防喷器壳体材料疲劳试验的声发射分析.doc

防喷器壳体材料疲劳试验的声发射分析THE FATIGUE TEST’S AE ANALYSIS OF BOP SHELL MATERIAL朱祥军Zhu XiangJun川庆钻探工程公司安全环保质量监督检测研究院，四川，618300Safety Environment Quality Surveillance and Inspection Research Institute of CNPC Chuanqing Drilling&Exploration Corporation,Sichuan 618300摘要：根据新防喷器声发射检测遇到的数据难分析、难评定等问题，针对防喷器壳体材料进行多种疲劳试验，在试验过程中全程采集声发射数据通过对比不同的试验数据，分析出防喷器壳体材料中缺陷扩展的信号特征、典型干扰的信号特征，以及材料在疲劳过程中声发射信号特征的变化趋势并且把这些分析成果成功的应用到新防喷器的检测中，检测证明整个分析非常正确Abstract ：The AE testing data of new BOP is difficult to analyzed and evaluated,so conduct a variety of fatigue test about the BOP shell material and collect AE data during all of the test. Through the comparison of different test data, get the characteristics of defect signal extension in the material, get the characteristics of the typical interference signals. and get the acoustic emission signal trends of materials in the fatigue process. Successful to apply the analysis results to detect new blowout preventer.关键词：声发射，防喷器，屈服强度，疲劳试验Key Words：ACOUSTIC EMISSION,BOP,YIELD STRENGTH,FATIGUE TEST1、引言作者简介：朱祥军(1978-), 男, 四川省人, 汉族, 本科, 工程师，从事声发射检测及研究工作，邮箱：zxjfire@。

声发射（ACOUSTIC EMISSION简称AE）是上世纪六、七十年代发展起来的一种无损检测（NDT）方法近一、二十年来，这项技术已在石油化工、航天航空、水利电力、交通运输、机械、建筑等行业得到较广泛的应用[1，2]它的原理是：受力构件的材料内部在损伤缺陷萌生、扩展过程中会释放塑性应变能，应变能以应力波形式向外传播扩展，这种现象即称声发射现象声发射是一种常见的物理现象，大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来声发射技术就是将高灵敏度的声发射压电传感器安装在受力构件表面上，并形成一定形式的传感器阵列，实时接受和采集来自于材料缺陷的声发射信号，进而通过对这些声发射信号的识别、判断和分析等过程，对材料损伤缺陷进行检测研究，对构件的完整性进行评定，并为设备在使用工况下的寿命进行预测[1~4]，近年来，我国的声发射技术也已经取得很大的进步，在很多方面都取得优秀的成果[5～9]防喷器在石油行业应用广泛，是井控设备的核心组件，近年来我国对防喷器进行声发射检测也应用的越来越广泛按规定新防喷器在出厂的时候都需要进行1.5的强度试验，在这个时候同时进行声发射检测可以避免重复检测浪费的时间，而且利用声发射高灵敏度、快速直观分析等特性能快速帮助厂家了解该防喷器壳体的安全性能，及时发现有问题的防喷器。

但是现场检测人员发现新出厂的防喷器在强度试验状态下声发射采集到的信号非常多，而且很多信号和典型缺陷信号具有相似性，不能依据常规的方法进行数据分析为了发现新防喷器检测时和在役防喷器检测时声发射信号的区别，必须对新防喷器进行疲劳跟踪试验考虑到防喷器成本高、使用周期长、而且使用地域跨度大，声发射跟踪防喷器实体有点困难，因此研究人员决定全程跟踪防喷器材料的疲劳过程，从新出厂状态至到长期使用后的状态，对比各个阶段材料产生的声发射信号特征，找出材料使用过程中声发射变化规律2、试验准备2.1 试棒设计试棒进行声发射信号采集需要粘贴传感器，而且在拉伸过程中必须尽量避免试棒和拉伸机之间产生的机械摩擦，因此试棒设计为薄方形，两端大，目的是为了保持试验机的加持力，方便粘贴声发射传感器，而且不能太大，避免发生摩擦；中间小，可以加快材料快速进入塑性变形，而且节约成本图1 试棒设计图试验中还需要研究试棒在有缺陷的情况下，缺陷随着疲劳拉伸的变化，因此在试棒中间位置人工制造了线性缺陷，使应力集中的部位远离试件的夹持端部，有利于区分噪声信号的干扰防喷器分锻造和铸造，因此材料也分为两种2.2 试验设备试验采用的拉伸设备为WAW-Y500材料试验机，它采用精密高压油源作为动力源，使用高精度宽频电液伺服阀作为控制元件进行闭环自动控制，因而控制性能较高。

同时确保系统高精高效、低噪音、快速响应；采用独立的液压夹紧系统，确保系统低噪音平稳运行，且试验过程试样牢固夹持，不打滑通过采用微机控制全数字宽频电液伺服阀，驱动精密液压缸，微机控制系统对试验力进行多种模式的自动控制，完成对试样的拉伸试验，符国家标准GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》的要求及其他标准要求声发射系统采用PAC公司的DiSP采集分析系统主机：DISP-16通道声发射测试系统软件：AEwin for Disp Version 1.80门槛值：40 dB传感器型号：R15压电传感器前置放大器：2/4/6型增益：40 dB耦合剂：黄油2.3 疲劳周期设计由于防喷器结构复杂，单根材料并不能反映出防喷器壳体本身的受力情况，因此必须对不同拉力情况下的材料进行疲劳，疲劳过程如下图所示：a)单次疲劳示意图b)加载程序图图2 疲劳程序图其中T0为间歇时间，T1为加载时间，T2为平稳时间，T3为卸载时间以材料的屈服强度10%作为增益进行递增，根据初步试验结果以及研究人员的分析，试棒在80%屈服强度的拉力以下不会产生有效声发射信号最终试验程序为：以屈服强度的80%、90%、100%为拉伸力进行疲劳，每次间歇时间、加载时间、平稳时间、卸载时间都为30s，每个拉伸等级疲劳重复40次；拉伸力等于屈服强度后，以屈服强度的5%作为增益增加，重复疲劳试验，直至材料拉断。

