基于矩形管通孔缺陷的聲發(fā)射無損檢測

雒新宇,李傳軍,張?zhí)煨? 劉 飛

(承德石油高等?？茖W(xué)校 a.資產(chǎn)與后勤管理處; b.工業(yè)中心；c.體育健康與藝術(shù)教育部，河北 承德 067000)

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基于矩形管通孔缺陷的聲發(fā)射無損檢測

雒新宇a,李傳軍a,張?zhí)煨馼, 劉 飛c

(承德石油高等?？茖W(xué)校 a.資產(chǎn)與后勤管理處; b.工業(yè)中心；c.體育健康與藝術(shù)教育部，河北 承德 067000)

主要進(jìn)行了矩形管通孔缺陷的聲發(fā)射無損檢測方法研究。通過對預(yù)制有通孔缺陷的矩形管(Q345)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，模擬現(xiàn)場中矩形管在酸腐、銹蝕等各種原因產(chǎn)生通孔類缺陷的情況下，因承受重力、擠壓產(chǎn)生的應(yīng)力，出現(xiàn)的擴(kuò)展裂紋、下?lián)?、?cè)彎、剛度下降，甚至產(chǎn)生塑性變形的實(shí)際情況，進(jìn)而對試驗(yàn)的力學(xué)曲線、聲發(fā)射圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，確定缺陷產(chǎn)生的具體水平位置，分析受壓位置與缺陷位置對矩形管結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響程度。

聲發(fā)射；通孔缺陷；在線檢測；數(shù)據(jù)分析

1 研究現(xiàn)狀

矩形管(扁方管)是一種中空的閉口型管，多為合金鋼制。因其綜合力學(xué)性能好、易于裝配運(yùn)輸，在建筑、焊接結(jié)構(gòu)、流體運(yùn)輸?shù)确矫鎽?yīng)用越來越廣泛。由于其實(shí)際工作環(huán)境多數(shù)較為惡劣(高溫、高壓)，如生產(chǎn)操作不當(dāng)、運(yùn)行維護(hù)不及時、安全管理不到位，容易產(chǎn)生表面腐蝕、結(jié)構(gòu)失效等不可逆缺陷。因此對矩形管必要的部位監(jiān)控維護(hù)十分必要。

聲發(fā)射檢測(AE)技術(shù)適合捕捉因彈性能量釋放瞬間產(chǎn)生的應(yīng)力波，對于評判發(fā)射源的位置、對結(jié)構(gòu)的影響程度十分有效。與常用無損檢測方法相比，其對活性缺陷更為敏感，適合對矩形管關(guān)鍵部位進(jìn)行整體、長期在線檢測。

2 試驗(yàn)方法

2.1 用具及試件

XK5030B數(shù)控銑床、切割機(jī)、平銼刀、砂輪機(jī)、砂紙、酸洗液、鉆孔機(jī)、酒精棉球，以及CMT5303型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)(最大試驗(yàn)載荷300 kN)、AMSY-5型8通道聲發(fā)射儀，見圖1。

Q345矩形管三組，每組兩個相同試件，截面邊長為 50 mm×50 mm，長度為250 mm，標(biāo)記為A1、A2、B1、B2、C1、C2。內(nèi)外表面均經(jīng)過除銹、酸洗、打磨及酒精擦拭，以消除試驗(yàn)過程中因表面銹蝕脫落等產(chǎn)生噪音，影響試驗(yàn)結(jié)果。其中A組不做任何處理；B組于試件腹板中心制取φ2 mm的通孔缺陷；C組制取與B組相同的通孔缺陷，位置定于腹板中心線距中心右側(cè)50 mm處。因試件經(jīng)冷彎、焊接而成，為最大程度降低管焊接接頭對試驗(yàn)結(jié)果的影響[1]，試驗(yàn)時，對接焊接接頭一面作為底面，見圖2。

