王朋飛，石健，邵永波，朱紅梅

（1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500；2.西南石油大學(xué) 土木測(cè)繪學(xué)院，成都 610500）

導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)是目前淺海海域采集油氣的 主要形式。海洋平臺(tái)上長(zhǎng)期浸泡在海洋中的管柱構(gòu)件在復(fù)雜荷載、洋流、漂浮物和海水腐蝕等作用下會(huì)產(chǎn)生缺陷，降低其強(qiáng)度和承載力，進(jìn)而會(huì)影響到導(dǎo)管架平臺(tái)的使用壽命。因此，分析受損管柱的力學(xué)性能以及對(duì)比加固前后的管柱的承載力和局部強(qiáng)度，對(duì)提高導(dǎo)管架平臺(tái)的使用壽命具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外眾多研究者對(duì)含腐蝕缺陷管柱的剩余強(qiáng)度和剩余承載力進(jìn)行了研究。Chen 等[1]對(duì)彎矩、軸向力和內(nèi)壓共同作用下的多種腐蝕管道進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)管道中的腐蝕缺陷會(huì)降低管道的承載能力。文獻(xiàn)[2-6]使用有限元法研究了腐蝕管道的剩余強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)隨著腐蝕缺陷的深度和長(zhǎng)度的增大，管道失效壓力會(huì)逐漸下降。另有多位學(xué)者采用有限元的方法研究了腐蝕缺陷對(duì)管道殘余爆破強(qiáng)度的影響[7-9]，發(fā)現(xiàn)隨著缺陷深度和長(zhǎng)度的增大，管道的爆破壓力會(huì)逐漸降低。Zhang 等[10]采用有限元方法研究了腐蝕缺陷對(duì)管道坍塌壓力的影響，發(fā)現(xiàn)腐蝕缺陷同樣會(huì)降低管道的坍塌壓力。以上研究表明腐蝕缺陷會(huì)降低管柱的力學(xué)性能，因此需要對(duì)含有缺陷的管柱進(jìn)行加固處理。Gu 等[11]通過(guò)對(duì)CFRP 加固的腐蝕混凝土填充鋼管柱進(jìn)行研究，證明了CFRP 加固管柱構(gòu)件的有效性。吳健等[12]通過(guò)對(duì)CFRP 加固受損傷鋼板的雙軸拉伸性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)CFRP加固后可以基本恢復(fù)原結(jié)構(gòu)的承載能力，加固效果十分顯著。邵永波等[13]采用有限元分析與理論推導(dǎo)的方法對(duì)軸壓作用下CFRP 加固圓鋼管短柱的靜力承載力進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)向CFRP 約束鋼管的徑向變形；縱向CFRP 會(huì)承擔(dān)軸壓荷載中的部分壓力，限制鋼管的變形。史曼瑜等[14]對(duì)CFRP 加固含腐蝕TT 型管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行支管軸向壓力靜力試驗(yàn)對(duì)比測(cè)試，發(fā)現(xiàn)采用CFRP 對(duì)含腐蝕TT 型管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固可以減小管節(jié)點(diǎn)相貫區(qū)域處的失效范圍，緩解該處的應(yīng)力集中現(xiàn)象；CFRP 可有效地提高管節(jié)點(diǎn)的極限承載力。以上研究表明了CFRP 加固鋼管柱構(gòu)件的可靠性。

聲發(fā)射（Acoustic emission，AE）是由于材料內(nèi)部或表面來(lái)自變形或者損壞的應(yīng)變能突然釋放產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波[15]。AE 技術(shù)具有檢測(cè)范圍大，定位能力強(qiáng)，應(yīng)用面廣的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于鋼、混凝土、巖石、圬工橋梁、混凝土梁等主要工程材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)[16]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在利用AE 技術(shù)研究鋼結(jié)構(gòu)試件方面已經(jīng)做出許多研究。Chuluunbat 等[17]利用AE 技術(shù)對(duì)X80 線管鋼斷裂行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究，發(fā)現(xiàn)缺口試件在屈服前開(kāi)始產(chǎn)生AE 信號(hào)，隨著應(yīng)變率的增加，AE 活躍程度增大，可通過(guò)AE 信號(hào)識(shí)別裂紋起裂點(diǎn)。Goldaran 等[18]利用AE 技術(shù)監(jiān)測(cè)PCCP 中腐蝕現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)AE 特征參數(shù)可以有效識(shí)別試驗(yàn)過(guò)程中的試件損壞的產(chǎn)生。Xu 等[19]利用AE 技術(shù)對(duì)單向CFRP 筋在拉伸過(guò)程中的損傷模式識(shí)別和損傷演化進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)AE 技術(shù)可以有效監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中單向CFRP 筋的狀態(tài)。何攀等[20]提出基于AE 技術(shù)的LBB 監(jiān)測(cè)方法，并通過(guò)開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)建立了LBB 鑒別方法和定位定量模型，研究發(fā)現(xiàn)采用AE 技術(shù)實(shí)現(xiàn)壓力管道LBB 監(jiān)測(cè)是有效的。Shrestha等[21]利用AE 技術(shù)對(duì)邊緣缺口鋼的疲勞進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)2D 聲發(fā)射源定位技術(shù)可以有效監(jiān)測(cè)裂紋擴(kuò)展。李兆南等[22]通過(guò)對(duì)壓力管道的AE 頻譜進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)AE 信號(hào)的幅值隨總流量和泄漏孔徑的增加而增加。艾瓊等[23]用AE 參數(shù)分析了含裂紋的壓力管道的缺陷擴(kuò)展，結(jié)果表明含缺陷管道的AE 幅度和能量隨加載時(shí)間逐步增大，可以用于鑒別管道是否存在活動(dòng)缺陷；在缺陷貫穿前，AE 信號(hào)的幅度、能量和計(jì)數(shù)會(huì)急劇增加，可以預(yù)測(cè)管道缺陷的貫穿及泄漏。

