基于聲發射技術的海洋平臺材料疲勞損傷檢測

曲文聲，王壽軍，穆為磊，劉貴杰，宋洪輝

(1.中國海洋大學 工程學院, 青島 266100；2.中集海洋工程研究院有限公司, 煙臺 264670)

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基于聲發射技術的海洋平臺材料疲勞損傷檢測

曲文聲1，王壽軍2，穆為磊1，劉貴杰1，宋洪輝1

(1.中國海洋大學 工程學院, 青島 266100；2.中集海洋工程研究院有限公司, 煙臺 264670)

海洋平臺的疲勞損傷問題亟待解決，通過搭建海洋平臺材料彎曲疲勞損傷試驗平臺，以聲發射參數分析和小波分析作為分析手段，對海洋平臺材料彎曲疲勞損傷過程進行了分析，得到了海洋平臺材料疲勞損傷過程中不同階段的特征信息，為聲發射技術在海洋平臺安全監測中的應用提供了理論支持。

聲發射；疲勞；海洋平臺；小波分析

隨著人類對海洋能源的不斷開發，海上能源開采平臺的需求量也與日俱增。由于長時間受到海風、海浪、海冰以及潮汐等各種隨機載荷的綜合作用，加上海洋環境腐蝕、材料老化以及材料缺陷和多種累積損傷的影響，平臺構件的整體抗力會逐漸降低，而影響到結構的安全性[1]。因此，海洋平臺的疲勞安全問題亟待解決，對海洋平臺材料進行疲勞損傷分析也是當今的研究熱點。

聲發射技術不僅在材料蠕變、脆斷、應力腐蝕、焊縫和焊接過程的監測中有廣泛的應用，同時在船舶、飛機、大壩、海洋石油鉆井平臺等疲勞損傷的安全監測中也應用廣泛[2]。聲發射檢測技術可以對被測對象進行實時動態監測，其檢測設備具有較高的靈敏度，可準確及時地對損傷及其發展做出預測，以減少損失[3]。筆者通過搭建海洋平臺材料彎曲疲勞損傷試驗平臺，以聲發射參數分析和小波分析作為分析手段，對海洋平臺材料彎曲疲勞損傷過程進行了分析。

1　疲勞損傷的聲發射檢測研究進展

TALEBZADEH等[4]對材料的疲勞裂紋擴展過程進行了聲發射監測，對疲勞加載過程中的裂紋擴展特征與聲發射信號之間的關系進行了探討。ROGERS等[5]驗證了在疲勞損傷過程中，裂紋增長階段的聲發射信號幅值比裂紋閉合階段的高。郝富杰[6]對疲勞損傷過程的影響因素進行了分析，探討了材料表面狀態、載荷形式、材料成分等對疲勞損傷的影響。申雅峰等[7]通過對鋁合金疲勞損傷的研究，提出了基于聲發射信號濾波技術的疲勞損傷識別方法。朱榮華等[8]建立了裂紋擴展速率、聲發射計數與應力強度因子之間的關系，并得出如下結論：在疲勞損傷過程中，聲發射信號主要產生于疲勞循環載荷的低應力階段，在此過程中，聲發射計數與應力強度因子之間呈指數增長的關系。

2　彎曲疲勞損傷聲發射檢測試驗

載荷形式對疲勞強度有一定的影響，在應力幅度相同時，彎曲疲勞的壽命大于軸向疲勞壽命；在疲勞壽命相同時，軸向疲勞應力幅度小于彎曲疲勞應力的幅度，這種現象在高應力低周疲勞中更加明顯[6]。海洋平臺在服役期間主要受到海流、海浪、海風等的綜合作用，受力情況較為復雜。為對問題進行簡化處理，筆者將海洋平臺所受載荷近似為彎曲載荷，對海洋平臺材料的彎曲疲勞特性進行研究。

