油氣分離器的聲發射檢測研究

朱祥軍

（川慶鉆探工程公司安全環保質量檢驗監督研究院，四川 廣漢618300）

0 引 言

聲發射 （acoustic emission，AE） 是 20世紀60～70年代發展起來的一種無損檢測（NDT）方法。近20年來，這項技術已在石油化工、航天航空、水利電力、交通運輸、機械、建筑等行業得到較廣泛的應用[1-2]。它的原理是：受力構件的材料內部在損傷缺陷萌生、擴展過程中會釋放塑性應變能，應變能以應力波形式向外傳播擴展，這種現象即稱聲發射現象。聲發射是一種常見的物理現象，大多數材料變形和斷裂時有聲發射發生，但許多材料的聲發射信號強度很弱，人耳不能直接聽見，需要藉助靈敏的電子儀器才能檢測出來。聲發射技術就是將高靈敏度的聲發射壓電傳感器安裝在受力構件表面上，形成一定形式的傳感器陣列，實時接收和采集來自于材料缺陷的聲發射信號，進而通過對這些聲發射信號的識別、判斷和分析等過程，對材料損傷缺陷進行檢測研究，對構件的完整性進行評定，并為設備在使用工況下的壽命進行預測[1-4]。近年來，我國的聲發射技術也已經取得很大的進步，在很多方面都取得優秀的成果，其中應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聲發射檢測技術。

分離器是一種將輸油管道或輸油設備中的氣體從各類油品中分離出來的專業設備，分離器位于潛油離心泵和保護器之間，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形空間，可用于油氣的分離，也可用于油氣井的測試、新井和措施井的清噴。在結構上，分離器采用了防腐材料，嚴格的焊接工藝和最新粘結劑的使用，保證了分離器有高的機械強度，通常壓縮空氣和油的混合物，由外向內通過分離器，靠多級分離器產生凝聚效果，從而回收了油，又產生出純凈的空氣。

油氣分離器是在石油行業中廣泛應用的設備，是鉆井設備的重要組件，但是分離器體積大，容器壁很厚，常規的檢測方法非常耗費時間，而且焊接部位多，難以及時的發現缺陷。因此，考慮采用聲發射技術對分離器整體進行檢測，聲發射技術對大容器、復雜結構的容器檢測有著明顯的優勢[8]。

1 檢測方法

1.1 試驗設備基本情況

一臺國外某廠2000年生產的立式油氣兩相分離器，分離器內徑800mm，長4800mm，容積2.6m3，結構見圖1所示。該分離器設計壓力為10MPa，試壓介質為水。試驗前，關閉所有的出口，并通過密封試驗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 檢測儀器及參數設置和準備工作

主機：DISP-16通道聲發射測試系統

軟件：AEwin for Disp Version 1.80

門檻值：40dB

傳感器型號：R15壓電傳感器

前置放大器：2/4/6型

增益：40dB

耦合劑：黃油

砂石料開采單價應計算相關費用、利潤及稅金，只適用于單獨招標投標時的計價，而這只有在實施階段才有可能發生，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。“自采”是不應計算相關費用、利潤及稅金的，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、混凝土構件安裝工程中的構件預制等是類似的。若由不同的承包人開采，對主承包人而言就不是“自采”，而是“他采”（相當于“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源，校核各通道工作是否正常，測定聲波在油氣分離器中的傳播速度和檢驗定位的精度。

1.4 加載程序

通過油氣的入口對該分離器進行加載，根據標準GB/T 18182-2000的規定[10]，采用二次加載方法，使檢測數據更充分、結果更可靠。具體加載方案時第一次加載到10MPa后穩壓15min，然后完全卸載油氣分離器內壓力，進行第二次加載，到10 MPa后再保壓15min。加載程序如圖2所示。

對加載設備的要求是：升壓平穩、緩慢，壓力波動量要小，保壓期間無泄漏。每次開始加載時，都把聲發射檢測系統同時打開，采集數據，觀察顯示窗口中的圖形（數據）隨壓力的增加所引起的變化。若發現有異常信號發生，應立即停止加載，并保壓觀察，視具體情況決定是繼續升壓還是迅速降壓。

圖2 加載程序

2 有效聲發射數據的確定

在確定有效聲發射數據之前，先來介紹許多金屬材料共有的形變聲發射的不可逆效應，即“材料被重新加載期間，在應力值達到上次加載最大應力之前不產生聲發射信號”。這種不可逆現象稱為“Kaiser效應”。

