基于光纖、聲發(fā)射技術的爆破片在線安全監(jiān)測方法

宣鴻烈，陳冬冬，喻健良,，閆興清，喻友良，霍林生

(1.大連理工大學 化工學院，遼寧大連 116024;2.大連理工大學 建設工程學部，遼寧大連 116024; 3.大連度達理工安全系統(tǒng)有限公司，遼寧大連 116012)

0 引言

爆破片是一種廣泛應用于壓力容器的超壓泄放裝置[1]。近年來，國內外相關法規(guī)、標準的制定[2]，為科學使用爆破片提供了依據(jù)。但是實踐發(fā)現(xiàn)，爆破片有在較低壓力下爆破的提前失效行為[3-5]，這給正常工藝操作帶來了隱患。另外，雖然規(guī)定爆破片在使用一定周期后，即使未發(fā)生爆破，也要進行更換，但是對于何時更換，仍缺少科學的依據(jù)。

無論是對爆破片提前失效的預防，還是對爆破片更換周期的確定，若能夠實現(xiàn)爆破片的在線監(jiān)測，則均能夠得到有效解決。相關學者[6-8]均設計過安裝在爆破片附近的傳感器監(jiān)測裝置，通過爆破片與傳感器之間位置的改變量來反映爆破片的實時工作狀態(tài)。分析發(fā)現(xiàn)，以上學者所設計的監(jiān)測裝置存在著一些不足和缺點，都沒有一個具體的衡量標準來界定爆破片的安全狀態(tài)、臨界安全狀態(tài)和非安全狀態(tài)的量，即無法對爆破片即將發(fā)生失效作出相應的預警。尋找切實可行的爆破片在線監(jiān)測方法，對安全使用爆破片具有重要意義。

光纖和聲發(fā)射系統(tǒng)作為一種結構監(jiān)測領域中廣泛應用的技術，目前已廣泛應用于石油化工、土木工程、電力工程、醫(yī)藥醫(yī)學、航空航天等領域[9-16]。因此，若能將上述技術應用在爆破片的安全監(jiān)測，無疑可為爆破片安全使用帶來顯著保障?；诖?，本文選用具有抗電磁干擾、耐酸堿腐蝕、靈敏度高、可遠距離在線檢測的光纖技術[17]及不受材料限制、可長期連續(xù)監(jiān)測缺陷的聲發(fā)射技術[18]對爆破片開展在線實時監(jiān)測，分析所獲得的光纖波長及聲發(fā)射信號振幅的變化量，探討這兩種技術應用于爆破片在線監(jiān)測的可行性。

1 試驗方案及裝置

1.1 試驗對象

本試驗選用工程上應用較廣泛的正拱帶槽型和反拱帶槽型爆破片作為研究對象，所采用的爆破片參數(shù)見表1。

所選用的光纖布拉格光柵參數(shù)見表2。

表2 光纖布拉格光柵產品參數(shù)

試驗用的聲發(fā)射傳感器是由銅殼包覆的壓電陶瓷傳感器制成，具體參數(shù)見表3。

表3 壓電陶瓷產品參數(shù)

1.2 光纖的預拉伸處理

根據(jù)之前一些學者[19]的研究,正拱帶槽型爆破片刻槽處應力最大，即從刻槽處首先破裂。故試驗中將光纖粘在該爆破片的刻槽處進行安全監(jiān)測分析。但在將光纖粘貼于爆破片膜片表面之前，需要對其進行預拉伸處理，目的是使爆破片膜片表面與光纖之間緊密貼合，使兩者同時發(fā)生應變以增大光纖的應變傳遞率，提高光纖光柵的應變測量范圍和測量精度，從而提高試驗效果[20]。

本試驗所用光纖預拉伸處理步驟如下：首先將光纖搭在需要粘貼的爆破片膜片表面，輕微拉伸光纖兩端；然后輕微按壓中間部分段光纖光柵，使其完全貼合于爆破片的表面。重復以上步驟2～3次即完成光纖預拉伸處理，如圖1所示。

圖1 光纖預拉伸處理示意

1.3 傳感器的選擇和粘貼的位置

1.3.1 正拱型爆破片試驗所用傳感器及粘貼位置

由于試驗中需要將光纖及聲發(fā)射傳感器粘貼于正拱帶槽型爆破片膜片不受壓側，而對于正拱帶槽型爆破片而言，其凸面是不受壓側，因此需將光纖粘貼在其凸面?zhèn)?；并且光纖需進行預拉伸處理，才能夠在粘貼時較好地與凸面?zhèn)荣N合。