2.1試驗材料及設備

在常用的金屬材料中,Q235碳素鋼性能優良，具有良好的經濟性。碳素鋼經過一定的熱處理后，其硬度、強度會顯著提高，因此在制造業及海洋平臺中，碳素鋼得到了廣泛的應用。因此，試驗材料選用碳素鋼。試件選用薄平板結構，其長為300 mm，寬為20 mm，厚度為1 mm。

試驗裝置結構示意如圖1所示，彎曲疲勞損傷特性試驗平臺的力學模型為曲柄滑塊機構，其中曲柄由直流電機進行驅動。薄平板試件的一端與滑塊連接，另一端由固定在光學平板上的虎鉗夾持固定。

圖1　試驗裝置結構示意

圖2　聲發射信號采集系統外觀

采用圖2所示的DS2聲發射信號采集系統，其最多可對8個通道進行同步數據采集，主要由傳感器、放大器、聲發射儀、數據分析四個基本單元組成。參數分析和波形分析是聲發射信號處理的主要途徑，DS2聲發射信號采集系統在獲取聲發射信號特征參數的同時，還可記錄完整的波形數據，可以在最大程度上反映疲勞損傷信息。

該試驗探討的是海洋平臺材料的彎曲疲勞損傷特性，故需保證試件在最大應變時不發生斷裂，即以材料的強度極限作為試驗裝置、試件尺寸設計的上限。由于聲發射波在金屬薄板中的傳播主要沿金屬表面傳播，且在薄板中的衰減小；在厚板中主要沿介質內部傳播，聲發射波的衰減程度較大[9]。因此在保證試件的最大應力在強度極限內的同時，應使試件的厚度盡量小。

由于機電噪聲會干擾聲發射信號，因此在試驗設計時需考慮噪聲干擾。試驗中機械噪聲主要由摩擦產生，頻率一般在100 kHz以下。與機械噪聲相比，電子干擾屬于高頻信號，其頻率一般在400 kHz以上。為減小機電噪聲的干擾，試驗選用PXR15聲發射傳感器，其諧振頻率為150 kHz，頻率范圍為100 kHz～400 kHz。

由于傳感器偵測到的聲發射信號十分微弱，而需要對其進行放大處理，同時過濾掉不需要的信號以提高信噪比，故前置放大器是聲發射檢測系統中的一個重要部分。試驗選用PXPA1聲發射低噪聲前置放大器，其增益為40 dB，帶寬為20 kHz～2 MHz。

2.2試驗過程

2.2.1儀器連接

將PXR15聲發射傳感器、PXPA1聲發射前置放大器、DS2聲發射信號采集系統、上位機之間分別通過傳感器信號線、信號電纜等依次連接。試件一端由虎鉗固定，另一端通過滑塊連接，通過調整滑塊的位置，可使其位于平衡位置。在靠近虎鉗位置處，試件最易產生裂紋。為降低聲發射信號的衰減程度，應使聲發射傳感器靠近虎鉗，并涂抹耦合劑。

2.2.2試驗前測試

為了確保儀器能夠正常工作，在彎曲疲勞試驗開始前，先進行斷鉛試驗，如果能獲得典型的突發型聲發射信號，則說明聲發射檢測系統可正常工作。在聲發射檢測系統正常工作的情況下，還需要對環境噪聲進行評估，即在空載情況下對環境噪聲數據進行采集，以確定閾值大小。

2.2.3聲發射檢測系統參數設置

為完整采集信號波形，AD采樣率至少要為信號頻率的兩倍。如果AD采樣率過低，會造成信號波形失真；AD采樣率越高，則信號波形越完整，所包含的高頻成分也就越豐富，但卻會造成采樣數據量過大的問題，給后期的數據處理工作帶來困難。該試驗中，有效聲發射信號的頻率范圍為100 kHz～400 kHz，同時考慮到硬件設施，設定采樣頻率為3 MHz。

