防噴器殼體材料疲勞試驗(yàn)的聲發(fā)射分析解析

1、防噴器殼體材料疲勞試驗(yàn)的聲發(fā)射分析 THE FATIGUE TES S AEANALYSIS OF BOP SHELL MATERIAL朱祥軍Zhu XiangJun川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，四川，618300Safety En vir onment Quality Surveilla nee and In spect ion Research In stitute of CNPC Chua nqi ngDrilli ng&Exploratio n Corporatio n,Sichuan 618300摘要：根據(jù)新防噴器聲發(fā)射檢測遇到的數(shù)據(jù)難分析、難評定等問題，針對防噴 器殼

2、體材料進(jìn)行多種疲勞試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中全程采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)。通過對比不同 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析出防噴器殼體材料中缺陷擴(kuò)展的信號特征、典型干擾的信號特 征，以及材料在疲勞過程中聲發(fā)射信號特征的變化趨勢。并且把這些分析成果成功 的應(yīng)用到新防噴器的檢測中，檢測證明整個分析非常正確。Abstract : The AE testing data of new BOP is difficult to analyzed and evaluated,so con duct a variety of fatigue test about the BOP shell material and collect AE dat

3、a duri ng all of the test. Through the comparis on of differe nt test data, get the characteristics of defect sig nal exte nsion in the material, get the characteristics of the typical in terfere nee signals. and get the acoustic emission signal trends of materials in the fatigue process. Successful

4、 to apply the an alysis results to detect new blowout preve nter.關(guān)鍵詞：聲發(fā)射，防噴器，屈服強(qiáng)度，疲勞試驗(yàn)K ey Words： ACOUSTIC EMISSION,BOP,YIELD STRENGTH,FATIGUE TEST1、引言1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。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

5、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。聲發(fā)射是一種常見的物 理現(xiàn)象，大多數(shù)材料變形和斷裂時有聲發(fā)射發(fā)生，但許多材料的聲發(fā)射信號強(qiáng)度很 弱，人耳不能直接聽見，需要藉助靈敏的電子儀器才能檢測出來。聲發(fā)射技術(shù)就是 將高靈敏度的聲發(fā)射壓電傳感器安裝在受力構(gòu)件表面上，并形成一定形式的傳感器 陣列，實(shí)時接受和采集來自于材料缺陷的聲發(fā)射信號，進(jìn)而通過對這些聲發(fā)射信號 的識別、判斷和分析等過程，對材料損傷缺陷進(jìn)行檢測研究，對構(gòu)件的完整性進(jìn)行 評定，并為設(shè)備在使用工況下的壽命進(jìn)行預(yù)測14，近年來，我國的聲發(fā)射技術(shù) 也已經(jīng)取得很大的進(jìn)步，在很多方面都取得優(yōu)秀的成果59 o作者簡介：朱祥軍（

6、1978-,男，四川省人，漢族，本科，工程師，從事聲發(fā)射檢測及研究工作，郵箱:zxjfire。防噴器在石油行業(yè)應(yīng)用廣泛，是井控設(shè)備的核心組件，近年來我國對防噴器進(jìn) 行聲發(fā)射檢測也應(yīng)用的越來越廣泛。按規(guī)定新防噴器在出廠的時候都需要進(jìn)行1.5的強(qiáng)度試驗(yàn)，在這個時候同時進(jìn)行聲發(fā)射檢測可以避免重復(fù)檢測浪費(fèi)的時間，而且 利用聲發(fā)射高靈敏度、快速直觀分析等特性能快速幫助廠家了解該防噴器殼體的安 全性能，及時發(fā)現(xiàn)有問題的防噴器。但是現(xiàn)場檢測人員發(fā)現(xiàn)新出廠的防噴器在強(qiáng)度 試驗(yàn)狀態(tài)下聲發(fā)射采集到的信號非常多，而且很多信號和典型缺陷信號具有相似 性，不能依據(jù)常規(guī)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。為了發(fā)現(xiàn)新防噴器檢測時和在役防噴

7、器檢測時聲發(fā)射信號的區(qū)別，必須對新防 噴器進(jìn)行疲勞跟蹤試驗(yàn)。考慮到防噴器成本高、使用周期長、而且使用地域跨度大，聲發(fā)射跟蹤防噴器 實(shí)體有點(diǎn)困難，因此研究人員決定全程跟蹤防噴器材料的疲勞過程，從新出廠狀態(tài)至到長期使用后的狀態(tài)，對比各個階段材料產(chǎn)生的聲發(fā)射信號特征，找出材料使用 過程中聲發(fā)射變化規(guī)律。2、試驗(yàn)準(zhǔn)備2.1試棒設(shè)計(jì)試棒進(jìn)行聲發(fā)射信號采集需要粘貼傳感器，而且在拉伸過程中必須盡量避免試 棒和拉伸機(jī)之間產(chǎn)生的機(jī)械摩擦，因此試棒設(shè)計(jì)為薄方形，兩端大，目的是為了保 持試驗(yàn)機(jī)的加持力，方便粘貼聲發(fā)射傳感器，而且不能太大，避免發(fā)生摩擦；中間 小，可以加快材料快速進(jìn)入塑性變形，而且節(jié)約成本。I i f