當粘貼聲發(fā)射傳感器時，考慮到聲發(fā)射傳感器是由一塊壓電陶瓷制作而成的平金屬小圓板來接收聲信號，為了使傳感器更好地接收信號，在試驗中將小圓片貼于槽附近弧頂處，且使爆破片膜片表面與金屬小圓板完全貼合或與其中心位置處相切。傳感器粘貼位置如圖2所示。傳感器粘貼實物見圖3。

圖2 光纖和壓電陶瓷粘貼示意

圖3 光纖和壓電陶瓷粘貼實物

1.3.2 反拱型爆破片試驗所用傳感器及粘貼位置

對于反拱帶槽型爆破片，其不受壓側是凹側，預拉伸處理后的光纖無法粘貼在其凹側。因此，本試驗暫不考慮光纖，僅用聲發(fā)射技術對其進行研究。但若將接收聲信號的壓電陶瓷片粘到爆破片的凹側時，會使其邊緣與爆破片表面接觸，從而導致中心位置完全處于懸空狀態(tài)，這樣會使壓電陶瓷片接收信號的效果不佳，影響試驗效果。由于實際出廠后的爆破片帶有把手，故可將壓電陶瓷片粘貼于此來進行后續(xù)試驗。本試驗在反拱帶槽型爆破片外緣處焊接了一塊表面平整的小鋼板來代替爆破片的把手，并將壓電陶瓷片粘貼于此，使其與小鋼板完全貼合。實際粘貼效果見圖4。

圖4 壓電陶瓷片粘貼實物

1.4 傳感器對爆破片性能無關性驗證

試驗前，首先驗證傳感器的粘貼以及在夾持器邊緣粘貼小鋼板對爆破片的爆破性能是否有影響。試驗結果見表4，5。

表4 傳感器對正拱型爆破片性能無關性驗證

表5 傳感器對反拱型爆破片性能無關性驗證

從以上試驗結果可知，本研究所用的光纖及聲發(fā)射傳感器粘貼方法，不會影響試驗用正拱、反拱帶槽型爆破片的性能。

1.5 試驗平臺

1.5.1 正拱帶槽型爆破片試驗平臺

正拱帶槽型爆破片試驗裝置流程如圖5所示。其中在上法蘭中心處鉆有小孔，以便將聲發(fā)射傳感器和光纖光柵傳感器連接線引出裝置外。

圖5 正拱帶槽型爆破片安全監(jiān)測試驗平臺示意

圖6 壓力加載過程

試驗過程為：關閉截止閥2，轉動氣瓶閥門通入氣體，打開截止閥1，使通入的氣體穩(wěn)定可控；試驗為每次0.1 MPa等梯度加壓，在加壓時保持每次的加壓速率不變；每次加壓完成后，保持該壓力1 min，重復以上過程直至爆破片最后發(fā)生爆破；同時，通過光纖解調儀和聲發(fā)射采集系統(tǒng)記錄下試驗過程中的光纖光柵中心波長和聲信號的變化情況，當爆破片發(fā)生爆破時，試驗結束。詳細的壓力加載過程如圖6所示。

1.5.2 反拱帶槽型爆破片試驗平臺

反拱帶槽型爆破片試驗裝置的流程如圖7所示。不同于正拱帶槽型爆破片試驗平臺，由于壓電陶瓷片粘貼于爆破片夾持邊緣處，因此在試驗中可以直接從夾持邊緣處將連接線引出裝置外。

圖7 反拱帶槽型爆破片安全監(jiān)測試驗平臺示意

試驗過程為：關閉截止閥2，轉動氣瓶閥門通入氣體，打開截止閥1，使通入的氣體穩(wěn)定可控；試驗為等梯度0.1 MPa加壓,在加壓時保持每次的加壓速率不變，每次加壓完成后，保持壓力1 min，重復以上過程直至爆破片最后發(fā)生失穩(wěn)翻轉失效;同時，通過聲發(fā)射采集系統(tǒng)記錄下試驗過程中聲信號的變化情況，當爆破片發(fā)生失穩(wěn)翻轉失效時，試驗結束。由于此次試驗的正、反拱型爆破片爆破壓力近似相同，該反拱型爆破片詳細的壓力加載圖與圖6相同。

2 試驗結果

2.1 正拱帶槽型爆破片測試結果

試驗后，選取了具有代表性的光纖解調儀和聲發(fā)射傳感系統(tǒng)所得到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)繪制于圖8中。

