Abstract: Traditional methods of pipeline leak detection can only monitor leakage in real
time,and it is difficult to analyze the leakage accurately.Acoustic emission is an ideal method for
dynamic detection and it can be quantitatively studied in pipeline leakage signals.What is more,it
can acquire more accurate position within a certain range.Through the experimental research, the
frequency domain of the pipeline leakage is mainly concentrated in 0-300kHz,and it can reach the
max value around 150KHz. The amplitude of the leakage signal increases with the increase of the
pressure of the pipeline and shows a certain attenuation law with the increasing distance from
leakage point,and it increases first and then decreases with the change of leakage aperture.By
analysing frequency domain of leakage signals under different conditions and the energy
characteristics of each frequency of the acoustic emission signal with wavelet packet
decomposition and energy extraction, The feasibility of application of acoustic emission technique
in pipeline leak detection is verified.
Key word: Acoustic emission Pipeline leakage Wavelet packet decomposition
【中图分类号】TP23 【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2017）11-0000-00
1 引言
声发射检测是一种在线检测方法，相比于其他无损检测方法，声发射检测有下列优势：第一，它能检测出有结构性应力的条件下的非连续性信号或者连续性信号[1]。
第二，通常可以在要求很少停止工作的管道或者压力系统中实施在线检测。当一个裂缝
或者缺陷出现在一个具有压力的管道中时，压力波在管壁上进行传播，同时会传递一些关于损裂大小、位置和裂纹的类型的信息[2]。
第三，声发射是一种动态无损检测方法，无需对检测的物体进行实时的检测，可以在物体发生破损裂纹一段时间后进行有效的识别[3]。
第四，对被检测物体的环境和接近程度要求不高[4]，可以适用形状不规则的物件和一些高温高压条件下无法使用其他检测手段的情况[5]。
2 声发射检测的概念
声发射产生的声发射信号强度不同，很多声发射信号如构件裂纹产生扩展等等强度很弱，靠人耳无法判别，需要通过专门的仪器设备进行检测[6]。借助现代的技术手段，利用对声发射信号敏感的器件—声发射传感器将接收的声发射信号进行能量转换，即将声波的振动信号转换为电信号后传递给采集装置进行声发射波形的相关分析[7]。在工程应用中，这种通过传感器来记录和分析声发射信号，并根据信号进一步推测声发射源相关性质的技术为声发射技术[8]。 声发射技术检测原理流程参见图1所示。
声发射是一种动态的检测手段，也属于无损检测领域(NDT)[9]，声发射检测技术由于能够检测活动性缺陷已经广泛应用于工程结构的在线检测。可用于整个连续声发射监测过程。大多数金属性材料在塑性变形或者有应力的条件下都会产生声发射现象[10]。因此声发射检测技术有很强的应用价值。
3 管道的声发射检测试验
3.1 声发射检测原理
管道在发生裂损或者老化后容易产生气体或液体的泄漏，在发生泄漏后，管道本身是作为传播的介质，当气体或者液体在泄漏处多相湍流形成声源能量[11]，该能量会形成高频的弹性波沿着管壁进行传播，同时该弹性波会传递一些关于损裂大小、位置和裂纹的类型的信息，此时通过依附在管壁上的传感器进行接收[12]，经过前置放大器的放大后可以将信息传递给采集的仪器进行分析，进一步判断裂纹的类型、位置和损害的程度[13]。
3.2 声发射波动方程
管道所释放的声波虽然是表面波，但是会在管道表面产生各种反射和折射现象，而且易受到外界噪声的影响，所以很难完整的提取一个具有管道泄漏声发射特点的信号，尽管如此，但它还是满足基本的三大声波方程，即运动方程、连续方程和物态方程。即满足下列几个方程：
M为马赫数，为最大的喷流速度，D为喷流直径，所以声压与泄漏的喷流速度和喷射直径有关系。