8、II_f- A 1 *tHI i b k i| i|! te ! n ! rs ! n ! t* !a單次疲勞示意圖b加載程序圖 圖2疲勞程序圖其中T0為間歇時間，T1為加載時間，T2為平穩(wěn)時間，T3為卸載時間以材料的屈服強(qiáng)度10%作為增益進(jìn)行遞增，根據(jù)初步試驗(yàn)結(jié)果以及研究人員 的分析，試棒在80%屈服強(qiáng)度的拉力以下不會產(chǎn)生有效聲發(fā)射信號。最終試驗(yàn)程 序?yàn)椋阂郧?qiáng)度的80%、90%、100%為拉伸力進(jìn)行疲勞，每次間歇時間、加載 時間、平穩(wěn)時間、卸載時間都為 30s，每個拉伸等級疲勞重復(fù)40次；拉伸力等于 屈服強(qiáng)度后，以屈服強(qiáng)度的5%作為增益增加，重復(fù)疲勞試驗(yàn)，直至材料拉斷。3、數(shù)據(jù)分析3.1

9、逐級增加載荷將試棒固定在拉伸機(jī)上，同時將聲發(fā)射傳感器固定在試棒上，經(jīng)過校準(zhǔn)后開始 進(jìn)行疲勞拉伸。下面以鍛件進(jìn)行闡述。4根試棒都進(jìn)行了 11組疲勞拉伸，由80%上升至140%，試棒在140%屈服強(qiáng) 度的拉伸力下拉斷。將每次產(chǎn)生的信號進(jìn)行分析，并對每組的各項(xiàng)聲發(fā)射參數(shù)數(shù)據(jù) 進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。a80%屈服強(qiáng)度b100%屈服強(qiáng)度C120%屈服強(qiáng)度d140%屈服強(qiáng)度圖3鍛件試棒疲勞過程聲發(fā)射信號圖J05c信號冃匕量d信號振鈴計(jì)數(shù) 圖4鍛件試棒疲勞試驗(yàn)聲發(fā)射信號統(tǒng)計(jì)圖經(jīng)過鍛件和鑄件的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：每個拉伸力階段鍛 件經(jīng)過少數(shù)（2-3次）疲勞后應(yīng)力達(dá)到平衡，鑄件經(jīng)過稍微多一些次數(shù)（13-1

10、7 次）達(dá)到應(yīng)力平衡。3.2疲勞對比試驗(yàn)接下來的試驗(yàn)是觀察試棒在高拉伸力疲勞后進(jìn)行低拉伸力疲勞的聲發(fā)射信號變 化。試驗(yàn)步驟如下:1、試棒在拉伸力為屈服強(qiáng)度120%的情況下，疲勞拉伸40次;2、試棒在拉伸力為屈服強(qiáng)度80%的情況下，疲勞拉伸40次；在120%屈服強(qiáng)度階段疲勞過程產(chǎn)生很多的信號，10次之后信號才逐漸消失， 比圖3中c都還要多。第二次是80%，可以看出疲勞過程中的信號非常少，2次疲 勞后每次只產(chǎn)生1-2個信號，比圖3中a的情況下要少很多。這些現(xiàn)象都符合聲發(fā) 射中的凱賽爾效應(yīng)，同時也說明試棒在最初的疲勞試驗(yàn)中當(dāng)拉伸力不斷增加時，首先 產(chǎn)生的信號中有許多都是應(yīng)力釋放的干擾信號。a120%

11、屈服強(qiáng)度b80%屈服強(qiáng)度圖5疲勞對比試驗(yàn)圖 將這些干擾信號進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析出這些信號的特征為：幅度為4050dB，能量小于10，振鈴計(jì)數(shù)小于20個。3.3缺陷試棒疲勞試驗(yàn)由于存在人工缺陷，因此試棒的抗拉強(qiáng)度降低，鍛件在拉伸力為120%屈服強(qiáng)度斷裂，鑄件在拉伸力為140%屈服強(qiáng)度斷裂。疲勞過程中，對比有缺陷的試棒和無缺陷試棒的疲勞數(shù)據(jù)，找出缺陷試棒在疲勞過程中產(chǎn)生不同的聲發(fā)射信號，將這 些信號進(jìn)行對比、統(tǒng)計(jì)分析。研究結(jié)果表明這些人工缺陷在疲勞過程中擴(kuò)展產(chǎn)生的典型聲發(fā)射信號參數(shù)特征 為：幅度不高，沒有超過80dB的，信號上升時間為80700卩s平均信號頻率為 90130kHz，這些特征和材料斷裂

