石油高壓管匯聲發(fā)射特性的研究

1、第36卷第4期2010年7月中國測試CHINAMEASUREMENT&TESTVol.36No.4July，2010石油高壓管匯聲發(fā)射特性的研究朱祥軍（川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量檢驗監(jiān)督研究院，四川廣漢618300）摘要：為了解決石油高壓管匯常規(guī)無損檢測費時費力的現(xiàn)狀，提高檢測準(zhǔn)確性，從實驗入手，根據(jù)聲發(fā)射技術(shù)原理，分析出聲發(fā)射源產(chǎn)生的聲發(fā)射信號在石油高壓管匯的的傳播特性，給出檢測中排除噪聲的方法，通過破壞實驗研究分析出石油高壓管匯缺陷擴展的聲發(fā)射信號參數(shù)特征，并給出石油高壓管匯聲發(fā)射檢測的最佳布點方式。實驗效率高，為其他聲發(fā)射信號傳播衰減小、傳播特性好的石油設(shè)表明，聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到

2、石油高壓管匯檢測準(zhǔn)確度高、備的聲發(fā)射檢測提供參考。關(guān)鍵詞：聲學(xué)；石油高壓管匯；聲發(fā)射；特性；噪聲；定位中圖分類號：TB51+2；TE258.3文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1674-5124（2010）04-0021-04ResearchofAEcharacteristiconhigh-pressurepetroleumtubeZHUXiang-jun（SafetyEnvironmentQualitySurveillanceandInspectionResearchInstituteofCNPCChuanqingDrilling&ExplorationCorporation，Guanghan

3、618300，China）Abstract:Inordertosolvethetime-consumingandlabor-coststatusofhigh-pressurepetroleumtubetestwithconventionalNDTandimprovetheaccuracy,thetransmissioncharacteristicsofAEsignalonhigh-pressurepetroleumtubewasanalyzedonthebasisofexperimentsaccordingtotheprinciplesofacousticemissiontechnique,a

4、ndthenoisesourcesinthetestswerealsoanalyzedindetail.TheAEsignalcharacteristicparametersofhigh-pressurepetroleumtubewasidentifiedthroughdestructiveexperiments,andthebestwayforAElayoutwasproposed.Theexperimentresultsshowthatacousticemissiontechnologyisofhigh-accuracyandhigh-efficiencyfortestinghigh-pr

5、essuretube.Itprovidesareferencewayforacousticemissiontestingofotheroilequipmentswithlowattenuationandgoodtransmissioncharacteristics.Keywords:acoustics；high-pressurepetroleumtube；AE；characteristic；noise；location1引言石油高壓管匯是鉆高壓油氣井必需配備的地面裝置，有些鉆井隊一經(jīng)配備就沒有更換過，有的已經(jīng)使用了十多年，其常年在野外使用，工作環(huán)境惡劣，管匯內(nèi)部與大量的腐蝕性物質(zhì)接觸，存在不同

6、程度的損傷，技術(shù)狀況和服役能力下降，以至于引起管匯失效而造成嚴(yán)重事故。目前常用的探傷方法雖然能檢測出石油高壓管匯的缺陷，但是不能判斷管匯能否繼續(xù)使用，盲目的判廢必然上增加使用單位的成本；并且常規(guī)探傷需要耗費大量的人力物力，為及時解決問題帶來困難。鑒于此，一種新型的發(fā)現(xiàn)問題、檢測方法-聲發(fā)射檢測就越來越受到人們的關(guān)注，聲收稿日期：2009-07-13；收到修改稿日期：2009-10-17作者簡介：朱祥軍（1978-），男，工程師，主要從事聲發(fā)射檢測發(fā)射技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到很多行業(yè)1。目前相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T18182-20002、JB/T7667-19953和ANSI/ASTME569-19974。文

