周沁乔
江苏省特种设备安全监督检验研究院 江苏南京 210036
摘要：管道输送在化工生产、石油、天然气运输发挥着重要的作用。本文通过对管道声信号的传播特性分析，设计一种基于模式识别的声信号的管道检测装置，用于管道缺陷筛查，提高了重要埋地管道安装之前检测效率。
关键词：管道 声信号 模式识别
Research on pipeline detection method based on acoustic signal
Zhou Qin-qiao
Jiangsu Special Equipment Safety Supervision and Inspection Institute, Nanjing 210036, China
Abstract: Pipeline transportation plays an important role in chemical production, oil and natural gas transportation. Based on the analysis of the propagation characteristics of pipeline acoustic signals, this paper designs a pipeline detection device based on pattern recognition acoustic signals for pipeline defect screening, which improves the detection efficiency of important buried pipelines before installation.
Keywords: Pipeline Acoustic signal Pattern recognition
0前言
管道运输是与公路，铁路，航运和航空公司并驾齐驱的五个主要运输行业之一。它在输送液体，蒸汽和泥浆方面具有独特的优势，并且处于社会经济和国防技术的发展趋势中。充分发挥关键作用。特别是随着社会经济发展的趋势，人民生活水平不断提高，环境保护和无污染法规得到了改善。石油、天然气、化工原料管道输送在国民经济中的占比越来越重。
油气、化工原料管道输送的最基本要求是安全高效，一旦发生管道泄漏事故不仅可能会造成较大的安全事故，同时对社会和环境也会产生严重后果，修复成本巨大。根据《TSG D7006-2020?压力管道监督检验规则》[1]，钢制焊接管道在出厂时应进行抽检,每批每班至少抽查一根钢管进行外观检查,检查成品管上是否存在摔坑、错边、有填充金属焊缝管的焊偏、埋弧焊内外焊缝余高、硬块、分层、电弧烧伤和咬边等情况,是否符合要求,是否有裂纹，同时还要进行相应的材质化验、无损检测、液压试验等。但是该种方法是基于抽检的模式下，有可能一批次管道中存在着缺陷管道，而对于一些重要的高风险场所来说不容许有任何瑕疵的管道存在。如果采用对管道逐根无损检测所耗费的时间成本和经济成本都是巨大的，本文采用基于声信号的管道检测方法，通过对管道敲击后的声信号进行模式识别后，辨别出筛选出有问题的管道，筛选速度是传统的无损检测无法比拟的，最短只需十几秒就能通过敲击声识别出有缺陷的管道。
1声信号在管道中的传播特性分析
材料或结构受力作用时产生变形或断裂而以弹性波的形式沿管壁传播。由于粒子之间会产生相互作用,那么弹性介质中如果某处的粒子产生振动,此时振动就会以一定的速度从一个粒子传到下一个粒子。当处于静力平衡状态下的弹性体受到载荷作用时,并不是在弹性体的所有部分都立即引起位移、应变和应力。载荷作用开始时，只只在作用处的附近有变形,之后载荷所引起的位移、应变和应力以波的形式用有限大的速度向别处传播,这种波就称为弹性波[3]。在管壁声传播研究中，管壁除了能传播压缩和膨胀的纵波以外还能传播横波及表面波。敲击的声波信号在管道中以平面波方式进行传播,声波振幅不随距离而变化，使能量不发散，可以实现长距离传输。
2声信号的管道检测装置原理
管道声信号检测装置由敲击装置、信号接收片、声波传感器、信号采样器、信号放大器以及数据转化器等组成。金属管道通过敲击装置产生的模拟声波信号经过信号接收片和传感器以及滤波放大后形成需要的数字信号，数字信号通过检测装置进行分析模式识别后对管道缺陷进行评级。声信号的管道检测装置原理图如下图1所示：
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5号管频谱
图2 1~5号管道敲击响应信号频谱曲线
通过对该5类管道的声波频谱特性曲线分析，发现声信号的管道检测装置对焊接裂纹缺陷、未焊透缺陷较为敏感，对气孔类缺陷最不敏感。
4小结
管道尤其是埋地管道的泄漏会造成一定的事故隐患同时管道泄漏也会造成周边环境污染。本文通过研究设计一种声信号的管道检测装置，其目的在于对管道敲击声波的模式识别快速的对于新制造的钢制焊接管道进行焊接缺陷筛查。通过试验对比分析发现该装置对焊接裂纹缺陷及未焊透缺陷的检出敏感性较高，能有效检出焊接裂纹缺陷及未焊透缺陷，对细小气孔的检出敏感性最差。因此该设备的推广应用将会大大提高重要管道安装前检测效率，降低人工成本。
参考文献：
[1]赵恒忠, 张从彬, 周学乔. 压力管道声发射检测试验[J]. 期刊论文, 2017, 39(12).
[2]李光海, 王勇, 刘时风. 基于声发射技术的管道泄漏检测系统[J]. 自动化仪表, 2002(05):20-23.
[3]陆明万，罗学富，弹性理论基础.[M]清华大学出版社，1990年.