2.2 試驗(yàn)方法

為避免環(huán)境噪聲干擾，應(yīng)選取安靜試驗(yàn)環(huán)境。通過對Q345矩形管試件的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，利用聲發(fā)射儀器收集通孔缺陷變化過程中產(chǎn)生的信號，研究信號特征，如圖3。數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)定為門檻值40.0 dB，采樣率為10 MHz。根據(jù)定位的需要，采用雙探頭直線定位法，腹板(置有缺陷一端)橫軸中心線作為探頭布置方位。設(shè)定探頭距水平中心位置為100 mm，探頭間距為200 mm。根據(jù)《金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》[2]，由壓頭直徑(30 mm)得試驗(yàn)跨距180 mm，在底部接觸點(diǎn)放置3.4 mm墊片。

1)斷鉛試驗(yàn)。用φ0.5 mm、硬度HB的鉛筆芯折斷信號作模擬源，在腹板中心軸線位置連續(xù)斷鉛三次，門檻值設(shè)定為40 dB。[3]2)開啟聲發(fā)射儀，設(shè)定壓頭下壓速度為1 mm/min，記錄力學(xué)性能曲線。壓力達(dá)到80 kN時停止，采集數(shù)據(jù)并卸載。重復(fù)本步驟三次，去除試件內(nèi)應(yīng)力。3)再次加載至80 kN時停止并保持壓力5 min，后繼續(xù)下降至試件結(jié)構(gòu)失效。4)保存三組效果較好的數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 宏觀變化

試件上表面壓頭接觸部位出現(xiàn)明顯塑性變形，其腹板向外擴(kuò)張，下底面形變量不大。通孔缺陷只在水平方向上有細(xì)微的擴(kuò)張，B組缺陷的變形最大，見圖4。

3.2 降噪處理的驗(yàn)證

試驗(yàn)前環(huán)境噪音(背景噪聲可能由液壓油泵的干擾、機(jī)器內(nèi)部摩擦等引起)，其聲發(fā)射信號數(shù)量少，能量小，幅度低。圖5為一次斷鉛試驗(yàn)信號。

由圖，信號位置、發(fā)生時間、能量與撞擊數(shù)得出，當(dāng)門檻值設(shè)定為40 dB時，設(shè)備能有效避免噪聲干擾。

3.3 力學(xué)性能曲線及分析

由圖6分析，同一試件加壓所得曲線坡度逐漸變大，壓縮位置位移減小，得出矩形管隨大載荷次數(shù)的增多，塑性降低，強(qiáng)度、硬度提高。[4]

對比第四次曲線， B組所能承受的最大壓應(yīng)力最小，可知通孔缺陷降低了B組試件的抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致試件提前出現(xiàn)塑性變形。B、C組對比可知，缺陷與受壓水平位置接近時，影響更大。A、C組對比可知，該位置缺陷幾乎不影響試件的承壓能力。

3.4 聲發(fā)射定位及信號數(shù)據(jù)分析

3.4.1 位置與信號撞擊數(shù)分析

三組信號同向?qū)Ρ?見圖7～圖10)：

第一次加壓，各試件撞擊數(shù)峰值所處位置與預(yù)制缺陷位置基本一致，如圖7所示，A、B組信號分布相似，但B組最高峰值略小，證明通孔對聲信號的收集產(chǎn)生了干擾；C組峰值基本處于受壓位置右側(cè)5 cm 處，該位置信號較之中心受壓位置有顯著增加，可推測缺陷結(jié)構(gòu)內(nèi)部因位錯運(yùn)動或呈現(xiàn)塑性變形的趨勢導(dǎo)致撞擊數(shù)增加。三組試件在第三次加壓時信號基本消失，證明了加壓有效消除了試件內(nèi)應(yīng)力，同時驗(yàn)證了試件的塑性下降，強(qiáng)度、硬度提高。