為完整測得試驗過程中的數據，聲發射檢測系統采用軟件觸發方式，即人為選擇數據開始采集的時間，數據采集一直持續到人為停止數據采集時結束。

為了盡可能地降低噪聲干擾，在試驗過程中采用幅值濾波的方法進行初步降噪處理。由于大部分的噪聲信號幅值有限，為了在濾除噪聲的同時不對聲發射信號造成太大影響，聲發射檢測系統的閾值設置為40 dB。

3　試驗結果及分析

3.1濾波去噪試驗采集得到的原始信號中含有大量的噪聲信號，由于有效聲發射信號的頻率范圍為100 kHz～400 kHz，因此需要依據頻率濾除低于100 kHz的低頻成分和高于400 kHz的高頻成分。在聲發射特征參數中含有峰值頻率與質心頻率兩項參數，峰值頻率僅考慮的是幅值的影響;而質心頻率由于引入了權重因子，能夠更合理地表示信號的主要頻率成分。因此，將質心頻率作為原始聲發射信號濾波去噪的依據。

3.2趨勢分析對于聲發射參數的分析,常用的方法是趨勢分析，即對聲發射參數在試驗過程中的變化情況進行分析。在13個聲發射特征參數中，質心頻率、振鈴計數、持續時間、上升時間、平均信號電平五個參數最為顯著，可用于識別現場環境下的聲發射信號[10]。

圖3，4分別為聲發射信號經濾波去噪后的幅值、振鈴計數趨勢圖。對聲發射信號的振鈴計數和幅值進行趨勢分析可以得出：在600 s范圍內時，聲發射信號相對平穩，振鈴計數、幅值都沒有突變的情況，此階段為材料的彈性變形和塑性變形階段；在600 s時，振鈴計數存在一個小幅突變，推測有微觀裂紋產生，此時幅值也有小幅突變；在600～1 500 s的階段，振鈴計數和幅值都存在隨機的突變，推測為裂紋的隨機擴展過程。隨著裂紋的擴展，在1 500 s以后，試件已產生很多宏觀裂紋，并伴隨宏觀裂紋的擴展;此時，振鈴計數和幅值都激增，聲發射信號明顯活躍。在1 700 s左右時，振鈴計數與幅值均存在一個大幅突變點，推測此時為試件的斷裂階段。在1 700 s之后，由于試件已經斷裂失效，因此聲發射信號趨于穩定。

圖3　振鈴計數趨勢分析

圖4　幅值趨勢分析

圖4中高幅值成分主要集中在100 kHz～200 kHz間，即聲發射信號能量主要集中在100 kHz～200 kHz。出現這一現象的原因,除了試驗過程中的聲發射有效信號主要在此頻率段內以外，還與高頻分量易衰減有關。

3.3小波分析

傅里葉變換常用于對周期信號頻率的分析，其分辨率較差，同時存在誤差，不能對信號的局部特征進行分析。聲發射信號是一種非穩態信號，其非平穩特征包含著構件損傷的信息。小波變換具有多分辨率的優點，能很好地表征信號的局部特征，可通過小波分解和重構，對金屬疲勞損傷過程的聲發射信號進行分析，提取疲勞損傷信息。

小波分析選取不同的小波基時，往往會得到不同的處理結果，因此需要選取合適的小波基。由于聲發射數據量往往比較大，故選擇時需保證能夠對信號進行較快處理，因此離散小波變換比連續小波變換更加合適。為了降低噪聲的影響，小波基與信號需要有較高的相關性，并且需要有一定階次的消失矩。考慮到以上原因，筆者選擇了Symlets小波。

為了保證計算結果，且由于較高消失矩階數會導致分析結果模糊，故取消失矩階數為5。由小波分解后得到的最底層32個結點的頻率段分別為[0,46.875]、[46.875,93.75]、[93.75,187.5]…[1 453.125,1 500](單位：kHz)。試驗中的聲發射信號頻率主要集中在100 kHz～400 kHz，包含于上述小波分解頻段內。

