石油高壓管匯聲發射特性的研究

朱祥軍

（川慶鉆探工程公司安全環保質量檢驗監督研究院，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，有些鉆井隊一經配備就沒有更換過，有的已經使用了十多年，其常年在野外使用，工作環境惡劣，管匯內部與大量的腐蝕性物質接觸，存在不同程度的損傷，技術狀況和服役能力下降，以至于引起管匯失效而造成嚴重事故。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使用，盲目的判廢必然上增加使用單位的成本；并且常規探傷需要耗費大量的人力物力，為及時發現問題、解決問題帶來困難。鑒于此，一種新型的檢測方法-聲發射檢測就越來越受到人們的關注，聲發射技術已經應用到很多行業[1]。目前相應的標準有GB/T 18182-2000[2]、JB/T 7667-1995[3]和 ANSI/ASTM E 569-1997[4]。

文中探討聲發射檢測技術在高壓管匯的檢測，利用美國PAC公司最新生產的 SAMOS全數字多通道聲發射儀對高壓管匯進行研究，根據實際采集到的數據結果來分析并確定高壓管匯的聲發射特性。

2 聲發射檢測的原理及特點

2.1 聲發射檢測的原理

針對高壓管匯的承壓件在管體內部的介質壓力由低到高發生變化時，其承壓部位中有缺陷的部分產生裂紋擴展或由腐蝕影響所產生的斷裂和局部變形及其他（諸如應力腐蝕斷裂、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）現象所產生的彈性波通過所儲介質傳播到材料的表面，在材料表面用聲發射傳感器將這種表面位移的機械振動信號轉化為電信號，然后經過放大、處理和記錄。最終通過這些信號來分析與推斷以了解產生聲發射的機制，從而確定相應的缺陷狀況。其原理圖見圖1。

2.2 聲發射檢測技術特點

（1）可以進行在線檢測或實時監控，而不需要停產；

（2）可以進行整體監控，這也是其他無損檢測無法實現的；

（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境；

（4）其最大的優點是速度快、成本低。

3 研究儀器及準備

3.1 研究儀器

（1）主機：美國PAC公司生產的SAMOS全數字的聲發射儀，PCI總線提供聲發射數據與PC機的傳輸速度可達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。

（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（根據管件的尺寸布置探頭的個數）；

（2）將探頭盡量等間距地布置到事先規劃好的位置；

（3）選擇適當長度的同軸電纜將主機與探頭連接起來。

3.3 儀器調整及設置

（1）打開主機，硬件設置，根據預采背景噪聲來設置門檻值；

（2）根據分析需要對分析軟件進行設置，例如各種關聯圖及2D、3D定位圖。

4 研究內容

4.1 衰減測試

石油高壓管匯外形多為薄壁、規則、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，每個測點相距100～300mm。用HB鉛筆芯在測點處折斷作為聲發射信號源，將檢測出的信號幅度值一一記錄，并畫出衰減曲線如圖2。

檢測的結果表明，聲發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射檢測結果判定的重要因素，但是很多噪聲信號的產生無法避免，因而識別和排除噪聲信號稱為聲發射技術中的重要部分。

聲發射檢測中遇到的噪聲信號包括電磁噪聲和機械噪聲。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問題的回路噪聲；（3）環境中的無線電、電源干擾等引起的電磁干擾。機械噪聲包括：（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的工作頻率。普通的機械噪聲頻率一般在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分析法和波形分析法[5-6]。參數法雖然沒有波形分析中的數據豐富、工具眾多[7]，但是參數分析法已經是很成熟的技術，對信號的分析快速，容易上手[8]，因此這次主要采用參數法進行分析。

在試驗的過程中還發現，設備在第二次保壓階段的聲發射信號都要少于在第一次保壓階段產生的聲發射信號，結合Kaiser效應的信號產生規律，把在第一次保壓階段出現，但在第二次保壓階段沒有出現的信號提取出來進行分析，并對比在設備上模擬源的聲發射信號，如表1看出利用信號參數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

利用聲發射技術對石油高壓管匯進行檢測，不需要對整個本體進行打磨光滑，只需要對聲發射傳感器布置的位置打磨就行。這樣在聲發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確度。

聲發射定位主要分為區域定位和時差定位兩種。

石油高壓管匯是重要性很大、關乎生命安全的設備，要求對設備的檢查必須精準，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。從結構上來看都是薄壁、結構簡單、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、信號接收不全的情況[9-11]。在選擇定位方式前，首先要根據管匯的工作原理和受力情況找出設備檢測的重點部位。

同時可以考慮采用線性或者平面定位發式進行定位檢測，到底哪一種方案更科學、更快速、更準確、更符合現場實際，下面通過模擬試驗進行同材料同長度傳感器間距的對比試驗。

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，結果如表2。

圖3 線性定位布置

圖4 平面定位布置

從試驗結果來看，采用線性定位和平面定位方式得到的信號坐標都非常接近模擬源坐標，而且在檢測現場，為了能一次檢測更多的管匯，對于長度遠遠大于直徑的管子，把這些管子看作是一根直線，可以優先采用一維線性定位方式，能夠更快速而準確的進行檢測。

4.4 破裂信號分析

有了布點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特征進行分析。

對兩根管線進行爆破聲發射檢測，采用線性定位方式，考慮避開進壓口的干擾，在管線的另一側布點。

可以看出管線的結構簡單，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生的信號，因此需要對整個試驗過程的數據綜合分析，第一個管線在整個試驗過程中1號傳感器附近信號能量很突出，說明在這個位置聲發射信號最為多，變形也最為明顯。最后的爆破結果和爆破期間的信號參數如表3中“第一根”所示，爆破的位置和信號顯示的位置相同。第二根管線的試驗結果和第一根類似。

表2 兩組定位方式模擬源數據對比表

表3 管線破裂時信號參數列表

爆破的位置和軟件定位的坐標對比可以看出兩次試驗采集的信號都非常準確。

對兩次采集到的信號進行分析可以看出，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）振鈴計數都非常大，計數值上萬。

5 結束語

通過對石油高壓管匯的一系列的聲發射研究，測試、分析出聲發射信號在石油高壓管匯材料中傳播的有效模型，包括聲發射信號衰減、信號定位方式、破裂信號的參數特征，系統的總結出石油高壓管匯聲發射檢測中的噪聲排除方法。可以看出利用聲發射技術可以準確地判斷出石油高壓管匯的內部動態缺陷。

試驗是在結構簡單、衰減小的石油高壓管匯進行的，試驗方法和結果對其他石油鉆井設備是否適用，有待進一步研究。

[1] 袁振明，馬羽寬，何澤云.聲發射技術及其應用[M].北京：機械工業出版社，1985.

[2]GB/T 18182-2000，金屬壓力容器聲發射檢測及結果評價方法[S].北京：中國標準出版社，2000.

[3] JB/T 7667-1995，在役壓力容器聲發射檢測評定方法[S].北京：中國標準出版社，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.聲發射信號處理和分析技術[J].無損檢測，2002，24（1）：23-28.

[6] 劉國華.聲發射信號處理關鍵技術研究[D].杭州：浙江大學信息科學與工程學院，2008.

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

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

[9] 耿榮生，劉時風，沈功田，等.聲發射信號的定位技術[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.聲發射技術及其在檢測中的應用[J].計量與測試技術，2008，35（6）：1-3，6.