12、信號有細(xì)微差別。3.4疲勞試驗(yàn)結(jié)論經(jīng)過鍛件和鑄件試棒的各種疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：1、鍛件經(jīng)過少數(shù)（2-3次）疲勞后應(yīng)力達(dá)到平衡，鑄件經(jīng)過稍微多一些次數(shù)（13-17次）達(dá)到應(yīng)力平衡；2、通過高拉伸力疲勞后再進(jìn)行低拉伸力疲勞，可發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射信號減少很多， 證明拉伸過程中多數(shù)信號為應(yīng)力釋放信號；3、 缺陷擴(kuò)展聲發(fā)射參數(shù)特征：信號上升時間為 80700卩s平均信號頻率為90 130kHz ;4、 典型干擾噪聲信號參數(shù)特征為：幅度為 4050dB，能量小于10,振鈴計(jì) 數(shù)小于20個。4、驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)對象為華北榮盛機(jī)械廠生產(chǎn)的 FZ28-105防噴器，聲發(fā)射檢測前進(jìn)行 防噴器內(nèi)表面模擬信號

13、采集10，對比內(nèi)表面和外表面的模擬源信號差異，計(jì) 算出缺陷擴(kuò) 展信號和典型干擾信號的特征有效范圍。試驗(yàn)過程中聲發(fā)射信號如下圖所示。在穩(wěn)壓階段該防噴器一直都有密集聲發(fā)射信號產(chǎn)生，如果按照常規(guī)的防噴器檢測聲發(fā)射分析方法，出現(xiàn)這種情況應(yīng)該立即將該防噴器判廢。但是結(jié)合對防噴器材料試棒的分析結(jié)果，我們知道這些信號大部分都是應(yīng)力釋放產(chǎn)生的信號，不能直接分析。圖6新防噴器強(qiáng)度試驗(yàn)聲發(fā)射信號圖 這次試驗(yàn)共采集到聲發(fā) 射數(shù)據(jù)299個，對這些數(shù)據(jù)依次分析工作量非常大，因此首先以典型噪聲干擾信號進(jìn)行過濾。過濾后的信號只有 35個，極大減少數(shù)據(jù)分析量。利用材料缺陷擴(kuò)展的聲發(fā)射信號特征對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，沒有發(fā)現(xiàn)存在擴(kuò)展信

14、號，證明該防噴器在試驗(yàn)過程中沒有發(fā)生材缺陷擴(kuò)展情況。為了驗(yàn)證以上分析結(jié)果，將該防噴器進(jìn)行多少工作壓力試壓后再次進(jìn)行聲發(fā)射 檢測，從檢測數(shù)據(jù)以及檢測圖 可以很直觀的看出 該防噴器可以正常使用，這和前面的 分析結(jié)果完全一致，而且和我們對材料試棒 研究的結(jié)論1、2相符。5、結(jié)論通過對防噴器材料試棒進(jìn)行幾種方式的疲勞試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)出材料在使用過程中的聲 發(fā)射變化規(guī)律；通過對比分析，發(fā)現(xiàn)缺陷擴(kuò)展的信號特征、典型干擾的信號特征；將材料試棒的研究成果應(yīng)用于新防噴器強(qiáng)度聲發(fā)射檢測中，結(jié)果證明這些研究成果非常準(zhǔn)確，而且對強(qiáng)度試驗(yàn)的分析有極大的幫助。參考文獻(xiàn)1耿容生，聲發(fā)射技術(shù)在航空工業(yè)中的應(yīng)用-現(xiàn)狀、困難 及對策中國第十屆聲發(fā)射學(xué)術(shù) 研討會論文集2004 2沈功田，戴光，劉時風(fēng)，中 國聲發(fā)射技術(shù)發(fā)展中國第十屆聲發(fā)射學(xué)術(shù)研討會論文集20043劉時風(fēng).焊接缺陷聲發(fā)射檢測信號譜估計(jì)及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別研究D.北京：清華 大學(xué)機(jī)械工程系.1996 4劉國光，程青姍.聲發(fā)射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別J. 華南理工大學(xué)儀器儀表學(xué)報.2003.08蔣仕良，董志勇.碳四球帶的在役聲發(fā)射檢 測J.無損檢測 2002.09: 407-409 6沈功田，段慶儒，周裕峰，等壓力容器聲發(fā) 射信號人工神經(jīng)