聲發(fā)射技術(shù)在防噴器檢測中的應用

朱祥軍

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

隨著目前我國鉆井工作量的逐年增加,防噴器等井控設備的使用次數(shù)也越來越頻繁。為提前發(fā)現(xiàn)隱患,保障鉆井、修井作業(yè)的安全,適時對防噴器等井控設備進行徹底的可靠性檢測勢在必行。聲發(fā)射作為一種新興的無損檢測方法,目前已經(jīng)應用到防噴器的整體性能評價中。材料中局域源快速釋放能量,產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(AE)。聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象,大多數(shù)材料變形和斷裂時都有聲發(fā)射現(xiàn)象發(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,需要借助靈敏的電子儀器才能檢測出來。用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)[1]。聲發(fā)射的信號檢測過程如圖1 所示。

防噴器聲發(fā)射檢測的操作規(guī)則和評級方法遵循ASTM E 569—2007《結(jié)構(gòu)在受載中聲發(fā)射監(jiān)控的標準實施》和GB/T 18182—2000《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價方法》兩項標準,另外還依據(jù)API 16A《鉆通設備規(guī)范》進行靜水壓密封試驗。

筆者檢測時采集系統(tǒng)選用美國PAC 公司的DISP-16 通道聲發(fā)射測試系統(tǒng),軟件為AEwin for Disp,門檻值為40 dB,傳感器型號為R15 壓電傳感器,放大器為2/4/6 型,增益值為40 dB,耦合劑為黃油。

經(jīng)過多年的聲發(fā)射檢測經(jīng)驗積累,目前筆者參與的防噴器聲發(fā)射檢測工程遍布全國,到目前為止,共檢測防噴器646 臺,其中在役防噴器有587 臺。以下對防噴器的聲發(fā)射檢測要點及檢測結(jié)果作一簡單介紹。

1 信號分析技術(shù)

在聲發(fā)射檢測技術(shù)中,如何排除噪聲干擾一直是一個技術(shù)難題[2-6]。防噴器聲發(fā)射檢測重點分析的聲源是容器本身的缺陷,例如裂紋、局部偏析、應力集中點、各種焊接缺陷和母材缺陷等,但在壓力試驗過程中,還有很多來自容器或外界的非結(jié)構(gòu)意義的聲發(fā)射機制產(chǎn)生的噪聲干擾,例如摩擦、振動、粘連開裂和氣泡開裂等。因而在檢測技術(shù)中通常還會利用空間鑒別方法,以排除定位陣列之外的聲發(fā)射信號,并將聲發(fā)射事件作為分析的主要數(shù)據(jù)類型。此外還需要利用振鈴計數(shù)、能量及上升時間、持續(xù)時間進行參數(shù)鑒別,排除某些不符合的聲發(fā)射事件。而且還需要利用高頻窄帶傳感器及相應的頻率濾波范圍進行噪聲的頻率鑒別。

根據(jù)大量的試驗數(shù)據(jù)可以看出,在加載條件下,零部件的相互摩擦、主要材料的位錯和交叉滑移等塑性變形產(chǎn)生的多為連續(xù)型信號,由于摩擦機制與聲發(fā)射信號機制不同,不能滿足Kaiser 效應,因此這類信號能量小,幅度也很低。因此在對數(shù)據(jù)分析判斷的過程中,主要采用參數(shù)分析法及空間鑒別法對噪聲信號進行排除。其中參數(shù)分析法可從參數(shù)特征判斷出大量的能量低、幅度小的噪聲信號。而空間鑒別法是利用聲發(fā)射的定位特性,根據(jù)Kaiser 效應,找出每個信號的具體坐標,對比兩次試驗中信號出現(xiàn)的位置,找出重復且特征數(shù)值大的信號,對其進行具體分析。

2 聲發(fā)射檢測的預警分析作用

在防噴器聲發(fā)射檢測中,選用分級恒載的方式加載,分級臺階和分級穩(wěn)壓時間需根據(jù)具體的試驗和聲發(fā)射情況靈活確定。在檢測開始后檢測人員的主要工作是觀察屏幕圖表顯示,詳細記錄檢測過程中的所有信息,包括升壓階段及各級穩(wěn)壓階段產(chǎn)生的信號。

圖2 和3 為在某次檢測中第二次穩(wěn)壓臺階中出現(xiàn)的一個高幅度信號。經(jīng)分析,能量數(shù)和振鈴計數(shù)都很高,于是立即停止試壓,卸壓后對信號的位置進行分析,并進行第二次試驗。第二次穩(wěn)壓臺階比第一次試驗高1 M Pa,穩(wěn)壓1 min 后在同一位置再次出現(xiàn)高幅度信號。泄壓后經(jīng)過對防噴器殼體該位置內(nèi)外表面進行模擬源信號定位對比,并對該信號處半徑為10 cm 的區(qū)域進行超聲波探傷復檢,超聲波探傷發(fā)現(xiàn)存在2 級缺陷(圖4)。

