油氣分離器的聲發(fā)射檢測(cè)研究

朱祥軍

（川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量檢驗(yàn)監(jiān)督研究院，四川 廣漢618300）

0 引 言

聲發(fā)射 （acoustic emission，AE） 是 20世紀(jì)60～70年代發(fā)展起來的一種無損檢測(cè)（NDT）方法。近20年來，這項(xiàng)技術(shù)已在石油化工、航天航空、水利電力、交通運(yùn)輸、機(jī)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(kuò)展過程中會(huì)釋放塑性應(yīng)變能，應(yīng)變能以應(yīng)力波形式向外傳播擴(kuò)展，這種現(xiàn)象即稱聲發(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(shí)有聲發(fā)射發(fā)生，但許多材料的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)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(cè)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，形成一定形式的傳感器陣列，實(shí)時(shí)接收和采集來自于材料缺陷的聲發(fā)射信號(hào)，進(jìn)而通過對(duì)這些聲發(fā)射信號(hào)的識(shí)別、判斷和分析等過程，對(duì)材料損傷缺陷進(jìn)行檢測(cè)研究，對(duì)構(gòu)件的完整性進(jìn)行評(píng)定，并為設(shè)備在使用工況下的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)[1-4]。近年來，我國(guó)的聲發(fā)射技術(shù)也已經(jīng)取得很大的進(jìn)步，在很多方面都取得優(yōu)秀的成果，其中應(yīng)用最多的就是壓力容器[5-9]，但是石油用的分離器則還沒有引進(jìn)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)。

分離器是一種將輸油管道或輸油設(shè)備中的氣體從各類油品中分離出來的專業(yè)設(shè)備，分離器位于潛油離心泵和保護(hù)器之間，其作用是將井液中的游離氣體與井液分離，液體送給潛油離心泵，氣體釋放到油管和套管環(huán)形空間，可用于油氣的分離，也可用于油氣井的測(cè)試、新井和措施井的清噴。在結(jié)構(gòu)上，分離器采用了防腐材料，嚴(yán)格的焊接工藝和最新粘結(jié)劑的使用，保證了分離器有高的機(jī)械強(qiáng)度，通常壓縮空氣和油的混合物，由外向內(nèi)通過分離器，靠多級(jí)分離器產(chǎn)生凝聚效果，從而回收了油，又產(chǎn)生出純凈的空氣。

油氣分離器是在石油行業(yè)中廣泛應(yīng)用的設(shè)備，是鉆井設(shè)備的重要組件，但是分離器體積大，容器壁很厚，常規(guī)的檢測(cè)方法非常耗費(fèi)時(shí)間，而且焊接部位多，難以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)缺陷。因此，考慮采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)分離器整體進(jìn)行檢測(cè)，聲發(fā)射技術(shù)對(duì)大容器、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的容器檢測(cè)有著明顯的優(yōu)勢(shì)[8]。

1 檢測(cè)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備基本情況

一臺(tái)國(guó)外某廠2000年生產(chǎn)的立式油氣兩相分離器，分離器內(nèi)徑800mm，長(zhǎng)4800mm，容積2.6m3，結(jié)構(gòu)見圖1所示。該分離器設(shè)計(jì)壓力為10MPa，試壓介質(zhì)為水。試驗(yàn)前，關(guān)閉所有的出口，并通過密封試驗(yàn)確保分離器各密封部件正常。

1.2 傳感器布置方案

表1 分離器傳感器布置列表

1.3 檢測(cè)儀器及參數(shù)設(shè)置和準(zhǔn)備工作

主機(jī)：DISP-16通道聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)

軟件：AEwin for Disp Version 1.80

門檻值：40dB

傳感器型號(hào)：R15壓電傳感器

前置放大器：2/4/6型

增益：40dB

耦合劑：黃油

砂石料開采單價(jià)應(yīng)計(jì)算相關(guān)費(fèi)用、利潤(rùn)及稅金，只適用于單獨(dú)招標(biāo)投標(biāo)時(shí)的計(jì)價(jià)，而這只有在實(shí)施階段才有可能發(fā)生，在概（估）算階段沒法明確也無需明確砂石料的開采主體，只能按主體承包人開采即 “自采”考慮?！白圆伞笔遣粦?yīng)計(jì)算相關(guān)費(fèi)用、利潤(rùn)及稅金的，這同混凝土工程中的混凝土拌制、模板安裝工程中的模板制作、混凝土構(gòu)件安裝工程中的構(gòu)件預(yù)制等是類似的。若由不同的承包人開采，對(duì)主承包人而言就不是“自采”，而是“他采”（相當(dāng)于“外供”）了。