7、中探討聲發(fā)射檢測技術(shù)在高壓管匯的檢測，利用美國PAC公司最新生產(chǎn)的SAMOS全數(shù)字多通道聲發(fā)射儀對高壓管匯進行研究，根據(jù)實際采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果來分析并確定高壓管匯的聲發(fā)射特性。22.1聲發(fā)射檢測的原理及特點聲發(fā)射檢測的原理工作。針對高壓管匯的承壓件在管體內(nèi)部的介質(zhì)壓力由低到高發(fā)生變化時，其承壓部位中有缺陷的部分產(chǎn)生裂紋擴展或由腐蝕影響所產(chǎn)生的斷裂和局部變形及其他（諸如應(yīng)力腐蝕斷裂、一定的物理變化所引起的彎曲和變形及不同程度的脆化等）現(xiàn)象所產(chǎn)生的彈性波通過所儲介質(zhì)傳播到材料的表面，在材料22中國測試2010年7月表面用聲發(fā)射傳感器將這種表面位移的機械振動信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后經(jīng)過放大、處理和記錄。

8、最終通過這些信號來分析與推斷以了解產(chǎn)生聲發(fā)射的機制，從而確定相應(yīng)的缺陷狀況。其原理圖見圖1。2.2聲發(fā)射檢測技術(shù)特點（1）可以進行在線檢測或?qū)崟r監(jiān)控，而不需要停產(chǎn)；（2）可以進行整體監(jiān)控，這也是其他無損檢測無法實現(xiàn)的；（3）對被檢測件的接近程度不高，從而適合于其他方法難于或不能接近的環(huán)境；（4）其最大的優(yōu)點是速度快、成本低。3研究儀器及準(zhǔn)備3.1研究儀器（1）主機：美國PAC公司生產(chǎn)的SAMOS全數(shù)字的聲發(fā)射儀，PCI總線提供聲發(fā)射數(shù)據(jù)與PC機的傳輸速度可達132M/s。（2）探頭：R15；頻率范圍：50200kHz；溫度范圍：-65200；傳感器類型：單一終端，任意接地保護。（3）同軸電纜：

9、具有良好的屏蔽電磁噪聲干擾能力，其信號傳播衰減損失小于1dB/30m，且長度沒有超過150m（研究最長使用的同軸電纜為40m）。3.2儀器的安裝（1）布置探頭：選擇4個探頭（根據(jù)管件的尺寸布置探頭的個數(shù)）；（2）將探頭盡量等間距地布置到事先規(guī)劃好的位置；（3）選擇適當(dāng)長度的同軸電纜將主機與探頭連接起來。3.3儀器調(diào)整及設(shè)置（1）打開主機，硬件設(shè)置，根據(jù)預(yù)采背景噪聲來設(shè)置門檻值；（2）根據(jù)分析需要對分析軟件進行設(shè)置，例如各種關(guān)聯(lián)圖及2D、3D定位圖。4研究內(nèi)容4.1衰減測試石油高壓管匯外形多為薄壁、規(guī)則、材料分布均勻，測試石油高壓管匯上信號的衰減特性需要在管匯表面中心線上進行。以高壓管線為例，沿

10、著高壓管線中心線布置AE傳感器，打磨出19個衰減測點，每個測點相距100300mm。用HB鉛筆芯在測點處折斷作為聲發(fā)射信號源，將檢測出的信號幅度值一一記錄，并畫出衰減曲線如圖2。檢測的結(jié)果表明，聲發(fā)射信號在石油高壓管匯表面的衰減非常小，傳感器接受到的信號范圍非常廣，可作為下一步研究傳感器最大布置距離的參考。4.2噪聲排除噪聲干擾是影響聲發(fā)射檢測結(jié)果判定的重要因素，但是很多噪聲信號的產(chǎn)生無法避免，因而識別和排除噪聲信號稱為聲發(fā)射技術(shù)中的重要部分。聲發(fā)射檢測中遇到的噪聲信號包括電磁噪聲和機械噪聲。常見的電磁噪聲有：（1）由于前置放大器故障引起的不可避免的電子噪聲；（2）由于檢測線路和被測件之間回路