為了探討試件在疲勞過程中的損傷情況，以小波特征能譜系數作為對象，對試驗過程中的聲發射信號進行分析。疲勞損傷不同階段的小波特征能譜系數如圖5所示，從圖中可看出，在結點3至結點5之間的能譜系數較高，即能量主要集中于100 kHz～300 kHz間，這與圖4中得出的結論是一致的。在低頻段和高頻段，能譜系數較低，因此通過質心頻率濾除低頻和高頻成分對于聲發射信號的影響不大。

圖5　小波特征能譜系數

4　結語

通過搭建海洋平臺材料彎曲疲勞損傷試驗平臺，探討了海洋平臺材料彎曲疲勞損傷過程中的聲發射特性，分別通過振鈴計數趨勢分析、幅值趨勢分析、小波分析，得到了聲發射信號在疲勞損傷過程中的階段性特征，為聲發射技術在海洋平臺安全監測中的應用提供了理論支持。

[1]YANG H Z, LI H J, WANG S Q. Damage localization of offshore platforms under ambient excitation[J]. China Ocean Engineering, 2003,17(4):495-504.

[2]HANSEN K, GUDMESTAD O T. Reassessment of jacket type of platforms subject to wave-in-deck forces: current practice and future development[C]∥The Eleventh International Offshore and Polar Engineering Conference. Norway: International Society of Offshore and Polar Engineers,2001:482-489.[3]王永兵.聲發射技術的研究進展[J].石油和化工設備，2009(7):48-50.

[4]ROBERTS T M, TALEBZADEH M. Fatigue life prediction based on crack propagation and acoustic emission count rates[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2003,59(6):679-694.

[5]ROGERS L M, HANSEN J P, WEBBORN C. Application of acoustic emisssin analysis to the integerity monitoring of offshore steel production platforms[J]. Materials Evaluation,1980,38(8):39-49.

[6]郝富杰.概述金屬疲勞產生的原因及影響因素[J].山西建筑，2011,37(11):51-52.

[7]申雅峰.鋁合金疲勞試驗的聲發射濾波技術研究[J].新技術新儀器，2011,31(3):6-9.

[8]朱榮華，剛鐵.鋁合金疲勞裂紋擴展聲發射監測[J].焊接學報，2013,34(3):29-32.

[9]翟慶宏，馬長友.金屬板中的聲發射波傳播特性分析[J].煉油與化工，2012,23(1):22-23.

[10]成見國，毛汗領，黃振峰，等.金屬材料聲發射信號特征提取方法[J].聲學技術，2008,27(3):309-313.

Fatigue Failure Detection of the Offshore Platform Material Based on Acoustic Emission

QU Wen-sheng1, WANG Shou-jun2, MU Wei-lei1, LIU Gui-jie1, SONG Hong-hui1

(1.Engineering Institute, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;2.Cimc Offshore Engineering Institute Company Limited, Yantai 264670, China)

Fatigue failure of the offshore platform material is still one of the most sophisticated problems needed to be solved urgently. Based on experiment platform for bending fatigue damage of offshore platforms materials, parameter analysis and wavelet analysis were used to explore the process of bending fatigue damage. The amplitude and counts show activity of fatigue crack well in different stages of fatigue failure. The acoustic emission technique is suitable for monitoring the fatigue failure of the offshore platform material.

Acoustic emission; Fatigue; Offshore platform; Wavelet analysis

2016-06-22

曲文聲(1992-)，男，碩士,主要從事信號處理、聲發射技術等方面的研究,E-mail: lzqws@qq.com。

穆為磊(1986-)，男，講師，博士,主要從事信號處理、聲發射技術等方面的研究,E-mail：tblueapple@126.com。

10.11973/wsjc201610003

TG115.28

A

1000-6656(2016)10-0010-04