不同管道特征对声发射信号幅度的衰减影响

不同管道特征对声发射信号幅度的衰减影响

张 虹,靳世久,孙立瑛

(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072)

摘要:分析了引起声发射信号衰减的各种原因,采用美国PAC公司的声发射仪,对一个复杂特征管道中声发射信号的幅度衰减情况进行了试验测量,得出了不同管道特征对声发射信号幅度的衰减影响的结论,并提出相关的建议。

关键词:声发射;检测;管道;幅度衰减

中图分类号:TG115.28 文献标识码:A 文章编号:1004-9614(2007)03-0013-02

Amplitude Attenuation of Acoustic Emission from Different

Pipeline Characteristics

Z HANG Hong,JIN Shi jiu,S UN Li ying

(State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments,Tianjin University,Tianjin300072,China)

Abstract:This article analyzed different reason for the amplitude attenuation of the acoustic emission,and used the AE testing device produced by PAC America to test the acoustic emission attenuation usi ng a pipe wi th many complex features.Then it draw a conclusions that di fferent pipes feature weaken the acoustic emission signal in di fferent ways.At last,some relevant recommendations were pu t for ward.

Key words:AE(Acoustic Emission);detect;pipe;amplitude attenuation

0 引言

在外力或内力作用下,材料内局部源迅速释放能量而产生瞬态弹性波的现象称为声发射。由于声发射作为一种动态检测方法可以检测出活性缺陷(即声发射源)的动态信息,因而在对管道进行整体探测和结构完整性评价方面具有独特的优势。但是声发射信号作为管道本身受到载荷时在缺陷处产生的信号,从声发射源到传感器接收位置的传播过程中,声发射信号的幅度必然会受到材料本身和不同形状特征的影响,从而会产生不同程度的衰减[1];而传感器接收声发射信号时需要设定一个阈值来抑制噪声,所以这种衰减是必须考虑的,以避免声发射信号衰减到阈值以下,不能作为有用信号被传感器接收。不仅如此,传感器的检测间距也是由声发射信号的衰减情况间接决定的。因此,在对管道进行无损检测过程中,分析研究不同管道特征对声发射信号的衰减影响是具有重要意义的。

1 声发射信号衰减的原因分析[2-3]

衰减是指波的幅度随传播距离的增加而下降的现象。引发声发射波衰减的3个主要机制为:波的几何扩展、材料吸收和散射。

几何扩展衰减:由于声发射波从波源向各个方向扩展,从而随传播距离的增加,波阵面的面积逐渐扩大使单位面积上的能量逐渐减少,造成波的幅度下降。扩展衰减与传播介质的性质无关,主要取决于介质的几何形状(或波阵面),它主要控制着近场区的衰减。

材料吸收衰减:波在介质中传播时,由于质点间的内摩擦(黏弹性)和热传导等因素,部分波的机械能转换成热量等其他能量,使波的幅度随传播距离以指数式下降。其衰减率取决于材料的黏弹性等性质,并与波的频率有关,近似与频率成正比。这种能量损失机制主要控制着远场区的衰减。

散射衰减:波在传播过程中,遇到不均匀声阻抗界面时,发生波的不规则反射(称为散射),使波源原传播方向上的能量减少。

在实际管道结构中,波的衰减机制很复杂,不仅会有以上3种主要衰减机制的成分,还会有其他因素的可能。比如,在一些构件中,不同频率成分的波以不同的速度传播,引起波形的分离或扩散,从而使波的幅度下降;波不在同一介质中传播时,相邻介质对波的 泄漏也会造成波的幅度下降;障碍物也可能造成幅度下降。所以在实际结构中的声发射信号的衰减情况难以甚至不能由理论计算得到,只能用试验获得,并作为正式检测前衰减情况的参考数据。

2 具体试验

2.1 试验仪器

试验采用的测量仪器为美国PAC公司的声发射检测系统。完整的声发射系统包括:声发射卡、声发射主机系统、声发射传感器、声发射前置放大器、声发射处理软件,其核心为声发射卡。采用的声发射卡PCI-2是PAC公司最新研制适用于大学等高端声发射研究用的2通道声发射系统。该系统具有内置的18位A/D转换器和处理器,3k Hz~3MHz的频率响应范围,可以对声发射特征参数和波形进行实时处理,能够达到较高的精度和可信度[4]。其信号采集过程如图1所示。

2.2 试验步骤[5]

试验主要是考察不同的管道特征对声发射信号幅度的衰减影响,对象选择为包含法兰、三通、变径、管夹等多个管道特

2007年 第3期

管 道 技 术 与 设 备

Pipeline Technique and Equip ment

2007

No 3

收稿日期:2006-07-17 收修改稿日期:2006-12-18

征的不锈钢管道。具体管道特征图如图2

所示。

图1

信号采集过程

图2 试验管道特征图

试验步骤如下:

