石油高压管汇声发射特性的研究

朱祥军

（川庆钻探工程公司安全环保质量检验监督研究院，四川 广汉 618300）

1 引 言

石油高压管汇是钻高压油气井必需配备的地面装置，有些钻井队一经配备就没有更换过，有的已经使用了十多年，其常年在野外使用，工作环境恶劣，管汇内部与大量的腐蚀性物质接触，存在不同程度的损伤，技术状况和服役能力下降，以至于引起管汇失效而造成严重事故。目前常用的探伤方法虽然能检测出石油高压管汇的缺陷，但是不能判断管汇能否继续使用，盲目的判废必然上增加使用单位的成本；并且常规探伤需要耗费大量的人力物力，为及时发现问题、解决问题带来困难。鉴于此，一种新型的检测方法-声发射检测就越来越受到人们的关注，声发射技术已经应用到很多行业[1]。目前相应的标准有GB/T 18182-2000[2]、JB/T 7667-1995[3]和 ANSI/ASTM E 569-1997[4]。

文中探讨声发射检测技术在高压管汇的检测，利用美国PAC公司最新生产的 SAMOS全数字多通道声发射仪对高压管汇进行研究，根据实际采集到的数据结果来分析并确定高压管汇的声发射特性。

2 声发射检测的原理及特点

2.1 声发射检测的原理

针对高压管汇的承压件在管体内部的介质压力由低到高发生变化时，其承压部位中有缺陷的部分产生裂纹扩展或由腐蚀影响所产生的断裂和局部变形及其他（诸如应力腐蚀断裂、一定的物理变化所引起的弯曲和变形及不同程度的脆化等）现象所产生的弹性波通过所储介质传播到材料的表面，在材料表面用声发射传感器将这种表面位移的机械振动信号转化为电信号，然后经过放大、处理和记录。最终通过这些信号来分析与推断以了解产生声发射的机制，从而确定相应的缺陷状况。其原理图见图1。

2.2 声发射检测技术特点

（1）可以进行在线检测或实时监控，而不需要停产；

（2）可以进行整体监控，这也是其他无损检测无法实现的；

（3）对被检测件的接近程度不高，从而适合于其他方法难于或不能接近的环境；

（4）其最大的优点是速度快、成本低。

3 研究仪器及准备

3.1 研究仪器

（1）主机：美国PAC公司生产的SAMOS全数字的声发射仪，PCI总线提供声发射数据与PC机的传输速度可达132M/s。

（2）探头：R15；频率范围：50～200 kHz；温度范围：-65℃～200℃；传感器类型：单一终端，任意接地保护。

（3）同轴电缆：具有良好的屏蔽电磁噪声干扰能力，其信号传播衰减损失小于 1dB/30m，且长度没有超过150m（研究最长使用的同轴电缆为40 m）。

3.2 仪器的安装

（1）布置探头：选择4个探头（根据管件的尺寸布置探头的个数）；

（2）将探头尽量等间距地布置到事先规划好的位置；

（3）选择适当长度的同轴电缆将主机与探头连接起来。

3.3 仪器调整及设置

（1）打开主机，硬件设置，根据预采背景噪声来设置门槛值；

（2）根据分析需要对分析软件进行设置，例如各种关联图及2D、3D定位图。

4 研究内容

4.1 衰减测试

石油高压管汇外形多为薄壁、规则、材料分布均匀，测试石油高压管汇上信号的衰减特性需要在管汇表面中心线上进行。

以高压管线为例，沿着高压管线中心线布置AE传感器，打磨出19个衰减测点，每个测点相距100～300mm。用HB铅笔芯在测点处折断作为声发射信号源，将检测出的信号幅度值一一记录，并画出衰减曲线如图2。

检测的结果表明，声发射信号在石油高压管汇表面的衰减非常小，传感器接受到的信号范围非常广，可作为下一步研究传感器最大布置距离的参考。

4.2 噪声排除

噪声干扰是影响声发射检测结果判定的重要因素，但是很多噪声信号的产生无法避免，因而识别和排除噪声信号称为声发射技术中的重要部分。

声发射检测中遇到的噪声信号包括电磁噪声和机械噪声。常见的电磁噪声有：（1）由于前置放大器故障引起的不可避免的电子噪声；（2）由于检测线路和被测件之间回路接地不当问题的回路噪声；（3）环境中的无线电、电源干扰等引起的电磁干扰。机械噪声包括：（1）摩擦噪声；（2）撞击噪声；（3）流体噪声。

在挑选传感器和放大器时选择适当的工作频率。普通的机械噪声频率一般在100kHz以下，因此选择谐振频率为150～300kHz或更高的传感器能够有效克服干扰噪声的影响。并且这些传感器都能在炎热和寒冷的天气条件下采集信号。

对信号的分析可以分为参数分析法和波形分析法[5-6]。参数法虽然没有波形分析中的数据丰富、工具众多[7]，但是参数分析法已经是很成熟的技术，对信号的分析快速，容易上手[8]，因此这次主要采用参数法进行分析。