11、接地不當(dāng)問題的回路噪聲；（3）環(huán)境中的無線電、電源干擾等引起的電磁干擾。機械噪聲包括：（1）摩擦噪聲；（2）撞擊噪聲；（3）流體噪聲。在挑選傳感器和放大器時選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率。普通的機械噪聲頻率一般在100kHz以下，因此選擇諧振頻率為150300kHz或更高的傳感器能夠有效克服干擾噪聲的影響。并且這些傳感器都能在炎熱和寒冷的天氣條件下采集信號。對信號的分析可以分為參數(shù)分析法和波形分析法5-6。參數(shù)法雖然沒有波形分析中的數(shù)據(jù)豐富、工具眾多7，但是參數(shù)分析法已經(jīng)是很成熟的技術(shù)，對信號的分析快速，容易上手8，因此這次主要采用參數(shù)法進行分析。在試驗的過程中還發(fā)現(xiàn)，設(shè)備在第二次保壓階段的聲發(fā)射信號都要

12、少于在第一次保壓階段產(chǎn)生的第36卷第4期朱祥軍：石油高壓管匯聲發(fā)射特性的研究23聲發(fā)射信號，結(jié)合Kaiser效應(yīng)的信號產(chǎn)生規(guī)律，把在第一次保壓階段出現(xiàn)，但在第二次保壓階段沒有出現(xiàn)的信號提取出來進行分析，并對比在設(shè)備上模擬源的聲發(fā)射信號，如表1看出利用信號參數(shù)特征的差別可以有效的分辨出噪聲信號。表1噪聲信號和模擬源信號對比表模擬信號幅度/dB能量振鈴計數(shù)/個沒有重復(fù)出現(xiàn)的信號幅度/dB能量振鈴計數(shù)/個505957495755511061171274336901124023764232561713184247583828179828116926256829039149818041211141216

13、5717021672462同時可以考慮采用線性或者平面定位發(fā)式進行定位檢測，到底哪一種方案更科學(xué)、更快速、更準(zhǔn)確、更符合現(xiàn)場實際，下面通過模擬試驗進行同材料同長度傳感器間距的對比試驗。選取的材料是一根在用的高壓管線，采用了線要性定位和平面定位兩種方式，如圖3和圖4所示。求兩組定位方式中，傳感器間距的長度要求相同，每個傳感器周圍及傳感器矩陣中間打模擬源3次，結(jié)果如表2。圖3線性定位布置4.3定位方式選擇圖4平面定位布置利用聲發(fā)射技術(shù)對石油高壓管匯進行檢測，不需要對整個本體進行打磨光滑，只需要對聲發(fā)射傳感器布置的位置打磨就行。這樣在聲發(fā)射采集通道有限的情況下，選擇合適的定位方式將決定檢測的速度和準(zhǔn)

14、確度。聲發(fā)射定位主要分為區(qū)域定位和時差定位兩種。石油高壓管匯是重要性很大、關(guān)乎生命安全的設(shè)備，要求對設(shè)備的檢查必須精準(zhǔn)，因此采用時差定位方式。時差定位分為：（1）一維定位；（2）平面定位；（3）三維定位；（4）柱形、球面定位。石油高壓管匯主要都包括旋塞閥、單流閥、活動L形彎頭、T形三通、十字形四通，歧管三通、彎頭、Y形三通、爪形四通接頭等。從結(jié)構(gòu)上來看都是薄壁、結(jié)構(gòu)簡單、衰減小的容器。但材料分布并不均勻，信用3D定位或者柱面定位必定會帶來定位不準(zhǔn)、號接收不全的情況9-11。在選擇定位方式前，首先要根據(jù)管匯的工作原理和受力情況找出設(shè)備檢測的重點部位。表2模擬源坐標(biāo)/mm線定位從試驗結(jié)果來看，采用