(1)布置传感器。为验证每一个管道特征对声发射信号的衰减影响,如图2所示放置4个R3A 低频传感器。由于该管道材料为不锈钢,且均匀良好,在试验过程中传感器无法用磁性吸座固定,采用胶带纸粘贴。

(2)不同位置处断铅并记录数据。在声发射检测标准中,用断铅信号可以模拟裂纹的声发射信号,在每隔一定距离的位置重复断铅3次取其平均值以减小误差,记录同一个传感器所接收到的每个断铅位置处所发出的声发射信号的幅值。例如,由1#传感器接收到的以400mm 为间隔逐渐远离的断铅信号幅值记录如表1所示。

表1 数据记录

次数位置/mm 幅度1/dB 幅度2/dB 幅度3/dB 平均幅度/dB 00 1001001001001400 878787872800 83848483.66731200 8080808041600 81828181.33352000 8281808162400 8181818172600 81828181.33382900 8081828193200 68727170.33310

3400

68

68

71

69

注:7处过管夹;9处过法兰。

(3)分析数据。通过所记录声发射信号幅值的情况,和管道特征所在位置的对比,验证经过一定管道特征时的声发射信号的衰减。例如,从表1的数据可以看出,在该管道中,距离传感器很近的地方断铅时,传感器接收到的信号幅值明显变小,这表明由于几何扩展声发射信号在近场区会有很大衰减;但是在衰减到80dB 左右时幅值基本保持不变,而且可以传播很大距离,这表明该管道为低衰减;经过法兰时声发射信号的幅值同样会明显变小,这说明法兰对声发射信号具有很大的衰减影响。

为验证不同管道特征对声发射信号的衰减是不同的,共设

计了6个试验,分别验证完好管道、法兰、三通、管夹、变径和焊缝对声发射信号的影响。每次试验均重复如上步骤,在不同位置断铅3次取平均值,按照表1的形式记录各个位置处的断铅信号在同一传感器接收到的幅值。2.3 试验结论

(1)管道中若存在法兰,对声发射信号的影响很大,过一个

法兰至少会有10dB 的幅度衰减。若声信号源距离法兰较近,这种衰减会更大,试验表明会有12dB 左右的幅度衰减。而且对于传播时间也远比没有法兰时的传播时间要长。

(2)经过三通或者焊缝时对声发射信号略有影响,信号衰减大约2dB 左右。

(3)管道直径的改变对声发射信号不会有太大影响,信号基本无衰减;管夹由于与管道之间存在空气间隙,对管道中的声发射信号没有影响。

(4)管道特征较复杂的地方不利于声发射信号的传播,会有不同幅度的衰减影响,但传播到无管道特征的位置时,声发射信号的传播会基本恢复到原来的幅值状态。

这些结论是针对该次试验的,由于试验中的实验对象是材料状况较良好的不锈钢管道,因而一些具体的数值在另外的材

料中可能会有所差别,以上结论仅作为进行管道声发射检测时的一个参考。3 结束语

不同管道特征对于声发射信号在管道中的传播是存在不同影响的,比如产生声发射信号幅值的衰减或者延迟声发射信号的传播时间等,在实际进行管道测量的时候要具体考虑各种管道特征的分别及综合影响,根据声发射信号的具体衰减情况以确定进行声发射检测时的检测阈值和传感器的检测间距,从而正确地进行声发射检测。参考文献:

[1] 李江全,焦敬品,何存富,等.基于小波变换和模态声发射的管道

中导波传播特性的实验研究.管道技术与设备,2005(4):14-16.[2] 杨明纬.声发射检测.北京:机械工业出版社,2005:13-15.[3] 戴光,徐彦廷,李伟,等.生发射源信号强度的 逆源 问题研究.大

庆石油学院学报,1998,22(3):59-62.

[4] 美国PAC 公司.声发射检测用户手册.2004:15-16.

[5] 戴光,徐彦廷,王宗年,等.声发射技术在压力容器检测和结构完

整性评价中的实用方法.大庆石油学院学报,1997,3(1):70-74.作者简介:张虹(1982!

),硕士研究生,主要研究方向为检测技术与仪器。

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[6] 吴信才,曾文,徐少平.基于SCADA 和GIS 技术的供水管网调度系

统.测绘通报,2004(6):49-52.

[7] 赵小强,荣冈.流程工业生产调度问题综述.化工自动化及仪表,

2004,31(6):8-13.

[8] 韩志广,宫敬.兰成渝成品油管道仿真系统的开发.油气储运,

2003,22(2):20-23.

[9] 王明阳.天然气长输管道仿真系统的设计.管道技术与设备,2006

(4):23-25.作者简介:马立平(1973!

),博士研究生,主要从事石油工程计算技术

方面的研究工作。

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Pipeline Technique and Equip ment

May 2007