第四次加壓時， B組中心位置及兩側(cè)信號峰值密度較A增大，說明通孔削弱了管的承載能力，中心位置變形加??；C組中心位置峰值有較大削弱，中心右側(cè)信號較A組更高，說明缺陷對信號采集產(chǎn)生了影響，但對位置的確認(rèn)不明顯。

以上分析可得：管結(jié)構(gòu)失效前，聲發(fā)射檢測可確定缺陷的水平位置；當(dāng)試件因承壓而失效時，信號重新大量出現(xiàn)，證明該檢測手段可準(zhǔn)確檢測管因承壓過載發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化。

3.4.2 能量歷程圖分析

由能量歷程圖，前三次加壓，信號隨壓力增大而變強(qiáng)。其中第一次加壓收集的信號最多，后兩次只有少量信號出現(xiàn)，驗(yàn)證了3.4.1的分析。B、C兩組第一次加壓的信號較少，推測通孔處對外釋放了彈性能量。

第四次加壓至靜止時信號為零，表明當(dāng)試件承受靜壓力時，其內(nèi)部不發(fā)生斷裂或錯位，無彈性能量產(chǎn)生。繼續(xù)加壓至失效，聲發(fā)射信號能量逐漸增強(qiáng)，說明管內(nèi)部因塑性變形產(chǎn)生的彈性能量較大。失效后，位錯減緩，能量減弱，直至能量信號不再產(chǎn)生。

由以上分析：聲發(fā)射檢測只適合在線檢測，只有通孔結(jié)構(gòu)、管內(nèi)部發(fā)生動態(tài)變化時，才產(chǎn)生能量信號，且通孔可能造成能量的散失。

4 結(jié)束語

1)通孔缺陷使矩形管力學(xué)性能變差，當(dāng)缺陷與受壓處水平位置接近時，最易發(fā)生管結(jié)構(gòu)失效。

2)聲發(fā)射檢測方法在矩形管結(jié)構(gòu)失效前，適用通孔缺陷的定位。

3)聲發(fā)射檢測方法只在管結(jié)構(gòu)塑性變形時產(chǎn)生信號，適合在線檢測。實(shí)際運(yùn)行維護(hù)中，還應(yīng)輔助其他檢測手段，達(dá)到綜合預(yù)防效果。

[1] 徐強(qiáng).淺談15RMnR的焊接性[J].承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2013(1):30.

[2] 工標(biāo)網(wǎng). http://www.csres.com/detail/216325.html，1999.

[3] 吳占穩(wěn).起重機(jī)的聲發(fā)射源特征及識別方法研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[4] 方志圓.金屬塑性變形的不均勻性[J].科學(xué)技術(shù)，2016(1):19.

Acoustic Emission Nondestructive Testing Based onRectangular Pipe’s Defects of Pylome

LUO Xin-yua, LI Chuan-juna, ZHANG Tian-xub, LIU Feic

(a.Assets and Logistics Administration Section; b.Industrial Technology Center; c.Department of Sport Health and Art Education, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China)

This article mainly researches on the acoustic emission nondestructive testing methods of the rectangular pipe’s defects of the pylome. Through the experiment of three-point bending tests of the rectangular pipe (Q345) which is prefabricated with pylome defects, we simulate the scene that the rectangular pipe generates pylome defects as a result of the acid corrosion and rust corrosion and so on, and the emerging running crack, down-warping, lateral bending, decrease of stiffness and even the plastic deformation because of bearing gravity and the stress produced by extrusion. Then we make data analysis of the testing mechanical curve and the acoustic emission image in order to determine the exact oriental location of the defects and make the analysis of the influence degree of the pressure position and the defect position on the rectangular pipe’s structure and the mechanical property.

acoustic emission; defects of the pylome; online testing; data analysis

2016-11-23

雒新宇(1989-)，男，滿族，河北承德人，助教，碩士，主要研究方向?yàn)闊o損檢測、測控技術(shù)與儀器等，E-mail:luoxinyu@cdpc.edu.cn。

TG115.28

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1008-9446(2017)03-0041-05