分，并得到任意子带宽度的组合。因此可对小波分析未分析到的高频信号进行深层次的分解，以便提高时频分辨率。笔者对检测信号进行小波包分析时所选的是Daubechies小波基。

1.2小波包分析参数设置

声发射检测系统信号采样率为1MS/s，可检测信号频带范围0～500kHz。采用db10小波基将阀门内漏声发射信号进行5层小波包分解，得到[5，0]、[5，1]、[5，2]、…、[5，32]共32个小波包。由于气体介质阀门内漏声发射信号频率主要集中在0～200kHz，因此笔者选择1～13节点(编号为P1～P13)重点分析，各节点频率范围见表1。

表1 各节点频率范围

2 实验研究

实验所用的气体介质阀门泄漏故障模拟装置与声发射检测系统如图1所示。气体介质阀门泄漏故障模拟装置主要包括空气压缩机、被测阀门、压力表、气体流量计及气体增压机等。本实验采用PCI- 8型声发射检测系统作为泄漏声发射信号检测系统，该系统主要包括R3α传感器、2/4/6前置放大器、声发射数字采集处理卡及分析软件AEwin等。

图1 阀门泄漏故障模拟实验台与声发射检测系统示意图

声发射检测系统参数设定如下：

通道 8通道

门槛值 35dB

前置放大器增益 40dB

采样率 1MS/s

预触发时间 256μs

波形采集 打开

传感器类型 R3α型

传感器数量 4

采集参数 时间、幅值、能量及撞击等

实验前，首先对环境噪声进行采集，根据环境噪声的等级确定声发射实验门槛值，并在断铅模拟信号对传感器进行标定后开始检测。由于在被检阀门完全闭合时开启空压机声发射系统未检测到信号，因此安装在法兰上的传感器所采集到的信号为阀门气体内漏所产生的信号。实验由空压机将进口压力p增至0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0MPa时，分别采集泄漏量Q为1、3、5、7、9、11、13、15L/min工况下的声发射信号。

3 实验结果与分析

图2为实验所得阀门在进口压力0.2MPa、泄漏量5L/min时泄漏信号的时域波形图和频谱图。经分析，阀门在不同泄漏量与不同进口压力下产生的声发射信号各参数(如幅值、能量及频率等)大小随泄漏量和进口压力的不同而变化。该声发射信号为连续型。信号经过快速傅里叶变换后得到如图2b所示的频域波形图，可看出阀门内漏所产生的声发射信号频率范围主要集中在0～200kHz。

a. 波形图

b. 频谱图

通过对实验所采集的信号进行参量分析，可以得到阀门在不同进口压力和泄漏量下的声发射信号参数分布规律。现以阀门在进口压力0.5MPa、泄漏量5L/min时的实验数据为例，经处理后得到各特征参数与阀门的进口压力和泄漏量的对应关系如图3所示。

由图3可知：在阀门泄漏量增大和进口压力增加的过程中，其声源活性增强。声发射信号的各个相关参数也以不同幅度相应增加。能量在进口压力为0.2MPa时开始迅速增大，振铃计数也有上升趋势，但是相对比较缓慢，幅值随进口压力和泄漏量的增加逐渐增大，RMS值随进口压力的增加近似线性变化。由此可以看出声发射信号特征参数与阀门进口压力、泄漏量的变化成正比。将0.5MPa进口压力时不同泄漏量下的声发射信号RMS值按照lgRMS=blgQ+c进行拟合，得到b=0.4034，c=0.5248，进而建立阀门内漏声发射信号RMS值与泄漏率之间的函数，利用其函数关系可以实现阀门内漏状态的定量分析，函数曲线如图3d所示。

a. 能量、振铃计数随进口压力变化

b. 幅值随进口压力(泄漏量)变化

c. RMS值随泄漏率变化

d. RMS值与泄漏量的双对数关系

为进一步确定阀门内漏声发射信号的频率范围，并最终实现信号的有效识别，将采集到工况下的声发射信号按小波包进行能谱分析。由图4可知，泄漏量为5L/min时，阀门在进口压力为0.1～1.0MPa所产生的信号能量主要分布在P1～P5频带上，其频率范围为0.000～78.125kHz，在31.250～46.875kHz范围内能量比最高。从图5可知，进口压力为0.5MPa时，阀门在泄漏量为1～15L/min产生的信号的能量主要分布在P1～P7频带上，其频率范围为0.000～109.375kHz，在15.625～31.250kHz范围内能量比最高。

图4 阀门在泄漏量为5L/min时各工况下泄漏信号各频率段的能量比

图5 阀门在进口压力为0.5MPa时各工况下泄漏信号各频率段的能量比

4 结论

4.1阀门内漏所产生的声发射信号频率范围较宽且为连续型波形，该信号频率范围主要集中在0～200kHz。阀门内漏声发射信号RMS值与泄漏量之间存在着双对数关系，在0.5MPa下为lgRMS=0.4034lgQ+0.5248。因此可根据实测数据利用对数关系估算阀门泄漏量。

4.2阀门内漏声发射信号小波包分析结果表明阀门内漏声发射信号主要能量集中在P2、P3、P4频带，其频率范围为15.625～62.500kHz。此区间最高能量比在30%左右，该区间能量比之和约占总能量的70%。

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[2] 吴真光，刘波.应用声发射法定量检测阀门内漏的可行性研究[J].科技创新导报，2011，(34)：119～120.

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[4] 韩双连，隋青美，姜明顺.声发射信号分析及其软件实现[J].化工自动化及仪表，2014，41(8)：930～934.

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