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文檔簡介

1、防噴器殼體材料疲勞試驗的聲發(fā)射分析 THE FATIGUE TESTS AE ANALYSIS OF BOP SHELL MATERIAL朱祥軍Zhu XiangJun川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院,四川,618300Safety Environment Quality Surveillance and Inspection Research Institute of CNPC ChuanqingDrilling&Exploration Corporation,Sichuan 618300摘要:根據(jù)新防噴器聲發(fā)射檢測遇到的數(shù)據(jù)難分析、難評定等問題,針對防噴器殼體材料進行多種

2、疲勞試驗,在試驗過程中全程采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)。通過對比不同的試驗數(shù)據(jù),分析出防噴器殼體材料中缺陷擴展的信號特征、典型干擾的信號特征,以及材料在疲勞過程中聲發(fā)射信號特征的變化趨勢。并且把這些分析成果成功的應(yīng)用到新防噴器的檢測中,檢測證明整個分析非常正確。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

3、 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 analy

4、sis results to detect new blowout preventer.關(guān)鍵詞:聲發(fā)射,防噴器,屈服強度,疲勞試驗K ey Words:ACOUSTIC EMISSION,BOP,YIELD STRENGTH,FATIGUE TEST1、引言1聲發(fā)射(ACOUSTIC EMISSION 簡稱AE )是上世紀(jì)六、七十年代發(fā)展起來的一種無損檢測(NDT )方法。近一、二十年來,這項技術(shù)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(yè)得到較廣泛的應(yīng)用1,2。它的原理是:受力構(gòu)件的材料內(nèi)部在損傷缺陷萌生、擴展過程中會釋放塑性應(yīng)變能,應(yīng)變能以應(yīng)力波形式向外傳播擴展,這種現(xiàn)象即

5、稱聲發(fā)射現(xiàn)象。聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象,大多數(shù)材料變形和斷裂時有聲發(fā)射發(fā)生,但許多材料的聲發(fā)射信號強度很弱,人耳不能直接聽見,需要藉助靈敏的電子儀器才能檢測出來。聲發(fā)射技術(shù)就是將高靈敏度的聲發(fā)射壓電傳感器安裝在受力構(gòu)件表面上,并形成一定形式的傳感器陣列,實時接受和采集來自于材料缺陷的聲發(fā)射信號,進而通過對這些聲發(fā)射信號的識別、判斷和分析等過程,對材料損傷缺陷進行檢測研究,對構(gòu)件的完整性進行評定,并為設(shè)備在使用工況下的壽命進行預(yù)測14,近年來,我國的聲發(fā)射技術(shù)也已經(jīng)取得很大的進步,在很多方面都取得優(yōu)秀的成果59。 作者簡介:朱祥軍(1978-, 男, 四川省人, 漢族, 本科, 工程師,從事聲

6、發(fā)射檢測及研究工作,郵箱:zxjfire。防噴器在石油行業(yè)應(yīng)用廣泛,是井控設(shè)備的核心組件,近年來我國對防噴器進行聲發(fā)射檢測也應(yīng)用的越來越廣泛。按規(guī)定新防噴器在出廠的時候都需要進行1.5的強度試驗,在這個時候同時進行聲發(fā)射檢測可以避免重復(fù)檢測浪費的時間,而且利用聲發(fā)射高靈敏度、快速直觀分析等特性能快速幫助廠家了解該防噴器殼體的安全性能,及時發(fā)現(xiàn)有問題的防噴器。但是現(xiàn)場檢測人員發(fā)現(xiàn)新出廠的防噴器在強度試驗狀態(tài)下聲發(fā)射采集到的信號非常多,而且很多信號和典型缺陷信號具有相似性,不能依據(jù)常規(guī)的方法進行數(shù)據(jù)分析。為了發(fā)現(xiàn)新防噴器檢測時和在役防噴器檢測時聲發(fā)射信號的區(qū)別,必須對新防噴器進行疲勞跟蹤試驗??紤]

7、到防噴器成本高、使用周期長、而且使用地域跨度大,聲發(fā)射跟蹤防噴器實體有點困難,因此研究人員決定全程跟蹤防噴器材料的疲勞過程,從新出廠狀態(tài)至到長期使用后的狀態(tài),對比各個階段材料產(chǎn)生的聲發(fā)射信號特征,找出材料使用過程中聲發(fā)射變化規(guī)律。2、試驗準(zhǔn)備2.1 試棒設(shè)計試棒進行聲發(fā)射信號采集需要粘貼傳感器,而且在拉伸過程中必須盡量避免試棒和拉伸機之間產(chǎn)生的機械摩擦,因此試棒設(shè)計為薄方形,兩端大,目的是為了保持試驗機的加持力,方便粘貼聲發(fā)射傳感器,而且不能太大,避免發(fā)生摩擦;中間小,可以加快材料快速進入塑性變形,而且節(jié)約成本。 圖1 試棒設(shè)計圖試驗中還需要研究試棒在有缺陷的情況下,缺陷隨著疲勞拉伸的變化,因