圖3 高幅度信號定位圖

圖4 超聲波復檢

3 防噴器聲發(fā)射檢測結(jié)果及分析

在聲發(fā)射檢測中,認為有問題的設備,會要求再進行一次聲發(fā)射復檢,經(jīng)過復檢仍然有問題的設備,采用其他無損探傷手段進行確認。對于防噴器殼體壁厚的特點,磁粉和滲透不太容易檢測殼體內(nèi)部的缺陷,而射線因為環(huán)境的限制不易實現(xiàn),通常采用超聲波探傷進行缺陷的確認。

為了更細致地劃分防噴器的使用狀態(tài),根據(jù)檢測中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號,對檢測結(jié)果進行分類,共分為5 個級別(表1)。

表1 聲發(fā)射檢測結(jié)果等級

筆者檢測的587 臺在役防噴器檢測等級如表2,不同型號防噴器的檢測等級如圖5。筆者對檢測的防噴器按照5 年,10 年,13 年和16 年來劃分年代段,對每個年代段的防噴器檢測結(jié)果統(tǒng)計見圖6。

表2 防噴器檢測等級列表

目前被檢防噴器大多使用時間超過10 年,長期的使用必然帶來防噴器承壓部位金屬疲勞,產(chǎn)生裂紋等諸多缺陷。在表2 和圖5 中也可以看到檢測的防噴器等級主要為B,C 級,C 級防噴器占總量近一半。通過大量測試知道,C 級防噴器的主要問題在于殼體內(nèi)存在缺陷,這些缺陷的擴展相對緩慢。但是石油生產(chǎn)任務緊,防噴器使用頻率很高,對于目前判定是B,C 級的防噴器在繼續(xù)使用一年后能否繼續(xù)使用是迫切需要了解的問題,因此建議對使用時間達到10 年以上的防噴器進行聲發(fā)射年檢,建立檢測記錄檔案,保證防噴器的安全使用。

根據(jù)圖6 的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),隨著使用時間的增加,防噴器的檢測等級也在下降。使用時間超過10年的防噴器, 檢測的結(jié)果主要集中在B, C 兩個級別,且最危險的D,E 級占有11.25%的量。通過對D,E 級的防噴器復檢發(fā)現(xiàn),其殼體由于長期承壓,容易產(chǎn)生疲勞裂紋,這些裂紋在過后的反復承壓中緩慢擴展,成為防噴器使用的安全隱患。

而且,新出廠的防噴器有的也在檢測中被判廢。經(jīng)過超聲波復檢,該判廢防噴器殼體存在一個氣孔,由此可見制造工藝的高低將直接決定新出廠防噴器的質(zhì)量。另外5 年內(nèi)的防噴器檢測結(jié)果處于C 級的仍然不少,該級別的防噴器主要問題都集中在殼體存在氣孔或夾雜。這樣的防噴器在使用的過程中隨時會出現(xiàn)缺陷擴展的情況。出于安全的考慮,建議對新防噴器加強抽檢力度,并對檢測結(jié)果為C 級的防噴器加強監(jiān)控。

4 結(jié)語

綜合以上數(shù)據(jù),對于目前所發(fā)現(xiàn)的不合格防噴器產(chǎn)品,經(jīng)分析,其問題主要集中在以下幾點:①制造工藝(特別是鑄件殼體)不完善,造成氣孔和夾雜。②設備長期使用,承壓件反復受力,造成材料疲勞裂紋的擴展。 ③使用設備的環(huán)境惡劣,設備長時間受腐蝕或沖擊,造成材料應力腐蝕裂紋擴展及承壓能力的下降。 ④現(xiàn)場施工人員野蠻施工,造成設備不必要的損傷。⑤大量的防噴器處于C,D 級,可能會為生產(chǎn)工作帶來安全隱患。

結(jié)合上述幾點,希望生產(chǎn)廠家在保證設備質(zhì)量的同時,建議使用單位:①按時維護、清洗防噴器,降低設備受腐蝕程度。 ②定期為設備作檢測,及時發(fā)現(xiàn)問題及時修復,確保設備的安全性。③建立設備使用及檢測檔案,隨時觀察設備的狀態(tài),確保使用的設備合格。 ④對聲發(fā)射檢測評定為C,D 級的防噴器進行年檢,隨時觀察其使用狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的安全隱患。⑤在下一步的工作安排中,應加大檢測力度,擴大檢測范圍。 ⑥及時按規(guī)定和要求淘汰舊的設備,保證生產(chǎn)工作安全運行。

[1] 耿榮生.聲發(fā)射技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀——學會成立20 周年回顧[J] .無損檢測,1998(6):151-154.

[2] 耿榮生, 沈功田, 劉時風.聲發(fā)射信號處理專題綜述[J] .無損檢測,2002,24(1):23-28.

[3] 沈功田, 段慶儒, 李幫憲.壓力容器聲發(fā)射技術(shù)綜述[J] .中國鍋爐壓力容器安全,2000(2):5-9.

[4] 沈功田, 周裕峰,段慶儒, 等.現(xiàn)場壓力容器檢驗的聲發(fā)射源[J] .無損檢測,1999,21(7):321-325.

[5] 孫德平.幾種壓力容器在役監(jiān)控技術(shù)及應用[J] .工業(yè)安全與防塵,2000(3):28-29.

[6] 沈培玲.聲發(fā)射技術(shù)在超高壓容器檢測上的運用及評價[J] .金山油化纖,2002(1):51-53.