在安裝傳感器的油氣分離器表面，先用砂輪打磨掉油漆和氧化皮，再用砂紙使金屬表面光滑平整，經(jīng)清潔處理后，以黃油為耦合劑，把傳感器可靠地粘貼在選定位置上。

完成全部連線后，以拆斷鉛芯為模擬信號(hào)源，校核各通道工作是否正常，測(cè)定聲波在油氣分離器中的傳播速度和檢驗(yàn)定位的精度。

1.4 加載程序

通過油氣的入口對(duì)該分離器進(jìn)行加載，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18182-2000的規(guī)定[10]，采用二次加載方法，使檢測(cè)數(shù)據(jù)更充分、結(jié)果更可靠。具體加載方案時(shí)第一次加載到10MPa后穩(wěn)壓15min，然后完全卸載油氣分離器內(nèi)壓力，進(jìn)行第二次加載，到10 MPa后再保壓15min。加載程序如圖2所示。

對(duì)加載設(shè)備的要求是：升壓平穩(wěn)、緩慢，壓力波動(dòng)量要小，保壓期間無泄漏。每次開始加載時(shí)，都把聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)同時(shí)打開，采集數(shù)據(jù)，觀察顯示窗口中的圖形（數(shù)據(jù)）隨壓力的增加所引起的變化。若發(fā)現(xiàn)有異常信號(hào)發(fā)生，應(yīng)立即停止加載，并保壓觀察，視具體情況決定是繼續(xù)升壓還是迅速降壓。

圖2 加載程序

2 有效聲發(fā)射數(shù)據(jù)的確定

在確定有效聲發(fā)射數(shù)據(jù)之前，先來介紹許多金屬材料共有的形變聲發(fā)射的不可逆效應(yīng)，即“材料被重新加載期間，在應(yīng)力值達(dá)到上次加載最大應(yīng)力之前不產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)”。這種不可逆現(xiàn)象稱為“Kaiser效應(yīng)”。

將試驗(yàn)過程中采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行重放，重顯試驗(yàn)過程及修改重放中的設(shè)置參數(shù)，是該軟件的卓越功能。信號(hào)的識(shí)別是聲發(fā)射檢測(cè)中非常重要的環(huán)節(jié)。由于油氣分離器焊縫多，且由多個(gè)零部件組成，連接方式為法蘭連接。所有這些零件在加載時(shí)不可避免的出現(xiàn)很多信號(hào)，它們都被顯示在屏幕上和記錄在數(shù)據(jù)文件里。但聲發(fā)射檢測(cè)的目的，是以有無缺陷擴(kuò)展信號(hào)來判斷設(shè)備的安全性。而上述大量非缺陷擴(kuò)展信號(hào)的涌現(xiàn)，難以分辨出真實(shí)的開裂信號(hào)。因此對(duì)油氣分離器的評(píng)定，目前不宜采用加載期間采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而主要是根據(jù)油氣分離器保壓階段的信號(hào)數(shù)據(jù)。

針對(duì)油氣分離器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)于在保壓期間所采集到的信號(hào)可分為噪聲信號(hào)和有效信號(hào)。

2.1 噪聲信號(hào)

噪聲信號(hào)的來源主要是殼體與內(nèi)部結(jié)構(gòu)件之間發(fā)生摩擦、螺栓受力引起的變形，以及各螺栓受力不均導(dǎo)致的載荷重新分配，特別是在油氣分離器升壓速度較快的過程中，這是十分常見的信號(hào)。在保壓期間，上述現(xiàn)象一般說來不會(huì)產(chǎn)生，但對(duì)于不穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)構(gòu)也不完全杜絕，特別是在第一次保壓時(shí)。而且由于摩擦的機(jī)制與一塊金屬材料因變形而產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)機(jī)制不同，故不能滿足Kaiser效應(yīng)。通常這類信號(hào)能量小，幅度也很低。

在試驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，在第二次保壓階段的聲發(fā)射信號(hào)都要少于在第一次保壓階段產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，結(jié)合Kaiser效應(yīng)的信號(hào)產(chǎn)生規(guī)律，把在第一次保壓階段出現(xiàn)，但在第二次保壓階段沒有出現(xiàn)的信號(hào)提取出來進(jìn)行分析，并對(duì)比在設(shè)備上模擬源的聲發(fā)射信號(hào)。模擬的信號(hào)幅度相對(duì)較高，保持在70～90 dB之間，能量也非常高，達(dá)到200以上，振鈴計(jì)數(shù)也高達(dá)上千個(gè)，相比之下沒有重復(fù)出現(xiàn)的信號(hào)幅度、能量、振鈴計(jì)數(shù)都少得多。利用信號(hào)參數(shù)特征的差別可以有效分辨出噪聲信號(hào)。