3、数据分析3.1 逐级增加载荷将试棒固定在拉伸机上，同时将声发射传感器固定在试棒上，经过校准后开始进行疲劳拉伸下面以锻件进行阐述4根试棒都进行了11组疲劳拉伸，由80%上升至140%，试棒在140%屈服强度的拉伸力下拉断将每次产生的信号进行分析，并对每组的各项声发射参数数据进行分类统计a)80% 屈服强度b)100% 屈服强度c)120% 屈服强度d)140% 屈服强度图3锻件试棒疲劳过程声发射信号图a)信号个数b)信号幅度c)信号能量d)信号振铃计数图4 锻件试棒疲劳试验声发射信号统计图经过锻件和铸件的疲劳试验数据分析，可以得出以下结论：每个拉伸力阶段锻件经过少数（2-3次）疲劳后应力达到平衡，铸件经过稍微多一些次数（13-17次）达到应力平衡3.2 疲劳对比试验接下来的试验是观察试棒在高拉伸力疲劳后进行低拉伸力疲劳的声发射信号变化试验步骤如下：1、试棒在拉伸力为屈服强度120%的情况下，疲劳拉伸40次；2、试棒在拉伸力为屈服强度80%的情况下，疲劳拉伸40次；在120%屈服强度阶段疲劳过程产生很多的信号，10次之后信号才逐渐消失，比图3中c)都还要多第二次是80%，可以看出疲劳过程中的信号非常少，2次疲劳后每次只产生1-2个信号，比图3中a)的情况下要少很多。

这些现象都符合声发射中的凯赛尔效应，同时也说明试棒在最初的疲劳试验中当拉伸力不断增加时，首先产生的信号中有许多都是应力释放的干扰信号a)120%屈服强度b)80%屈服强度图5 疲劳对比试验图将这些干扰信号进行数据统计，分析出这些信号的特征为：幅度为40～50dB，能量小于10，振铃计数小于20个3.3 缺陷试棒疲劳试验由于存在人工缺陷，因此试棒的抗拉强度降低，锻件在拉伸力为120%屈服强度断裂，铸件在拉伸力为140%屈服强度断裂疲劳过程中，对比有缺陷的试棒和无缺陷试棒的疲劳数据，找出缺陷试棒在疲劳过程中产生不同的声发射信号，将这些信号进行对比、统计分析研究结果表明这些人工缺陷在疲劳过程中扩展产生的典型声发射信号参数特征为：幅度不高，没有超过80dB的，信号上升时间为80～700μs，平均信号频率为90～130kHz，这些特征和材料断裂信号有细微差别3.4 疲劳试验结论经过锻件和铸件试棒的各种疲劳试验数据分析，可以得出以下结论：1、锻件经过少数（2-3次）疲劳后应力达到平衡，铸件经过稍微多一些次数（13-17次）达到应力平衡；2、通过高拉伸力疲劳后再进行低拉伸力疲劳，可发现声发射信号减少很多，证明拉伸过程中多数信号为应力释放信号；3、缺陷扩展声发射参数特征：信号上升时间为80～700μs，平均信号频率为90～130kHz；4、典型干扰噪声信号参数特征为：幅度为40～50dB，能量小于10，振铃计数小于20个。

4、验证试验验证试验对象为华北荣盛机械厂生产的FZ28-105防喷器，声发射检测前进行防喷器内表面模拟信号采集[10]，对比内表面和外表面的模拟源信号差异，计算出缺陷扩展信号和典型干扰信号的特征有效范围试验过程中声发射信号如下图所示在稳压阶段该防喷器一直都有密集声发射信号产生，如果按照常规的防喷器检测声发射分析方法，出现这种情况应该立即将该防喷器判废但是结合对防喷器材料试棒的分析结果，我们知道这些信号大部分都是应力释放产生的信号，不能直接分析图6新防喷器强度试验声发射信号图这次试验共采集到声发射数据299个，对这些数据依次分析工作量非常大，因此首先以典型噪声干扰信号进行过滤过滤后的信号只有35个,极大减少数据分析量利用材料缺陷扩展的声发射信号特征对数据进行分析，没有发现存在扩展信号，证明该防喷器在试验过程中没有发生材缺陷扩展情况 为了验证以上分析结果，将该防喷器进行多少工作压力试压后再次进行声发射检测，从检测数据以及检测图可以很直观的看出该防喷器可以正常使用，这和前面的分析结果完全一致，而且和我们对材料试棒研究的结论1、2相符5、结论Ø 通过对防喷器材料试棒进行几种方式的疲劳试验，统计出材料在使用过程中的声发射变化规律；Ø 通过对比分析，发现缺陷扩展的信号特征、典型干扰的信号特征；Ø 将材料试棒的研究成果应用于新防喷器强度声发射检测中，结果证明这些研究成果非常准确，而且对强度试验的分析有极大的帮助。

参考文献[1] 耿容生，声发射技术在航空工业中的应用-现状、困难及对策 中国第十届声发射学术研讨会论文集 2004[2] 沈功田，戴光，刘时风，中国声发射技术发展 中国第十届声发射学术研讨会论文集 2004[3] 刘时风.焊接缺陷声发射检测信号谱估计及人工神经网络模式识别研究[D].北京：清华大学机械工程系.。