將試驗過程中采集來的數據進行重放，重顯試驗過程及修改重放中的設置參數，是該軟件的卓越功能。信號的識別是聲發射檢測中非常重要的環節。由于油氣分離器焊縫多，且由多個零部件組成，連接方式為法蘭連接。所有這些零件在加載時不可避免的出現很多信號，它們都被顯示在屏幕上和記錄在數據文件里。但聲發射檢測的目的，是以有無缺陷擴展信號來判斷設備的安全性。而上述大量非缺陷擴展信號的涌現，難以分辨出真實的開裂信號。因此對油氣分離器的評定，目前不宜采用加載期間采集到的試驗數據，而主要是根據油氣分離器保壓階段的信號數據。

針對油氣分離器的結構特點，對于在保壓期間所采集到的信號可分為噪聲信號和有效信號。

2.1 噪聲信號

噪聲信號的來源主要是殼體與內部結構件之間發生摩擦、螺栓受力引起的變形，以及各螺栓受力不均導致的載荷重新分配，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。在保壓期間，上述現象一般說來不會產生，但對于不穩定狀態的結構也不完全杜絕，特別是在第一次保壓時。而且由于摩擦的機制與一塊金屬材料因變形而產生的聲發射信號機制不同，故不能滿足Kaiser效應。通常這類信號能量小，幅度也很低。

在試驗的過程中發現，在第二次保壓階段的聲發射信號都要少于在第一次保壓階段產生的聲發射信號，結合Kaiser效應的信號產生規律，把在第一次保壓階段出現，但在第二次保壓階段沒有出現的信號提取出來進行分析，并對比在設備上模擬源的聲發射信號。模擬的信號幅度相對較高，保持在70～90 dB之間，能量也非常高，達到200以上，振鈴計數也高達上千個，相比之下沒有重復出現的信號幅度、能量、振鈴計數都少得多。利用信號參數特征的差別可以有效分辨出噪聲信號。

2.2 有效信號

有效信號是指缺陷活動產生的信號。這類信號定位源比較集中，信號的參數數值較大，而且會多次出現。在加載期間，一般低于油氣分離器的工作壓力下無聲發射信號，在高于此壓力的升壓、保壓各個階段會有聲發射信號，在降壓后的第二次升壓和保壓階段，根據是否在同一位置出現信號及其強弱程度來確定聲發射源的活性程度，對于弱活性或非活性的源來說，是很少或者沒有聲發射信號產生，滿足Kaiser效應。有效信號如表2所示。

表2 有效信號數據顯示

2.3 試驗數據分析

每次試驗結束后，采用幅度分析法，即根據其幅度及聲發射信號參數隨時間、壓力變化的情況，綜合分析，再對聲發射源所處位置進行統計。可以發現2次試驗都有相似的地方，即在升壓階段都會有很多信號產生，這與試驗前預測的一樣。由于油氣分離器的結構特點，在加載階段內部零件發生磨擦、連接螺栓變形，這些情況都會產生大量的噪聲信號，因此要分析的數據主要來源于保壓階段的采集信號。根據圖2的實驗方案進行實驗，在達到試驗壓力后，找出穩壓15min內產生的信號，如表3所示。

表3 兩次試驗中保壓階段采集數據統計表

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

對于第一次試驗的噪聲信號經分析，第一組和第三組的信號為出口在承壓時，關閉的閥門受力擠壓出現應力釋放而產生的噪聲信號。第七組的集中信號坐標主要是試驗進水的位置，通常這類位置由于變形量較大，出現較多的噪聲信號。

3 結束語

通過這次檢測實踐，得出：

（1）運用聲發射技術對油氣分離器水壓試驗過程進行檢測是可行的；

（2）通過Kaiser效應的原理，運用2次加載的方法可以幫助檢測人員快速判斷噪聲信號；

（3）這是國內第一次把聲發射技術用于油氣分離器的檢測，這是一個較新的課題，需要做很多新的探索和實踐。

在整個試驗過程中，殘余應力釋放、結構之間的摩擦、密封泄露都可產生大量的噪聲信號，目前不能很好地排除升壓階段的噪聲信號，需進一步提高信號的采集水平和分析能力，不斷完善信號處理手段。

[1] 耿容生.聲發射技術在航空工業中的應用-現狀、困難及對策[C]∥中國第十屆聲發射學術研討會論文集，2004.

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[6] 沈功田，段慶儒，周裕峰，等.壓力容器聲發射信號人工神經網絡模式識別方法的研究[J].無損檢測，2001，23（4）：144-149.

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[11]ASTM E 569-2002，Standard Practice for Acoustic Emission Monitoring ofStructures During Controlled Stimulation[S].