防噴器的聲發射檢測應用

摘 要：本文結合聲發射技術特點，針對環行防噴器的結構特征，提出了用聲發射檢測的平面定位方案。講述了檢測前的準備工作；通過采用兩次加載，對比兩次實驗中的采集數據，結合凱塞爾效應的原理，綜合分析了檢測中的噪聲來源，指出從保壓階段的采集數據中提取有效信號，并根據有效信號判斷缺陷的性質。最后給出檢測結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。
??? 關鍵詞：聲發射；防噴器；檢測 聲發射（AE）；無損檢測；評定 超聲波液位計 超聲波物位計 超聲波清洗機 超聲波測厚儀 洗片機
0 引言
聲發射（ACOUSTIC EMISSION簡稱AE）是上世紀六、七十年代發展起來的一種無損檢測（NDT）方法。近一、二十年來，這項技術已在石油化工、航天航空、水利電力、交通運輸、機械、建筑等行業得到較廣泛的應用[1，2]。并已制定了相關的檢測標準，如參考文獻[5-7]。它的原理是：受力構件的材料內部在損傷缺陷萌生、擴展過程中會釋放塑性應變能，應變能以應力波形式向外傳播擴展，這種現象即稱聲發射現象。
防噴器是在石油行業中得到廣泛應用的設備，是井控設備的核心組件，防噴器質量的優劣直接影響油氣井壓力控制的成敗，一旦發生泄漏會造成嚴重的環境污染，給社會經濟、生產和人民生活帶來損失和危害，直接影響社會安危。環形防噴器是由于其封井元件-膠芯-呈環狀而得名。封井時，環形膠芯被迫向井眼中心集聚、環抱鉆具。當井內無鉆具時，環形防噴器可用以全封井口。由于環形防噴器的功能是較為全面的，能適應井口的多種工況迅速封井，所以應用得非常廣泛，因此對環形防噴的檢測也顯得格外重要。
在定期檢驗過程中對，采用超聲波和射線方法很難發現超標缺陷，如全部返修，則費用消耗過大，通過大量實驗，我們發現采用聲發射檢測可以快速發現這些超標缺陷中存在的活性缺陷，僅需對這些活性缺陷進行返修處理，壓力容器即可重新投入使用。
1 檢測方法
1.1 試驗設備基本情況
某廠一臺1993年11月生產的FH28-35錐型膠芯環形防噴器，工作壓力為35MPa。試壓介質為水。試驗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
根據環形防噴器的受力特點和我們檢測儀器的實際條件，在環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 檢測儀器及參數設置和準備工作
主機：DISP-16通道聲發射測試系統；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，和檢驗定位的精度。
1.4 加載程序
根據標準SY/T 6160-1995的規定[4]，采用二次加載方法，使檢測數據更充分、結果更可靠。具體加載方案時第一次加載到35Mpa后穩壓15min，然后完全卸載防噴器內壓力，進行第二次加載，到35Mpa后再保壓15min。
對加載設備的要求是：升壓平穩、緩慢，壓力波動量要小，保壓期間無泄漏。每次開始加載時，都把聲發射檢測系統同時打開，采集數據，觀察顯示窗口中的圖形（數據）隨壓力的增加所引起的變化。若發現有異常信號發生，應立即停止加載，并保壓觀察，視具體情況決定是繼續升壓還是迅速降壓。試驗加載方案如圖1。
2 有效聲發射數據的確定
在確定有效聲發射數據之前，先來介紹許多金屬材料共有的形變聲發射的不可逆效應，即"材料被重新加載期間，在應力值達到上次加載最大應力之前不產生聲發射信號。"[2]這種不可逆現象稱為"Kaiser效應"。
信號的識別是聲發射檢測中非常重要的環節。由于環形防噴器的結構獨特，是由多個零部件組成，安裝在內部的膠芯是有鋼塊支撐的澆鑄件。所有這些零件，在加載時，不可避免的出現很多信號，它們都被顯示在屏幕上和記錄在數據文件里。但聲發射檢測的目的，是以有無缺陷擴展信號來判斷設備的安全性。而上述大量非缺陷擴展信號的涌現，使我們難以分辨出真實的開裂信號。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數據，而主要是根據防噴器保壓階段的信號數據。
2.1 噪聲信號
噪聲信號的來源主要是殼體與內部結構件之間發生摩擦、螺栓受力引起的變形，以及各螺栓受力不均導致的載荷重新分配，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，上述現象一般說來不會產生，但對于不穩定狀態的結構也不完全杜絕，特別是在第一次保壓時。而且由于摩擦的機制與一塊金屬材料因變形而產生的聲發射信號機制不同，故不能滿足Kaiser效應。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生的信號。這類信號定位源比較集中，信號的參數數值較大，而且會多次出現。在加載期間，一般低于防噴器的工作壓力下無聲發射信號，在高于此壓力的升壓、保壓各個階段會有聲發射信號，在降壓后的第二次升壓和保壓階段，根據是否在同一位置出現信號及其強弱程度來確定聲發射源的活性程度，對于弱活性或非活性的源來說，是很少或者沒有聲發射信號產生，滿足Kaiser效應。
2.3 試驗數據分析
每次試驗結束后，采用幅度分析法，即根據其幅度及聲發射信號參數隨時間、壓力變化的情況，綜合分析，再對聲發射源所處位置進行統計。我們發現兩次試驗都有相似的地方，即在升壓階段都會有很多信號產生，這與我們在試驗前預測的一樣，由于防噴器的結構特點，在加載階段內部環形膠心和殼體發生磨擦、螺栓變形，這些情況都會產生大量的噪聲信號，因此我們要分析的數據主要來源于保壓階段的采集信號。試驗中兩次加載采集到的數據如表1。
在第一次試驗的保壓階段，共產生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，初步估計是膠芯變形與頂蓋發生摩擦引起的噪聲信號。在第二次試驗的保壓階段,只有第一定位組產生1個信號，和第一次試驗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的信號為非活性聲發射源。即，該防噴器在試驗壓力35MPa情況下，未出現明顯的活動缺陷跡象，因此可以認為在工作壓力情況下是安全的。
表1 兩次試驗中保壓階段采集數據統計表
加載循環 定位組 事件數 振鈴計數 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 結論
通過這次檢測實踐，筆者認為：運用聲發射技術對防噴器水壓試驗過程進行監測是可行的。
從檢測的結果數據來看，用聲發射檢測能夠及時有效的反映出被測件在試驗階段的受力情況，動態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，發揮出了聲發射檢測的主要優點。在試驗結束后，運用軟件的特有功能，進行數據分析，排除噪聲信號，得出更加詳細的檢驗結論。
在整個試驗過程中，殘余應力釋放、結構之間的摩擦、密封泄露都可產生大量的噪聲信號,目前不能很好的排除升壓階段的噪聲信號，需進一步開展聲發射信號各種處理分析技術和神經網絡模式識別的研究，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。結合材料力學性能分析試驗，加強在役構件新生裂紋的定期聲發射檢測、疲勞裂紋起始與擴展聲發射檢測，提高壓力容器、壓力管道和各種石油裝備的在線檢測應用水平。