圖8 正拱型爆破片光纖和聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.1.1 光纖光柵監(jiān)測結果

從光纖光柵監(jiān)測所得到的數(shù)據(jù)來看，在前期施加壓力(非保壓階段)時，光纖光柵中心波長和時間的變化呈線性關系。又因為試驗中爆破片在加載時所受的加載壓力(非保壓階段，見圖6)和時間的變化也是呈線性關系的，因此可知爆破片在前期的波長變化與施加在爆破片表面的力呈線性關系。但在試驗后期，當加載壓力施加到一定值時，即在該爆破片的預拱成型壓力1.0 MPa左右時，波長信號不再線性變化。一段時間之后，由于爆破片的形變量即將超過光纖所能承受的拉伸極限，光纖光柵中心波長將發(fā)生突越、直到最后光纖斷裂發(fā)生失效，波長信號消失。光纖光柵中心波長突變時，對應的加載壓力大致為爆破片爆破壓力的85%，隨著加載壓力不斷增加，直至升壓至1.28 MPa左右時，爆破片發(fā)生破裂。

2.1.2 聲發(fā)射監(jiān)測結果

從聲發(fā)射傳感系統(tǒng)所得到的數(shù)據(jù)來看，爆破片從加壓開始到爆破這一過程主要可以分為3個階段，分別為：爆破片變形逐漸增大階段、爆破片變形逐漸趨于平穩(wěn)階段、爆破片發(fā)生爆破階段。

在爆破片變形逐漸增大階段，即加載初期，此時爆破片開槽附近處于彈性階段的前期，爆破片開槽附近內部的裂紋緩慢產生，因此所監(jiān)測到的聲發(fā)射信號值較少且幅值也較小，基本維持在50 dB以下；而爆破片變形逐漸趨于平穩(wěn)階段代表著爆破片開槽處附近已經(jīng)進入彈性階段后期和塑性變形階段，此階段爆破片開槽附近內部的微裂紋開始逐步擴展，聲發(fā)射監(jiān)測的信號值會比前期又有一定程度的增加，但都維持在穩(wěn)定值70 dB以下；爆破片發(fā)生爆破階段代表著爆破片開槽附近已進入塑性階段后期，該階段爆破片槽附近內部裂紋擴展不斷加劇并出現(xiàn)貫通，聲發(fā)射信號密集出現(xiàn)，且強度幅值也有一個較大的突越，隨著變形的逐漸加劇，當達到該爆破片的爆破壓力1.28 MPa時，爆破片發(fā)生爆破，此時監(jiān)測到的聲發(fā)射信號振幅在100 dB左右。

對比光纖和聲發(fā)射所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，光纖光柵中心波長發(fā)生突越及光纖出現(xiàn)失效現(xiàn)象總是在聲發(fā)射監(jiān)測聲信號突越之前就已經(jīng)發(fā)生。因此，可以視光纖光柵中心波長在監(jiān)測中發(fā)生突越或光纖產生失效為相應的預警信號；也可以將聲發(fā)射監(jiān)測信號密集出現(xiàn)且發(fā)生較大突越時作為相應的安全預警信號。

總的來說，通過大量的重復試驗分析后發(fā)現(xiàn)，以上兩種監(jiān)測方法都能作為爆破片的安全監(jiān)測手段。

2.2 機理分析

選取爆破片在加載階段具有代表性的兩個聲信號點對其進行機理分析，從而可以根據(jù)聲發(fā)射信號的具體波形來判別爆破片的損傷形式。

對圖8中的A點聲信號進行信號分析，繪制成圖9所示的信號波形。

圖9 連續(xù)型聲發(fā)射信號波形

從圖9可以看出此信號波形呈現(xiàn)連續(xù)狀。連續(xù)型信號對材料的應變速率敏感，它主要與材料發(fā)生塑性變形有關，通常在一些機械加工正常切削時及固體材料發(fā)生彈塑性變形時出現(xiàn)[21]。

對所選取的該點聲信號波形分析可知，該點選自于加載中后期，即爆破片開槽附近即將由彈性階段進入塑性階段。在此階段內，爆破片開槽附近的變形逐漸加大，當進入到塑性階段后，聲發(fā)射信號波形反映為連續(xù)型信號。

對圖8中的B點聲信號進行信號分析，繪制成圖10所示的信號波形。

圖10 突發(fā)型聲發(fā)射信號波形

從圖10可以看出此信號波形呈現(xiàn)突發(fā)型。通常突發(fā)型聲信號與工程領域中金屬裂紋的形成、擴展和斷裂的現(xiàn)象有關。這種現(xiàn)象與應變能繼續(xù)釋放有關，由位錯運動的塞積與解脫或微小裂紋的拓展所致[22]。對所選取的該點聲信號波形分析可知，該點選自加載后期(即爆破片開槽附近即將發(fā)生爆破失效)。