大量的研究表明：AE 技術(shù)可以有效監(jiān)測(cè)鋼結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的失效過(guò)程，利用AE 源定位技術(shù)可以對(duì)構(gòu)件的損傷部位進(jìn)行定位。本研究使用AE 技術(shù)，采集了含腐蝕缺陷的管柱構(gòu)件和經(jīng)CFRP 加固的含腐蝕管柱構(gòu)件在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過(guò)程中的AE 信號(hào)，通過(guò)分析AE 撞擊數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)和累積能量等特征參數(shù)，研究了管柱構(gòu)件的力學(xué)性能，以及AE 特征參數(shù)與軸壓下構(gòu)件的變形關(guān)系，為導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)上構(gòu)件的安全監(jiān)測(cè)提供參考。

1 試驗(yàn)構(gòu)件

構(gòu)件材料為20 鋼，拉伸試件是在?168 和?180 管道（壁厚5 mm）上截取制成的試件如圖1 所示，在對(duì)材料力學(xué)性能測(cè)量的同時(shí)采集AE 特征參數(shù)。

圖1 拉伸試件尺寸Fig.1 Geometric dimension of a tensile specimen

為研究缺陷對(duì)管柱構(gòu)件的影響，在S-1A 短構(gòu)件上制作深度為0.3 mm，長(zhǎng)度為200 mm，沿鋼管環(huán)向一周的腐蝕區(qū)域；在S-2A 長(zhǎng)構(gòu)件上制作深度為0.5 mm，長(zhǎng)度為500 mm，沿鋼管環(huán)向一周的腐蝕區(qū)域，如圖2 所示。為了研究CFRP 對(duì)導(dǎo)管性能的影響，分別在S-1A-C 和S-2A-C 上纏繞CFRP，具體參數(shù)如表1 所示。其中，H是指環(huán)向（90°方向）加固，即CFRP 的纖維方向沿鋼管的環(huán)向進(jìn)行粘貼，L是指縱向軸向（0°方向）加固，即CFRP 的纖維方向沿鋼管的軸向進(jìn)行粘貼。6 層的粘貼方式為先粘貼一層90°CFRP，再粘貼一層0°CFRP，以此類推。

表1 管柱構(gòu)件尺寸參數(shù)Tab.1 Dimension parameters of tubular column members

圖2 管柱構(gòu)件尺寸Fig.2 Dimensions of tubular column members

2 加載方案

在構(gòu)件中間位置沿環(huán)向逆時(shí)針安裝4 個(gè)夾角分別為90°的AE 傳感器, 如圖3 所示。在試驗(yàn)初期施加速率為12 kN/min 的軸向壓力；在試驗(yàn)后期（塑性階段），施加速率為6 kN/min 的載荷。

AE 設(shè)備為德國(guó)Vallen 公司的AMSY-6 型聲發(fā)射儀，AE 傳感器型號(hào)為VS150-RIC，采樣頻率為10 MHz，門檻值為45 dB。傳感器與試件表面使用凡士林作為耦合劑，并用夾具固定好，以保證信號(hào)的良好接受。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

AE 信號(hào)中振鈴計(jì)數(shù)越大，表明變形越大，可以通過(guò)振鈴計(jì)數(shù)的變化趨勢(shì)來(lái)分析變形過(guò)程；AE 信號(hào)的能量參數(shù)既能反映信號(hào)的強(qiáng)度，又能反映信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，可以從能量的分布及強(qiáng)弱中判斷損傷積累過(guò)程并確定損傷程度[24]。