15、線性定位和平面定位方式得到的信號坐標(biāo)都非常接近模擬源坐標(biāo)，而且在檢測現(xiàn)場，為了能一次檢測更多的管匯，對于長度遠遠大于直徑的管子，把這些管子看作是一根直線，可以優(yōu)先采用一維線性定位方式，能夠更快速而準(zhǔn)確的進行檢測。4.4破裂信號分析有了布點方式和有效信號的識別方法，下面需要對石油高壓管匯缺陷信號的參數(shù)特征進行分析。對兩根管線進行爆破聲發(fā)射檢測，采用線性定位方式，考慮避開進壓口的干擾，在管線的另一側(cè)布點?？梢钥闯龉芫€的結(jié)構(gòu)簡單，而且只有少量的連接件，在升壓過程中大部分都是管體受力拉伸所產(chǎn)生的信號，因此需要對整個試驗過程的數(shù)據(jù)綜合分析，兩組定位方式模擬源數(shù)據(jù)對比表顯示坐標(biāo)/mm幅度/dB能量計數(shù)/個

16、第二次顯示坐標(biāo)/mm幅度/dB能量計數(shù)/個第三次顯示坐標(biāo)/mm幅度/dB能量計數(shù)/個第一次X=0.00X=400.00X=800.00X=0.00Y=0.00X=14.18X=392.60X=790.50X=49.34Y=2.12X=794.80Y=-31.71X=776.00Y=14.40X=54.36Y=87.77X=422.50Y=52.676260676370645161851511578425234715322437162158337711601289698979X=39.16X=371.30X=781.80X=33.62Y=20.17X=747.00Y=23.63X=758.80Y

17、=155.10X=48.28Y=116.00X=371.30Y=60.0271647071727048641573711802201971406251059312057508867926092411608X=39.83X=405.70X=796.6X=-1.17Y=29.46X=841.90Y=25.53X=747.40Y=133.90X=61.12Y=107.90X=369.50Y=71.3359576262626160531179343114591636487144492143809200540200451平面定位X=800.00Y=0.00X=800.00Y=150.00X=0.00Y=

18、150.00X=400.00Y=70.0024中國測試2010年7月第一個管線在整個試驗過程中1號傳感器附近信號能量很突出，說明在這個位置聲發(fā)射信號最為多，變形也最為明顯。最后的爆破結(jié)果和爆破期間的信號參數(shù)如表3中“第一根”所示，爆破的位置和信號顯示的位置相同。第二根管線的試驗結(jié)果和第一根類似。表3管線破裂時信號參數(shù)列表坐標(biāo)/mm幅度/dB能量計數(shù)/個X=0.008215715393第一根X=0.008310543970X=43.97896572237190X=400.609851898556第二根X=383.709131015083X=417.70815241879X=636.2083955910812爆破的位置和軟件定位的坐標(biāo)對比可以看出兩次試驗采集的信號都非常準(zhǔn)確。對兩次采集到的信號進行分析可以看出，石油高壓管匯這類薄壁的容器，在拉伸作用下產(chǎn)生的斷裂信號具有以下特性：（1）高能量，能量值大于1000；（2）高幅度，幅度值大于80dB；（3）振鈴計數(shù)都非常大，計數(shù)值上萬。5結(jié)束語通過對石油高壓管匯的一系列的聲發(fā)射研究，測試、分析出聲發(fā)射信號在石油高壓管匯材料中傳播的有效模型，包括聲發(fā)射信號衰減、信號定位方式、破裂信號的參數(shù)特征，系統(tǒng)的總結(jié)出石油高壓管匯聲發(fā)射檢測中的噪聲排除方法。可以看出利用聲發(fā)射技術(shù)可以準(zhǔn)確地判斷出石油高壓管匯的內(nèi)部動態(tài)缺陷。試驗是在結(jié)構(gòu)簡單、衰減小的