8、此在試棒中間位置人工制造了線性缺陷,使應(yīng)力集中的部位遠(yuǎn)離試件的夾持端部,有利于區(qū)分噪聲信號的干擾。防噴器分鍛造和鑄造,因此材料也分為兩種。2.2 試驗設(shè)備試驗采用的拉伸設(shè)備為WAW-Y500材料試驗機,它采用精密高壓油源作為動力源,使用高精度寬頻電液伺服閥作為控制元件進行閉環(huán)自動控制,因而控制性能較高。同時確保系統(tǒng)高精高效、低噪音、快速響應(yīng);采用獨立的液壓夾緊系統(tǒng),確保系統(tǒng)低噪音平穩(wěn)運行,且試驗過程試樣牢固夾持,不打滑。通過采用微機控制全數(shù)字寬頻電液伺服閥,驅(qū)動精密液壓缸,微機控制系統(tǒng)對試驗力進行多種模式的自動控制,完成對試樣的拉伸試驗,符國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸試驗方

9、法的要求及其他標(biāo)準(zhǔn)要求。聲發(fā)射系統(tǒng)采用PAC 公司的DiSP 采集分析系統(tǒng)。主機:DISP-16通道聲發(fā)射測試系統(tǒng)軟件:AEwin for Disp Version 1.80門檻值:40 dB傳感器型號:R15壓電傳感器前置放大器:2/4/6型增益:40 dB耦合劑:黃油2.3 疲勞周期設(shè)計由于防噴器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,單根材料并不能反映出防噴器殼體本身的受力情況,因此必須對不同拉力情況下的材料進行疲勞,疲勞過程如下圖所示: a 單次疲勞示意圖b 加載程序圖 圖2 疲勞程序圖其中T0為間歇時間,T1為加載時間,T2為平穩(wěn)時間,T3為卸載時間。以材料的屈服強度10%作為增益進行遞增,根據(jù)初步試驗結(jié)果以及研

10、究人員的分析,試棒在80%屈服強度的拉力以下不會產(chǎn)生有效聲發(fā)射信號。最終試驗程序為:以屈服強度的80%、90%、100%為拉伸力進行疲勞,每次間歇時間、加載時間、平穩(wěn)時間、卸載時間都為30s ,每個拉伸等級疲勞重復(fù)40次;拉伸力等于屈服強度后,以屈服強度的5%作為增益增加,重復(fù)疲勞試驗,直至材料拉斷。3、數(shù)據(jù)分析3.1 逐級增加載荷將試棒固定在拉伸機上,同時將聲發(fā)射傳感器固定在試棒上,經(jīng)過校準(zhǔn)后開始進行疲勞拉伸。下面以鍛件進行闡述。4根試棒都進行了11組疲勞拉伸,由80%上升至140%,試棒在140%屈服強度的拉伸力下拉斷。將每次產(chǎn)生的信號進行分析,并對每組的各項聲發(fā)射參數(shù)數(shù)據(jù)進行分類統(tǒng)計。

11、a80% 屈服強度b100% 屈服強度 c120% 屈服強度d140% 屈服強度圖3鍛件試棒疲勞過程聲發(fā)射信號圖 a 信號個數(shù)b 信號幅度 c 信號能量d 信號振鈴計數(shù) 圖4 鍛件試棒疲勞試驗聲發(fā)射信號統(tǒng)計圖經(jīng)過鍛件和鑄件的疲勞試驗數(shù)據(jù)分析,可以得出以下結(jié)論:每個拉伸力階段鍛件經(jīng)過少數(shù)(2-3次)疲勞后應(yīng)力達到平衡,鑄件經(jīng)過稍微多一些次數(shù)(13-17次)達到應(yīng)力平衡。3.2 疲勞對比試驗接下來的試驗是觀察試棒在高拉伸力疲勞后進行低拉伸力疲勞的聲發(fā)射信號變化。試驗步驟如下:1、試棒在拉伸力為屈服強度120%的情況下,疲勞拉伸40次;2、試棒在拉伸力為屈服強度80%的情況下,疲勞拉伸40次;在12

