声发射储罐及管道在线检测技术研究

摘要

大型储罐及管道是石化行业中油品储存和运输的重要设施，一旦发生事故，极易引起火灾和爆炸，并造成严重的环境污染。研究先进的无损检测技术，对于保障石油储运设施的安全稳定运行，减少和避免环境污染具有重要意义。本文主要对基于声发射方法的大型金属储罐底板和管道在线检测技术进行了研究。 本文首先分析了声发射现象产生的机理及声发射检测的基本原理，并对不同模态的声发射波的传播和衰减特性进行了研究。通过对无载荷和水载作用下钢板中声发射波的传播特性分析，确定了大型常压金属储罐内罐底有效声发射源的传播路径，并以此为依据，对罐底检测声发射传感器的频率及传感器的布置方案进行了研究，实现了罐底声发射信号的采集与定位。 针对非检测区域的噪声干扰问题，提出了基于双传感器组的传感器优化布置方案，对罐底声发射检测过程中声源的方向进行识别，有效屏蔽了来自非检测区域的干扰声源信号。通过对容积3000 m3的固定顶煤油储罐的现场检测实验，验证了该方法的有效性。 本文采用BP神经网络对罐底声发射信号进行模式识别，消除了机械噪声和电磁噪声的干扰。通过提取声发射信号在不同小波分解频带上的特征系数，构造BP神经网络学习样本集的特征向量，优化了神经网络模式识别的性能，提高了神经网络对罐底腐蚀、裂纹扩展和泄漏等不同性质的声发射源的判别能力，使基于声发射在线检测技术的储罐底板结构完整性评价结果更加精确。 在声发射管道检测方面，本文首先对管道腐蚀裂纹声发射信号的检测及定位技术进行了研究，并提出了相应的定位补偿方法。采用声发射参数对管道在加载过程中裂纹“开裂前兆-开裂-扩展-快速断裂”的全部过程进行解释，弥补了根据常规力学方法在管道裂纹扩展速率预测方面的不足。 研究了管道泄漏声发射信号参数随压力、泄漏孔径大小、信号传播距离等的变化规律，并首次把Hilbert-Huang时频分析方法引入到声发射信号分析与特征提取的研究领域。将管道泄漏声发射信号分解为多个固有模式函数，通过提取包含有效声发射特征的IMF分量进行信号重构，提高了管道泄漏点的定位精度。验证了HHT变换是表征声发射信号的非平稳特征及参数提取的有效工具。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2我国石油储运设施的建设及发展状况

1.2.1我国储罐的建设及发展概况

1.2.2我国油气管道建设及发展概况

1.3大型储罐底板及管道检测方法综述

1.3.1罐底检测技术综述

1.3.2管道检测技术及其特点

1.4相关领域的国内外研究现状

1.4.1储罐声发射在线检测的应用历程及研究现状

1.4.2管道声发射检测的应用历程及研究现状

1.5本课题的研究意义及主要研究内容

第二章声发射检测的理论分析

2.1引言

2.2声发射检测的基本原理

2.2.1凯塞效应和费利西蒂效应

2.2.2声发射的源机制

2.2.3声发射的检测原理及技术特点

2.3声发射波的模态

2.3.1纵波和横波

2.3.2表面波(Rayleigh波)

2.3.3板波

2.3.4声发射波的衰减特性分析

2.4声发射信号分析方法

2.4.1声发射信号的类型

2.4.2声发射信号的参数分析法

2.4.3声发射信号的波形分析法

2.5本章小结

第三章声发射罐底检测信号采集与定位技术研究

3.1引言

3.2声发射储罐底板检测的基本原理

3.3水载作用下中声发射波的传播特性

3.3.1水载作用下声发射波的频散分析

3.3.2无载荷和水载作用下波的传播速度和衰减率测量

3.4罐底声发射源的定位技术

3.4.1声发射源的平面定位原理

3.4.2声发射平面定位法中特殊值的处理

3.4.3有效定位传感器阵列的确定

3.5罐底检测声发射传感器的布置与标定

3.5.1传感器布置高度及间距

3.5.2检测通道灵敏度的标定

3.6罐底声发射数据的采集

3.6.1罐底声发射数据的采集

3.6.2罐底检测中声发射源的方向识别

3.7本章小结

第四章声发射罐底检测信号的模式识别

4.1引言

4.2基于BP神经网络的罐底声发射信号模式识别

4.2.1 BP网络及其模式识别原理

4.2.3罐底声发射信号模式识别神经网络的结构

4.2.4罐底声发射信号模式识别神经网络的训练

4.2.5罐底声发射检测数据的模式识别

4.3基于小波变换的神经网络性能优化方法的研究

4.3.1分析声发射信号的小波基的选取

4.3.2小波分解的频率范围和尺度的确定

4.3.3小波特征频谱分析法

4.3.4小波特征能谱分析法

4.3.5基于小波特征系数的声发射模式识别神经网络

4.4声发射罐底结构完整性的评价

4.4.1罐底缺陷严重程度评价参数的选取

4.4.2罐底缺陷严重度评价的影响因素

4.4.3罐底缺陷严重程度的划分及完整性分级

4.5本章小结

第五章 声发射管道检测技术研究

5.1引言

5.2声发射管道裂纹检测及定位技术研究

5.2.1声发射管道裂纹检测与定位的原理

5.2.2声发射管道裂纹检测的实验研究

5.2.3声发射管道裂纹检测的定位误差补偿

5.2.4管道疲劳裂纹扩展速率的估算

5.3声发射管道泄漏检测及定位技术研究

5.3.1管道泄漏声发射信号的特点

5.3.2连续型声发射信号的定位原理

5.3.3管道泄漏声发射检测的实验研究

5.3.4管道泄漏信号的小波包分析

5.3.5管道泄漏信号的HHT分析

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2本论文的创新之处

6.3研究目标展望

参考文献

发表论文和科研情况

致 谢