防噴器的聲發(fā)射檢測應(yīng)用

摘 要：本文結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)特點(diǎn)，針對環(huán)行防噴器的結(jié)構(gòu)特征，提出了用聲發(fā)射檢測的平面定位方案。講述了檢測前的準(zhǔn)備工作；通過采用兩次加載，對比兩次實(shí)驗(yàn)中的采集數(shù)據(jù)，結(jié)合凱塞爾效應(yīng)的原理，綜合分析了檢測中的噪聲來源，指出從保壓階段的采集數(shù)據(jù)中提取有效信號，并根據(jù)有效信號判斷缺陷的性質(zhì)。最后給出檢測結(jié)果和提出目前在防噴器檢測中急需解決的問題和工作方向。
??? 關(guān)鍵詞：聲發(fā)射；防噴器；檢測 聲發(fā)射（AE）；無損檢測；評定 超聲波液位計(jì) 超聲波物位計(jì) 超聲波清洗機(jī) 超聲波測厚儀 洗片機(jī)
0 引言
聲發(fā)射（ACOUSTIC EMISSION簡稱AE）是上世紀(jì)六、七十年代發(fā)展起來的一種無損檢測（NDT）方法。近一、二十年來，這項(xiàng)技術(shù)已在石油化工、航天航空、水利電力、交通運(yùn)輸、機(jī)械、建筑等行業(yè)得到較廣泛的應(yīng)用[1，2]。并已制定了相關(guān)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，如參考文獻(xiàn)[5-7]。它的原理是：受力構(gòu)件的材料內(nèi)部在損傷缺陷萌生、擴(kuò)展過程中會釋放塑性應(yīng)變能，應(yīng)變能以應(yīng)力波形式向外傳播擴(kuò)展，這種現(xiàn)象即稱聲發(fā)射現(xiàn)象。
防噴器是在石油行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用的設(shè)備，是井控設(shè)備的核心組件，防噴器質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響油氣井壓力控制的成敗，一旦發(fā)生泄漏會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，給社會經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)和人民生活帶來損失和危害，直接影響社會安危。環(huán)形防噴器是由于其封井元件-膠芯-呈環(huán)狀而得名。封井時，環(huán)形膠芯被迫向井眼中心集聚、環(huán)抱鉆具。當(dāng)井內(nèi)無鉆具時，環(huán)形防噴器可用以全封井口。由于環(huán)形防噴器的功能是較為全面的，能適應(yīng)井口的多種工況迅速封井，所以應(yīng)用得非常廣泛，因此對環(huán)形防噴的檢測也顯得格外重要。
在定期檢驗(yàn)過程中對，采用超聲波和射線方法很難發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，如全部返修，則費(fèi)用消耗過大，通過大量實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)采用聲發(fā)射檢測可以快速發(fā)現(xiàn)這些超標(biāo)缺陷中存在的活性缺陷，僅需對這些活性缺陷進(jìn)行返修處理，壓力容器即可重新投入使用。
1 檢測方法
1.1 試驗(yàn)設(shè)備基本情況
某廠一臺1993年11月生產(chǎn)的FH28-35錐型膠芯環(huán)形防噴器，工作壓力為35MPa。試壓介質(zhì)為水。試驗(yàn)前更換已損壞的密封膠芯、密封圈，以及不合格的螺栓、螺母等。
1.2 傳感器布置方案
根據(jù)環(huán)形防噴器的受力特點(diǎn)和我們檢測儀器的實(shí)際條件，在環(huán)形防噴器上布置了兩組平面定位的方形陣列，一組在頂蓋上，一組在柱殼中部，每一個陣列由四個傳感器組成，分別為傳感器1-2-3-4和傳感器5-6-7-8，以保證對防噴器重點(diǎn)部位的檢測。兩個方陣中相鄰傳感器的間距分別為：560mm和900mm。