3.1 拉伸試件

圖4a）為拉伸試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與AE 振鈴計(jì)數(shù)的關(guān)系。結(jié)果顯示，由于試件的曲率不同，應(yīng)力-應(yīng)變曲線有所差別。隨著載荷的變化，AE 振鈴計(jì)數(shù)可以分為3 個(gè)階段：第一階段（彈性-屈服階段），振鈴計(jì)數(shù)較高，且緩慢上升，表明試件進(jìn)入屈服階段后，滑移位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)依次開(kāi)始，并逐漸增加，故AE 信號(hào)也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；第二階段（強(qiáng)化-頸縮階段），試件在整體發(fā)生塑性變形的同時(shí)，隨著塑性變形的增加，材料產(chǎn)生應(yīng)滑移位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)程度降低，所以AE 信號(hào)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；第三階段（斷裂階段），隨著裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展，AE 信號(hào)又出現(xiàn)增加的趨勢(shì)，直到試件斷裂。

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線與AE 信號(hào)Fig.4 stress-strain curve and the AE signal

圖4b）為拉伸試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與AE 累積能量的關(guān)系。在彈性階段中，累積能量快速增加，表明此階段中彈性波快速釋放；屈服和強(qiáng)化階段中累積能量緩慢增加，沒(méi)有出現(xiàn)突發(fā)的信號(hào)，表明伴隨著塑性變形的增加，材料累積的損傷程度較低，沒(méi)有較大的損傷出現(xiàn)。

3.2 管柱構(gòu)件

3.2.1 承載力對(duì)比分析

表2 和圖5 分別為準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)中管柱構(gòu)件CFRP 加固前后承載力和載荷位移對(duì)比結(jié)果。結(jié)果顯示：使用CFRP 加固的構(gòu)件較未加固的構(gòu)件，其承載力和屈服載荷都有很明顯的提升，其中極限承載力分別提升了32.4%和27.0%。

表2 管柱構(gòu)件承載力對(duì)比Tab.2 Comparison of bearing capacities of tubular column members

圖5 CFRP 加固前后載荷位移曲線對(duì)比圖Fig.5 Load-displacement curve comparison before and after CFRP reinforcement

3.2.2 AE 時(shí)域特征及分析

AE 撞擊計(jì)數(shù)可表征試件內(nèi)部裂紋的初始萌生與擴(kuò)展，體現(xiàn)裂紋數(shù)量的變化，總計(jì)數(shù)越大，該傳感器附近越過(guò)門檻值的AE 信號(hào)越多，表明該區(qū)域附近發(fā)生的變形越大。

管柱構(gòu)件隨時(shí)間的損傷演化特征[25]可表示為

式中：Ω為從加載開(kāi)始至任意時(shí)刻試件的AE 累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)；Ωm為整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)；DSB為管柱構(gòu)件在該時(shí)刻的相對(duì)損傷情況。

圖6 為管柱構(gòu)件上AE 傳感器的撞擊計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)圖，結(jié)果顯示經(jīng)CFRP 加固后的構(gòu)件的撞擊計(jì)數(shù)比未加固構(gòu)件的AE 信號(hào)低。圖7 為管柱構(gòu)件AE 撞擊計(jì)數(shù)率和損傷變量DSB隨時(shí)間的演化過(guò)程。結(jié)果表明，4 個(gè)構(gòu)件損傷變量DSB變化趨勢(shì)基本相同。

圖6 各構(gòu)件不同位置的AE 撞擊計(jì)數(shù)變化Fig.6 The change of AE impact counts at different positions of each component

圖7 不同構(gòu)件在軸壓下AE 時(shí)域演化特征Fig.7 AE time domain evolution characteristics of different components under axial compression

由圖7 可知：4 個(gè)構(gòu)件損傷變量DSB其變化特征如下：

1）彈性變形階段：加載初期，AE 撞擊計(jì)數(shù)率處于一個(gè)較低的水平，增長(zhǎng)較為平緩。同時(shí)損傷變量DSB的增長(zhǎng)趨勢(shì)同樣較為平緩。表明試件整體處于彈性變形階段，內(nèi)部損傷較小。

2）塑性變形階段：隨著載荷的增加，AE 撞擊計(jì)數(shù)率開(kāi)始逐漸出現(xiàn)高值，并快速增加。同時(shí)損傷變量DSB開(kāi)始以較大的斜率快速增加，直至達(dá)到試件的極限承載力。表明此階段構(gòu)件的內(nèi)部損傷增加，并伴有微小裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展。