在试验的过程中还发现，设备在第二次保压阶段的声发射信号都要少于在第一次保压阶段产生的声发射信号，结合Kaiser效应的信号产生规律，把在第一次保压阶段出现，但在第二次保压阶段没有出现的信号提取出来进行分析，并对比在设备上模拟源的声发射信号，如表1看出利用信号参数特征的差别可以有效的分辨出噪声信号。

表1 噪声信号和模拟源信号对比表

4.3 定位方式选择

利用声发射技术对石油高压管汇进行检测，不需要对整个本体进行打磨光滑，只需要对声发射传感器布置的位置打磨就行。这样在声发射采集通道有限的情况下，选择合适的定位方式将决定检测的速度和准确度。

声发射定位主要分为区域定位和时差定位两种。

石油高压管汇是重要性很大、关乎生命安全的设备，要求对设备的检查必须精准，因此采用时差定位方式。时差定位分为：（1）一维定位；（2）平面定位；（3）三维定位；（4）柱形、球面定位。

石油高压管汇主要都包括旋塞阀、单流阀、活动弯头、L形弯头、T形三通、十字形四通，歧管三通、Y形三通、爪形四通接头等。从结构上来看都是薄壁、结构简单、衰减小的容器。但材料分布并不均匀，用3D定位或者柱面定位必定会带来定位不准、信号接收不全的情况[9-11]。在选择定位方式前，首先要根据管汇的工作原理和受力情况找出设备检测的重点部位。

同时可以考虑采用线性或者平面定位发式进行定位检测，到底哪一种方案更科学、更快速、更准确、更符合现场实际，下面通过模拟试验进行同材料同长度传感器间距的对比试验。

选取的材料是一根在用的高压管线，采用了线性定位和平面定位两种方式，如图3和图4所示。要求两组定位方式中，传感器间距的长度要求相同，每个传感器周围及传感器矩阵中间打模拟源3次，结果如表2。

图3 线性定位布置

图4 平面定位布置

从试验结果来看，采用线性定位和平面定位方式得到的信号坐标都非常接近模拟源坐标，而且在检测现场，为了能一次检测更多的管汇，对于长度远远大于直径的管子，把这些管子看作是一根直线，可以优先采用一维线性定位方式，能够更快速而准确的进行检测。

4.4 破裂信号分析

有了布点方式和有效信号的识别方法，下面需要对石油高压管汇缺陷信号的参数特征进行分析。

对两根管线进行爆破声发射检测，采用线性定位方式，考虑避开进压口的干扰，在管线的另一侧布点。

可以看出管线的结构简单，而且只有少量的连接件，在升压过程中大部分都是管体受力拉伸所产生的信号，因此需要对整个试验过程的数据综合分析，第一个管线在整个试验过程中1号传感器附近信号能量很突出，说明在这个位置声发射信号最为多，变形也最为明显。最后的爆破结果和爆破期间的信号参数如表3中“第一根”所示，爆破的位置和信号显示的位置相同。第二根管线的试验结果和第一根类似。

表2 两组定位方式模拟源数据对比表

表3 管线破裂时信号参数列表

爆破的位置和软件定位的坐标对比可以看出两次试验采集的信号都非常准确。

对两次采集到的信号进行分析可以看出，石油高压管汇这类薄壁的容器，在拉伸作用下产生的断裂信号具有以下特性：

（1）高能量，能量值大于1000；

（2）高幅度，幅度值大于80dB；

（3）振铃计数都非常大，计数值上万。

5 结束语

通过对石油高压管汇的一系列的声发射研究，测试、分析出声发射信号在石油高压管汇材料中传播的有效模型，包括声发射信号衰减、信号定位方式、破裂信号的参数特征，系统的总结出石油高压管汇声发射检测中的噪声排除方法。可以看出利用声发射技术可以准确地判断出石油高压管汇的内部动态缺陷。

试验是在结构简单、衰减小的石油高压管汇进行的，试验方法和结果对其他石油钻井设备是否适用，有待进一步研究。

[1] 袁振明，马羽宽，何泽云.声发射技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，1985.

[2]GB/T 18182-2000，金属压力容器声发射检测及结果评价方法[S].北京：中国标准出版社，2000.

[3] JB/T 7667-1995，在役压力容器声发射检测评定方法[S].北京：中国标准出版社，2000.

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

[5] 沈功田，耿荣生，刘时风.声发射信号处理和分析技术[J].无损检测，2002，24（1）：23-28.

[6] 刘国华.声发射信号处理关键技术研究[D].杭州：浙江大学信息科学与工程学院，2008.

[7] 耿荣生，沈功田，刘时风.基于波形分析的声发射信号处理技术[J].无损检测，2002，24（6）：257-261.

[8] 沈功田，耿荣生，刘时风.声发射信号的参数分析方法[J].无损检测，2002，24（2）：72-78.

[9] 耿荣生，刘时风，沈功田，等.声发射信号的定位技术[J].无损检测，2002，24（3）：114-117，125.

[10]徐彦廷.声源定位问题研究及误差分析[J].无损检测，1999，24（5）：199-200.

[11]胡昌洋，杨钢锋，黄振峰，等.声发射技术及其在检测中的应用[J].计量与测试技术，2008，35（6）：1-3，6.