3.3 硬件设备与试验设计
声发射管道泄漏检测试验主要包括3个部分：一是声发射仪，二是声发射传感器，三是气体试验管道。
(1)声发射仪：选用的声华公司SAEU2S集中式两通道声发射检测仪，主机集成有3MHz和16bit的采集卡以及windows操作系统的分析软件。
(2)声发射传感器：选用的美国物理声学公司R15系列声发射传感器，带宽为50-400kHz，谐振频率为150kHz，灵敏度为70dB，为了与管道之间保持足够的紧固，使用了耦合剂和磁性安装夹。
(3)气体管道：选用了总长为5m，直径为5cm，壁厚为0.3cm的碳钢管道，距离进气口3m处安装一个开关阀模拟泄漏。
3.4 管道泄漏检测试验
为了对管道的泄漏状况进行真实的模拟，实验中采用弯管作为实验的对象，并加上套管和开关阀门作为管道的连接器件。将声发射仪的采样频率设置为2MS/s，采样点数为5000，同时模拟的实验工况是：管道压力为0.1MPa，泄漏的孔径为0.1mm，将一个声发射传感器放置在距离泄漏点0.5m的位置，并采集正常泄漏的声发射信号和没有泄漏时的信号。而没有泄漏时的仪器噪声会对信号有一定影响。
图2为正常泄漏时的声发射信号与频谱。
图3为没有泄漏时的声发射信号与频谱。
为了在时域波形图中进行比较，可以将声发射仪器的采样率设置为2MS/s，所以频谱的最高频率达到了1000kHz。由于泄漏的声发射信号集中于0-300kHz，所以在观察频域波形的变化时，可以适当减小声发射仪器的采样率。
从时域图看，正常泄漏时的声发射信号的波形呈现一定周期性的规律[15]，幅值在
0.1v之间，而没有泄漏时采集到的波形杂乱，没有一定规律，幅值很小。从频谱上看，正常泄漏时的频域主要集中于0-300kHz，且在150KHz左右处达到峰值。而没有泄漏信号的频域部分较为分散，且幅值都处于较低的水平，没有明显的峰值。因此可以通过比较声发射信号的时域和频域图来判断管道是否发生泄漏。
由于泄漏时的信号频域主要集中在300kHz内，可降低采样频率为1MS/s，此时信号的最高频率为500kHz，同时为了进一步了解管道的压力与声发射信号的变化规律，可保持管道泄漏孔径不变(1mm)的情况下且在传感器与泄露点同一距离下改变管道内的压力，分别控制管道压力分别为0.05MPa、0.1MPA、0.15MPa和0.2MPa，采集相关的数据如表1所示。
得到最终的声发射信号幅值与压力的对应关系如图4所示。
由图4可知，随着压力从0.05MPa-0.2MPa变化时，管道泄漏信号的幅值在增加，且距离增加，声发射信号幅值也在不断减少。为了更精确的表示此时声发射信号随压力变化在频率上的反映，可以采用小波包分解能量提取的方法对各个频率段上的信号能量进行提取。如表2所示。
因为泄露信号主要集中于0—250kHz，所以取S(3,0)、S(3,1)、S(3,2)和S(3,3)四个频率段进行分析，图5为四个频率段的对应的小波包能量。
由图5可知能量集中于S(3,1)(62.5-125kHz)，且125kHz以内的低频段部分随压力增长的速度快于高于125kHz的高频部分。同样，若保持声发射传感器距泄露点的距离为1m不变，在同一压力下改变孔径大小，随着孔径从1mm-4mm增加，声发射信号幅值与孔径的关系如图6示。
当泄漏孔径在0.5mm-3mm变化时，泄漏信号的幅值在不断增加，且增长的速度逐渐减慢，直到3mm以后，声发射信号幅值开始下降，这说明当孔径在一定范围内，泄漏信号的幅值随孔径增大而增大，当孔径超出某个范围，泄漏周边能量增加值小于了其径向减小值导致幅值下降。
为了精确的反映孔径从0.5mm-1.5mm变化时信号在频域上的变化规律，再次用小波包分解对孔径变化时信号在各个频率段的能量分布进行提取，如图7所示。
由图7所示图形可知，当孔径从0.5mm
同时在保持管道同一压力下且泄漏孔径为0.5mm不变的情况下，进一步研究传感器与泄漏点的距离和声发射信号的规律，采集距离分别为0.2m-2m，每次增加0.2m的声发射信号幅值与距离的关系如图8所示。
由实验的数据和拟合的曲线可知，当距泄漏的距离增加时，声发射信号的幅值在不断减小，且遵循一定的衰减规律。且压力越大，泄漏信号也在逐渐增加，但泄漏的衰减幅度也在不断减小。
同样，为了更精确的反映出其随着频率的变化规律，可以对距离变化时的管道泄漏信号进行小波包分解并提取能量分析，如下图所示为小波包分解对应的能量参见图9所示。
由图9可知，0-125kHz的频率段中衰减的速度比125-250kHz频率段的衰减速度更快，且泄漏信号的能量大小随距离增大而减小。
4 结论
结论1：泄漏时声发射波形幅值较大且频域图形有一定的规律性，无泄漏时的波形幅值较小，频域图形分布无规律。
结论2：如果管道压力增加，声发射信号的幅值会随着增加，且信号的频域部分也在不断增加，低频成分增长速度更快。
结论3：当泄漏孔径在一定范围内增加时，泄漏信号的幅值会随之增加，当孔径超出范围，泄漏信号的幅值会随着减小，且泄漏信号主要受低频率的影响更明显。
结论4：随着距离泄漏点的距离增加，声发射信号的幅值会随之衰减，并呈现一定衰减的规律，当压力增加时，泄漏衰减量减小。
参考文献
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作者简介
陈潇 （1989-） 男 工学学士 硕士研究生 研究方向：化工自动化方向测量与仪器研发
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