2.2 有效信號(hào)

有效信號(hào)是指缺陷活動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)。這類信號(hào)定位源比較集中，信號(hào)的參數(shù)數(shù)值較大，而且會(huì)多次出現(xiàn)。在加載期間，一般低于油氣分離器的工作壓力下無聲發(fā)射信號(hào)，在高于此壓力的升壓、保壓各個(gè)階段會(huì)有聲發(fā)射信號(hào)，在降壓后的第二次升壓和保壓階段，根據(jù)是否在同一位置出現(xiàn)信號(hào)及其強(qiáng)弱程度來確定聲發(fā)射源的活性程度，對(duì)于弱活性或非活性的源來說，是很少或者沒有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，滿足Kaiser效應(yīng)。有效信號(hào)如表2所示。

表2 有效信號(hào)數(shù)據(jù)顯示

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

每次試驗(yàn)結(jié)束后，采用幅度分析法，即根據(jù)其幅度及聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)隨時(shí)間、壓力變化的情況，綜合分析，再對(duì)聲發(fā)射源所處位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)?？梢园l(fā)現(xiàn)2次試驗(yàn)都有相似的地方，即在升壓階段都會(huì)有很多信號(hào)產(chǎn)生，這與試驗(yàn)前預(yù)測(cè)的一樣。由于油氣分離器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在加載階段內(nèi)部零件發(fā)生磨擦、連接螺栓變形，這些情況都會(huì)產(chǎn)生大量的噪聲信號(hào)，因此要分析的數(shù)據(jù)主要來源于保壓階段的采集信號(hào)。根據(jù)圖2的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在達(dá)到試驗(yàn)壓力后，找出穩(wěn)壓15min內(nèi)產(chǎn)生的信號(hào)，如表3所示。

表3 兩次試驗(yàn)中保壓階段采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

第一次試驗(yàn)的保壓階段共產(chǎn)生15個(gè)聲發(fā)射信號(hào)，第一組、第三組、第七組產(chǎn)生信號(hào)最多，單組傳感器矩陣最多產(chǎn)生了5個(gè)信號(hào)。第一組和第三組信號(hào)都是在矩陣中間集中，第七組集中在油井產(chǎn)物的入口，所有這些信號(hào)幅度都很低，能量也很小，幾項(xiàng)聲發(fā)射特征參數(shù)都不夠明顯，初步認(rèn)定是噪聲信號(hào)。第二次試驗(yàn)共產(chǎn)生6個(gè)聲發(fā)射信號(hào)，而且幅度值也很低，且2次試驗(yàn)在保壓階段聲發(fā)射信號(hào)都呈收斂狀態(tài)[11]，所以判定第一次出現(xiàn)的信號(hào)為非活性聲發(fā)射源。即該油氣分離器在試驗(yàn)壓力10MPa情況下，未出現(xiàn)明顯的活動(dòng)缺陷跡象，因此可以認(rèn)為在工作壓力情況下是安全的。

對(duì)于第一次試驗(yàn)的噪聲信號(hào)經(jīng)分析，第一組和第三組的信號(hào)為出口在承壓時(shí)，關(guān)閉的閥門受力擠壓出現(xiàn)應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的噪聲信號(hào)。第七組的集中信號(hào)坐標(biāo)主要是試驗(yàn)進(jìn)水的位置，通常這類位置由于變形量較大，出現(xiàn)較多的噪聲信號(hào)。

3 結(jié)束語

通過這次檢測(cè)實(shí)踐，得出：

（1）運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)油氣分離器水壓試驗(yàn)過程進(jìn)行檢測(cè)是可行的；

（2）通過Kaiser效應(yīng)的原理，運(yùn)用2次加載的方法可以幫助檢測(cè)人員快速判斷噪聲信號(hào)；

（3）這是國(guó)內(nèi)第一次把聲發(fā)射技術(shù)用于油氣分離器的檢測(cè)，這是一個(gè)較新的課題，需要做很多新的探索和實(shí)踐。

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，殘余應(yīng)力釋放、結(jié)構(gòu)之間的摩擦、密封泄露都可產(chǎn)生大量的噪聲信號(hào)，目前不能很好地排除升壓階段的噪聲信號(hào)，需進(jìn)一步提高信號(hào)的采集水平和分析能力，不斷完善信號(hào)處理手段。

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