1.3 檢測儀器及參數(shù)設(shè)置和準(zhǔn)備工作
主機(jī)：DISP-16通道聲發(fā)射測試系統(tǒng)；軟件：AEwin for DiSP Version 1.80；門檻值：40dB；傳感器型號：R15壓電傳感器；前置放大器：2/4/6型；增益：40dB；耦合劑：黃油。
在安裝傳感器的防噴器表面，先用砂輪打磨掉油漆和氧化皮，再用砂紙使金屬表面光滑平整，經(jīng)清潔處理后，以黃油為耦合劑，把傳感器可靠地粘貼在選定位置上。
完成全部連線后，以拆斷鉛芯為模擬信號源，校核各通道工作是否正常，測定聲波在防噴器中的傳播速度，和檢驗(yàn)定位的精度。
1.4 加載程序
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6160-1995的規(guī)定[4]，采用二次加載方法，使檢測數(shù)據(jù)更充分、結(jié)果更可靠。具體加載方案時第一次加載到35Mpa后穩(wěn)壓15min，然后完全卸載防噴器內(nèi)壓力，進(jìn)行第二次加載，到35Mpa后再保壓15min。
對加載設(shè)備的要求是：升壓平穩(wěn)、緩慢，壓力波動量要小，保壓期間無泄漏。每次開始加載時，都把聲發(fā)射檢測系統(tǒng)同時打開，采集數(shù)據(jù)，觀察顯示窗口中的圖形（數(shù)據(jù)）隨壓力的增加所引起的變化。若發(fā)現(xiàn)有異常信號發(fā)生，應(yīng)立即停止加載，并保壓觀察，視具體情況決定是繼續(xù)升壓還是迅速降壓。試驗(yàn)加載方案如圖1。
2 有效聲發(fā)射數(shù)據(jù)的確定
在確定有效聲發(fā)射數(shù)據(jù)之前，先來介紹許多金屬材料共有的形變聲發(fā)射的不可逆效應(yīng)，即"材料被重新加載期間，在應(yīng)力值達(dá)到上次加載最大應(yīng)力之前不產(chǎn)生聲發(fā)射信號。"[2]這種不可逆現(xiàn)象稱為"Kaiser效應(yīng)"。
信號的識別是聲發(fā)射檢測中非常重要的環(huán)節(jié)。由于環(huán)形防噴器的結(jié)構(gòu)獨(dú)特，是由多個零部件組成，安裝在內(nèi)部的膠芯是有鋼塊支撐的澆鑄件。所有這些零件，在加載時，不可避免的出現(xiàn)很多信號，它們都被顯示在屏幕上和記錄在數(shù)據(jù)文件里。但聲發(fā)射檢測的目的，是以有無缺陷擴(kuò)展信號來判斷設(shè)備的安全性。而上述大量非缺陷擴(kuò)展信號的涌現(xiàn)，使我們難以分辨出真實(shí)的開裂信號。因此我們對防噴器的評定，目前不宜采用加載期間采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而主要是根據(jù)防噴器保壓階段的信號數(shù)據(jù)。
2.1 噪聲信號
噪聲信號的來源主要是殼體與內(nèi)部結(jié)構(gòu)件之間發(fā)生摩擦、螺栓受力引起的變形，以及各螺栓受力不均導(dǎo)致的載荷重新分配，特別是在防噴器升壓速度較快的過程中，這是十分常見的信號。在保壓期間，上述現(xiàn)象一般說來不會產(chǎn)生，但對于不穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)構(gòu)也不完全杜絕，特別是在第一次保壓時。而且由于摩擦的機(jī)制與一塊金屬材料因變形而產(chǎn)生的聲發(fā)射信號機(jī)制不同，故不能滿足Kaiser效應(yīng)。通常這類信號能量小，幅度也很低。
2.2 有效信號
有效信號是指缺陷活動產(chǎn)生的信號。這類信號定位源比較集中，信號的參數(shù)數(shù)值較大，而且會多次出現(xiàn)。在加載期間，一般低于防噴器的工作壓力下無聲發(fā)射信號，在高于此壓力的升壓、保壓各個階段會有聲發(fā)射信號，在降壓后的第二次升壓和保壓階段，根據(jù)是否在同一位置出現(xiàn)信號及其強(qiáng)弱程度來確定聲發(fā)射源的活性程度，對于弱活性或非活性的源來說，是很少或者沒有聲發(fā)射信號產(chǎn)生，滿足Kaiser效應(yīng)。
