朱祥軍

（川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量檢驗(yàn)監(jiān)督研究院，四川 廣漢 618300）

1 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(fèi)大量的人力物力，為及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題帶來困難。鑒于此，一種新型的檢測方法-聲發(fā)射檢測就越來越受到人們的關(guān)注，聲發(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/T 18182-2000[2]、JB/T 7667-1995[3]和 ANSI/ASTM E 569-1997[4]。

文中探討聲發(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(jìn)行研究，根據(jù)實(shí)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。

2 聲發(fā)射檢測的原理及特點(diǎn)

2.1 聲發(fā)射檢測的原理

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(kuò)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，在材料表面用聲發(fā)射傳感器將這種表面位移的機(jī)械振動信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后經(jīng)過放大、處理和記錄。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(jī)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(diǎn)

（1）可以進(jìn)行在線檢測或?qū)崟r監(jiān)控，而不需要停產(chǎn)；

（2）可以進(jìn)行整體監(jiān)控，這也是其他無損檢測無法實(shí)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(diǎn)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(jī)：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(jī)的傳輸速度可達(dá)132M/s。

（2）探頭：R15；頻率范圍：50～200 kHz；溫度范圍：-65℃～200℃；傳感器類型：單一終端，任意接地保護(hù)。

（3）同軸電纜：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40 m）。

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(jī)與探頭連接起來。

3.3 儀器調(diào)整及設(shè)置

（1）打開主機(jī)，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(jìn)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(jìn)行。

以高壓管線為例，沿著高壓管線中心線布置AE傳感器，打磨出19個衰減測點(diǎn)，每個測點(diǎn)相距100～300mm。用HB鉛筆芯在測點(diǎn)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(jī)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(jī)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(jī)械噪聲頻率一般在100kHz以下，因此選擇諧振頻率為150～300kHz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(jìn)行分析。

在試驗(yàn)的過程中還發(fā)現(xiàn)，設(shè)備在第二次保壓階段的聲發(fā)射信號都要少于在第一次保壓階段產(chǎn)生的聲發(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(jìn)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

4.3 定位方式選擇

利用聲發(fā)射技術(shù)對石油高壓管匯進(jìn)行檢測，不需要對整個本體進(jìn)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)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、活動彎頭、L形彎頭、T形三通、十字形四通，歧管三通、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，用3D定位或者柱面定位必定會帶來定位不準(zhǔn)、信號接收不全的情況[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(diǎn)部位。

同時可以考慮采用線性或者平面定位發(fā)式進(jìn)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(shí)際，下面通過模擬試驗(yàn)進(jìn)行同材料同長度傳感器間距的對比試驗(yàn)。

選取的材料是一根在用的高壓管線，采用了線性定位和平面定位兩種方式，如圖3和圖4所示。要求兩組定位方式中，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

圖4 平面定位布置

從試驗(yàn)結(jié)果來看，采用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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)行檢測。

4.4 破裂信號分析

有了布點(diǎn)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(jìn)行分析。

對兩根管線進(jìn)行爆破聲發(fā)射檢測，采用線性定位方式，考慮避開進(jìn)壓口的干擾，在管線的另一側(cè)布點(diǎn)。

可以看出管線的結(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(yàn)過程的數(shù)據(jù)綜合分析，第一個管線在整個試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果和第一根類似。

表2 兩組定位方式模擬源數(shù)據(jù)對比表

表3 管線破裂時信號參數(shù)列表

爆破的位置和軟件定位的坐標(biāo)對比可以看出兩次試驗(yàn)采集的信號都非常準(zhǔn)確。

對兩次采集到的信號進(jìn)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?？梢钥闯隼寐暟l(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(yàn)是在結(jié)構(gòu)簡單、衰減小的石油高壓管匯進(jìn)行的，試驗(yàn)方法和結(jié)果對其他石油鉆井設(shè)備是否適用，有待進(jìn)一步研究。

[1] 袁振明，馬羽寬，何澤云.聲發(fā)射技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

[2]GB/T 18182-2000，金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[3] JB/T 7667-1995，在役壓力容器聲發(fā)射檢測評定方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[4] ANSI/ASTM E 569-1997，Practice for acoustic emission monitoring of structures during controlled stimulation[S].

[5] 沈功田，耿榮生，劉時風(fēng).聲發(fā)射信號處理和分析技術(shù)[J].無損檢測，2002，24（1）：23-28.

[6] 劉國華.聲發(fā)射信號處理關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，2008.

[7] 耿榮生，沈功田，劉時風(fēng).基于波形分析的聲發(fā)射信號處理技術(shù)[J].無損檢測，2002，24（6）：257-261.

[8] 沈功田，耿榮生，劉時風(fēng).聲發(fā)射信號的參數(shù)分析方法[J].無損檢測，2002，24（2）：72-78.

[9] 耿榮生，劉時風(fēng)，沈功田，等.聲發(fā)射信號的定位技術(shù)[J].無損檢測，2002，24（3）：114-117，125.

[10]徐彥廷.聲源定位問題研究及誤差分析[J].無損檢測，1999，24（5）：199-200.

[11]胡昌洋，楊鋼鋒，黃振峰，等.聲發(fā)射技術(shù)及其在檢測中的應(yīng)用[J].計量與測試技術(shù)，2008，35（6）：1-3，6.