3.2.3 AE 撞擊計(jì)數(shù)的幅度和RMS 分布分析

幅度是信號(hào)波形的最大振幅值，常用于波源強(qiáng)度的測(cè)量；RMS 與AE 事件的大小有關(guān)，不受門檻影響，主要用于連續(xù)型AE 活動(dòng)性評(píng)價(jià)[26]。本文采用撞擊計(jì)數(shù)的幅度和RMS 分布相關(guān)分析法來(lái)分析構(gòu)件的變形過(guò)程。管柱構(gòu)件在彈性階段和塑性階段 的撞擊計(jì)數(shù)分布對(duì)比如圖8 和圖9 所示。

圖8 短構(gòu)件撞擊計(jì)數(shù)分布圖Fig.8 AE hit distribution map of short components

圖9 長(zhǎng)構(gòu)件撞擊計(jì)數(shù)分布圖Fig.9 AE hit distribution of long components

結(jié)果表明：無(wú)CFRP 加固構(gòu)件在彈性變形階段，幅度分布在45 ～ 100 之間，RMS 值集中在4 ～ 8 之間，對(duì)應(yīng)的撞擊計(jì)數(shù)保持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)（主要集中在6 以下），說(shuō)明在彈性變形階段，試件變形主要由原子間距的改變引起，內(nèi)部產(chǎn)生損傷較少[27]；無(wú)CFRP 加固構(gòu)件在加載后期的塑性變形階段，幅度分布不變，RMS 值分布區(qū)間變?yōu)? ～ 16，對(duì)應(yīng)的撞擊計(jì)數(shù)出現(xiàn)大幅躍升，說(shuō)明塑性變形階段，事件內(nèi)部有大量裂紋萌生并擴(kuò)展，大量位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和滑移的出現(xiàn)引起大量能量釋放，產(chǎn)生較大的AE 信號(hào)[28]；有CFRP 加固構(gòu)件的變化趨勢(shì)與之相同，但與無(wú)加固構(gòu)件相比，彈性和塑性變形階段的撞擊計(jì)數(shù)都具有明顯降低的現(xiàn)象，表明CFRP約束可以有效抑制試件內(nèi)部損傷的產(chǎn)生和發(fā)展。

3.2.4 載荷-位移曲線與振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)能量計(jì)數(shù)的關(guān)系

圖10 為載荷-位移與振鈴計(jì)數(shù)和累積能量計(jì)數(shù)關(guān)系圖。4 個(gè)構(gòu)件在加載前期突發(fā)的振鈴計(jì)數(shù)較少，累計(jì)能量計(jì)數(shù)較低增長(zhǎng)緩慢，表明此階段試件損傷較小，相對(duì)累積損傷較少；進(jìn)入屈服階段，構(gòu)件均有較高突發(fā)信號(hào)出現(xiàn)；加載后期S-1A 振鈴計(jì)數(shù)降低至與屈服前信號(hào)基本相同，S-1A-C、S-2A 和S-2A-C則持續(xù)有較高的突發(fā)信號(hào)產(chǎn)生，累計(jì)能量計(jì)數(shù)隨載荷增加持續(xù)增加，表明在加載后期的塑性變形階段，試件內(nèi)部持續(xù)產(chǎn)生損傷破壞。其中S-1A 在加載后期振鈴計(jì)數(shù)較小是因?yàn)镾-1A 進(jìn)入硬化階段，AE 振鈴計(jì)數(shù)急劇減少；S-2A 在加載后期由于試件出現(xiàn)失穩(wěn)，AE 振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)明顯不同于其他試件的現(xiàn)象，此時(shí)試件屈曲失效，承載力不變，試件快速?gòu)澢?/p>

圖10 載荷-位移與振鈴計(jì)數(shù)和累積能量計(jì)數(shù)關(guān)系Fig.10 Relationship between load - displacement AE counts and cumulative energy

4 結(jié)論

本研究使用AE 技術(shù)對(duì)20 鋼材料的拉伸試件和管柱構(gòu)件壓縮性能進(jìn)行了研究，通過(guò)比較載荷-位移曲線與AE 特征參數(shù)的關(guān)系，得到如下結(jié)論：

1）AE 振鈴計(jì)數(shù)、累積能量計(jì)數(shù)與20 鋼材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化規(guī)律相吻合，能夠較好地反映材料在載荷作用下的變化規(guī)律。

2）AE 撞擊計(jì)數(shù)、幅度和RMS 對(duì)管柱構(gòu)件的內(nèi)部損傷比較敏感，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試件內(nèi)部損傷演化過(guò)程，表征試件變形階段的變化。

3）管柱構(gòu)件壓縮過(guò)程中振鈴計(jì)數(shù)和累積能量的變化趨勢(shì)能夠體現(xiàn)構(gòu)件的載荷-位移變化過(guò)程。

4）由于CFRP 的約束限制，突發(fā)型信號(hào)較少降低，表明管柱構(gòu)件的變形較小，相應(yīng)的承載力提高。