2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
每次試驗(yàn)結(jié)束后，采用幅度分析法，即根據(jù)其幅度及聲發(fā)射信號參數(shù)隨時間、壓力變化的情況，綜合分析，再對聲發(fā)射源所處位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。我們發(fā)現(xiàn)兩次試驗(yàn)都有相似的地方，即在升壓階段都會有很多信號產(chǎn)生，這與我們在試驗(yàn)前預(yù)測的一樣，由于防噴器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在加載階段內(nèi)部環(huán)形膠心和殼體發(fā)生磨擦、螺栓變形，這些情況都會產(chǎn)生大量的噪聲信號，因此我們要分析的數(shù)據(jù)主要來源于保壓階段的采集信號。試驗(yàn)中兩次加載采集到的數(shù)據(jù)如表1。
在第一次試驗(yàn)的保壓階段，共產(chǎn)生10個信號，其中第一定位組有9個信號，主要集中在3號傳感器附近；第二定位組有1個信號，處于5號和8號傳感器之間，信號幅度都很低，能量也很小，初步估計(jì)是膠芯變形與頂蓋發(fā)生摩擦引起的噪聲信號。在第二次試驗(yàn)的保壓階段,只有第一定位組產(chǎn)生1個信號，和第一次試驗(yàn)的定位源不在同一個位置，而且信號的幅度也不高，所以判定第一次出現(xiàn)的信號為非活性聲發(fā)射源。即，該防噴器在試驗(yàn)壓力35MPa情況下，未出現(xiàn)明顯的活動缺陷跡象，因此可以認(rèn)為在工作壓力情況下是安全的。
表1 兩次試驗(yàn)中保壓階段采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表
加載循環(huán) 定位組 事件數(shù) 振鈴計(jì)數(shù) 能量 最大幅度
第一次 第一組 9 3747 775 74
第二組 1 216 49 43
第二次 第一組 1 257 50 61
第二組 0 0 0 0
4 結(jié)論
通過這次檢測實(shí)踐，筆者認(rèn)為：運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)對防噴器水壓試驗(yàn)過程進(jìn)行監(jiān)測是可行的。
從檢測的結(jié)果數(shù)據(jù)來看，用聲發(fā)射檢測能夠及時有效的反映出被測件在試驗(yàn)階段的受力情況，動態(tài)探測到在外力作用下這些缺陷的活動情況，讓檢測人員在加載程序完成后能馬上對被測件做出基本的判斷，發(fā)揮出了聲發(fā)射檢測的主要優(yōu)點(diǎn)。在試驗(yàn)結(jié)束后，運(yùn)用軟件的特有功能，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，排除噪聲信號，得出更加詳細(xì)的檢驗(yàn)結(jié)論。
在整個試驗(yàn)過程中，殘余應(yīng)力釋放、結(jié)構(gòu)之間的摩擦、密封泄露都可產(chǎn)生大量的噪聲信號,目前不能很好的排除升壓階段的噪聲信號，需進(jìn)一步開展聲發(fā)射信號各種處理分析技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別的研究，鑒別加載過程中常見的可逆性摩擦噪音，提高信號的采集水平和分析能力，不斷完善信號處理手段。結(jié)合材料力學(xué)性能分析試驗(yàn)，加強(qiáng)在役構(gòu)件新生裂紋的定期聲發(fā)射檢測、疲勞裂紋起始與擴(kuò)展聲發(fā)射檢測，提高壓力容器、壓力管道和各種石油裝備的在線檢測應(yīng)用水平。