分析其原因可知，在即將發(fā)生爆破前，爆破片開槽附近已經(jīng)進入了塑性階段。此階段爆破片開槽附近的蠕變已經(jīng)非常大，且內部已有非常微小的裂紋出現(xiàn)，并不斷發(fā)生擴展，直到爆破片最后發(fā)生爆破。

2.3 反拱帶槽型爆破片測試結果

采用聲發(fā)射監(jiān)測裝置監(jiān)測反拱型爆破片從加載到爆破這一過程，并選取了具有代表性的試驗結果繪制于圖11中。

圖11 反拱型爆破片聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)

從以上試驗數(shù)據(jù)來看，用聲發(fā)射裝置對反拱型爆破片進行安全監(jiān)測，在爆破片發(fā)生失效之前聲發(fā)射的振幅信號較小，在后續(xù)的加壓過程中檢測不到聲信號，直到爆破片即將發(fā)生爆破之前，聲信號幅值逐漸增大，最后有一個較大的突越，直至爆破片發(fā)生爆破。

通過大量重復性試驗發(fā)現(xiàn)，用聲發(fā)射裝置監(jiān)測反拱型爆破片并無明顯的規(guī)律可循，即無法通過前期的聲信號振幅的變化來對反拱型爆破片進行相應的安全預警。

3 試驗結果討論

分析正拱型和反拱型爆破片加載過程中所監(jiān)測到的聲發(fā)射信號分布的不同，主要是因為正拱型爆破片和反拱型爆破片失效形式不同。正拱型爆破片的失效形式是拉伸爆破，爆破片從開始受壓到爆破階段有一個過程，即會從彈性階段變?yōu)樗苄噪A段過渡；而反拱型爆破片失效形式是壓縮爆破，它的失效是一瞬間的，發(fā)生失效的這一過程速度太快，以至于在爆破片即將發(fā)生失效之前沒有什么特征量可以捕捉。因此，對于正拱型爆破片，可以將聲信號密集出現(xiàn)且幅值產生較大突越時作為相應的預警信號，而此監(jiān)測技術對于反拱型爆破片則并不適用。

由于在實際工程領域中所選用的光纖光柵中心波長會有不同，從而在爆破片監(jiān)測過程中的中心波長信號大小也會各不相同，但大致的中心波長變化趨勢是一致的。從正拱帶槽型爆破片的光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看到，光纖光柵中心波長發(fā)生突越的點在該爆破片的預拱成型壓力附近。在預拱成型壓力前的一段時間內，爆破片槽附近已經(jīng)開始進入小塑性變形階段，隨著加載壓力的不斷增大，達到預拱成型壓力之后，爆破片槽附近的變形相較于前期會變得更大，即此時塑性變形已經(jīng)由之前的小塑性變形轉變?yōu)榇笏苄宰冃?。爆破片不斷發(fā)生變形，直至變形達到光纖所能承受的形變程度之后，光纖產生失效。因為光纖發(fā)生失效后，光纖解調儀無法監(jiān)測到光纖光柵波長的變化，因此，對于正拱型爆破片，可以將光纖光柵中心波長發(fā)生突越或光纖產生失效現(xiàn)象作為相應的預警信號。

對于反拱型爆破片，由于無法在其表面粘貼光纖，也就無法用此種手段對其進行研究。而安裝聲發(fā)射裝置監(jiān)測后，從試驗結果可以看到并無明顯的規(guī)律可循，即無法通過前期的聲信號振幅的變化來對反拱型爆破片進行安全預警。

4 結論

(1)對于正拱型爆破片，可以用光纖和聲發(fā)射兩種監(jiān)測技術來進行在線安全監(jiān)測；而對于反拱型爆破片，無法用光纖和聲發(fā)射技術對其進行安全在線監(jiān)測。

(2)采用光纖對正拱型爆破片進行在線安全監(jiān)測時，可以將光纖光柵中心波長發(fā)生突越或光纖產生失效現(xiàn)象作為相應的安全預警信號。

(3)采用聲發(fā)射技術對正拱型爆破片進行在線安全監(jiān)測時，可以將所監(jiān)測到的聲發(fā)射信號密集出現(xiàn)且振幅值發(fā)生較大的突越作為相應的安全預警信號。