12、0%屈服強度階段疲勞過程產(chǎn)生很多的信號,10次之后信號才逐漸消失,比圖3中c 都還要多。第二次是80%,可以看出疲勞過程中的信號非常少,2次疲勞后每次只產(chǎn)生1-2個信號,比圖3中a 的情況下要少很多。這些現(xiàn)象都符合聲發(fā)射中的凱賽爾效應(yīng),同時也說明試棒在最初的疲勞試驗中當(dāng)拉伸力不斷增加時,首先產(chǎn)生的信號中有許多都是應(yīng)力釋放的干擾信號。 a120%屈服強度b80%屈服強度圖5 疲勞對比試驗圖 將這些干擾信號進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計,分析出這些信號的特征為:幅度為4050dB ,能量小于10,振鈴計數(shù)小于20個。3.3 缺陷試棒疲勞試驗由于存在人工缺陷,因此試棒的抗拉強度降低,鍛件在拉伸力為120%屈服強度斷裂

13、,鑄件在拉伸力為140%屈服強度斷裂。疲勞過程中,對比有缺陷的試棒和無缺陷試棒的疲勞數(shù)據(jù),找出缺陷試棒在疲勞過程中產(chǎn)生不同的聲發(fā)射信號,將這些信號進行對比、統(tǒng)計分析。研究結(jié)果表明這些人工缺陷在疲勞過程中擴展產(chǎn)生的典型聲發(fā)射信號參數(shù)特征為:幅度不高,沒有超過80dB 的,信號上升時間為80700s ,平均信號頻率為90130kHz ,這些特征和材料斷裂信號有細(xì)微差別。3.4 疲勞試驗結(jié)論經(jīng)過鍛件和鑄件試棒的各種疲勞試驗數(shù)據(jù)分析,可以得出以下結(jié)論:1、鍛件經(jīng)過少數(shù)(2-3次)疲勞后應(yīng)力達到平衡,鑄件經(jīng)過稍微多一些次數(shù)(13-17次)達到應(yīng)力平衡;2、通過高拉伸力疲勞后再進行低拉伸力疲勞,可發(fā)現(xiàn)聲發(fā)

14、射信號減少很多,證明拉伸過程中多數(shù)信號為應(yīng)力釋放信號;3、缺陷擴展聲發(fā)射參數(shù)特征:信號上升時間為80700s ,平均信號頻率為90130kHz ;4、典型干擾噪聲信號參數(shù)特征為:幅度為4050dB ,能量小于10,振鈴計數(shù)小于20個。4、驗證試驗驗證試驗對象為華北榮盛機械廠生產(chǎn)的FZ28-105防噴器,聲發(fā)射檢測前進行防噴器內(nèi)表面模擬信號采集 10 ,對比內(nèi)表面和外表面的模擬源信號差異,計算出缺陷擴 展信號和典型干擾信號的特征有效范圍。 試驗過程中聲發(fā)射信號如下圖所示。在穩(wěn)壓階段該防噴器一直都有密集聲發(fā)射信 號產(chǎn)生,如果按照常規(guī)的防噴器檢測聲發(fā)射分析方法,出現(xiàn)這種情況應(yīng)該立即將該防 噴器判廢。

15、但是結(jié)合對防噴器材料試棒的分析結(jié)果 ,我們知道這些信號大部分都是應(yīng) 力釋放產(chǎn)生的信號,不能直接分析。 圖 6 新防噴器強度試驗聲發(fā)射信號圖 這次試驗共采集到聲發(fā)射數(shù)據(jù) 299 個,對這些數(shù)據(jù)依次分析工作量非常大,因此 首先以典型噪聲干擾信號進行過濾。過濾后的信號只有 35 個,極大減少數(shù)據(jù)分析量。 利用材料缺陷擴展的聲發(fā)射信號特征對數(shù)據(jù)進行分析,沒有發(fā)現(xiàn)存在擴展信號,證明 該防噴器在試驗過程中沒有發(fā)生材缺陷擴展情況。 為了驗證以上分析結(jié)果,將該防噴器進行多少工作壓力試壓后再次進行聲發(fā)射 檢測,從檢測數(shù)據(jù)以及檢測圖 可以很直觀的看出該防噴器可以正常使用,這和前面的 分析結(jié)果完全一致,而且和我們對材料試棒研究的結(jié)論 1、2 相符。 5、結(jié)論 Ø 通過對防噴器材料試棒進行

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