承压阀门内漏声学检测方法(2)
式中: KV 为常数,大约是(0.3 - 1.8) ×10 - 4 ; U 为液流平均流速;ρ为泄漏口处流体密度; C0 为声在水中的传播速度; A 为阀泄漏口的当量面积. 由Q = AU 代入式(7) 得
根据伯努利方程:
式中: p , v 分别为静压力和流速;下标1 ,2 分别表示阀门入口侧和出口侧;ξ为损失系数. 当v1nv2 ,可取v1≈0 , v2 = U ,于是有
将式(10) 代入式(8) ,得
由于泄漏信号为连续信号,假定声功率p 与声振幅V 关系为P∝ V2 ,对式(11) 两边取对数,得
由式(13) 可知,幅度V 与泄漏量Q 取完对数后,呈线性关系.
2、阀门泄漏声学实验
声学检测系统主要由传感器、声学检测仪等组成,见图2 ,检测台的构建与装备可接受不同型号的阀门,选取承压阀门作为研究对象. 承压阀门最常见的破坏形式为阀体泄漏,调节阀门的开度可模拟泄漏过程的声源,通过监测该声源研究承压阀门在压差恒定、背压随着泄漏变化时的全过程声学特性, 分析声源特征参量振幅的特征,为承压阀门泄漏定量检测提供实验依据.
取1 个直径为3.8 cm 的闸阀安装在检测台上,用软管隔离外部构件与检测台, 降低背景噪声. 对比软管上下流的声信号,确认软管在管线上有效地把噪声与检测台隔开. 实验中将传感器定位于多个部位,例如在管路上、阀体上和法兰上、上流和下流,发现最敏感的定位位置在上流阀法兰顶部. 在检测中,安装了2 个传感器,1 个置于阀的上流或下流排除背景噪声,另一个安装在阀体上或接在管路上,监控相关的夹杂背景噪声的泄漏声音.
图2 声学检测系统
3、实验结果分析
虽然实验是在阀门打开的条件下模拟阀门内漏,但其发声机理具有一致性. 选择闸阀作为研究对象,以水为实验介质,实验数据绘制曲线图,数据分析表明,泄漏声源信号与阀门压降、泄漏口尺寸、泄漏率以及介质性质等有关. 由于理论分析是建立在湍流基础上的,首先分析压差与泄漏率的关系:Δp∝ v2 ,实验数据分析与理论分析的前提条件一致,见图3. 保持某一阀门压降不变,改变背压,从而改变压差,压差增大,泄漏声信号增强,见图4. 在同一泄漏率下,声强受背压的影响波动较小. 当保持某一压差不变,声信号随泄漏率的增大而增大,声源振幅与泄漏率双对数关系见图5 ,一般曲线形式为
式中: V 为振幅; Q 为泄漏率; a , b 为系数,分别为7. 267 和0. 598 ,随泄漏声源信号与阀门压降、泄漏口尺寸、泄漏率以及介质性质等改变而变化.
图3 压差与泄漏率关系曲线 图4 压差与振幅关系曲线 图5 振幅与泄漏率双对数关系曲线
4、结论
(1) 在阀门湍流流场中,高速喷射泄漏时,因存在泄漏缝隙,必将产生以四极子声为主的声源发射.
(2) 在湍流状态下,对同一泄漏缝隙,泄漏缝隙处两侧压差越大,泄漏率越大,声信号强度也随之增大.
(3) 对泄漏过程中流体流动状态的分析表明,泄漏过程中流体产生声源信号与泄漏率之间的关系可由log V = a + blog Q 方程表示;声强与流速的n ( n > 1) 次方成正比, n 与流速、泄漏通道、压力等因素有关.
(4) 采用声学检测方法对阀门内漏量进行分析和定量估计是可行的.
