基于聲發(fā)射技術(shù)的海洋平臺材料疲勞損傷檢測

曲文聲，王壽軍，穆為磊，劉貴杰，宋洪輝

(1.中國海洋大學 工程學院, 青島 266100；2.中集海洋工程研究院有限公司, 煙臺 264670)

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基于聲發(fā)射技術(shù)的海洋平臺材料疲勞損傷檢測

曲文聲1，王壽軍2，穆為磊1，劉貴杰1，宋洪輝1

(1.中國海洋大學 工程學院, 青島 266100；2.中集海洋工程研究院有限公司, 煙臺 264670)

海洋平臺的疲勞損傷問題亟待解決，通過搭建海洋平臺材料彎曲疲勞損傷試驗平臺，以聲發(fā)射參數(shù)分析和小波分析作為分析手段，對海洋平臺材料彎曲疲勞損傷過程進行了分析，得到了海洋平臺材料疲勞損傷過程中不同階段的特征信息，為聲發(fā)射技術(shù)在海洋平臺安全監(jiān)測中的應用提供了理論支持。

聲發(fā)射；疲勞；海洋平臺；小波分析

隨著人類對海洋能源的不斷開發(fā)，海上能源開采平臺的需求量也與日俱增。由于長時間受到海風、海浪、海冰以及潮汐等各種隨機載荷的綜合作用，加上海洋環(huán)境腐蝕、材料老化以及材料缺陷和多種累積損傷的影響，平臺構(gòu)件的整體抗力會逐漸降低，而影響到結(jié)構(gòu)的安全性[1]。因此，海洋平臺的疲勞安全問題亟待解決，對海洋平臺材料進行疲勞損傷分析也是當今的研究熱點。

聲發(fā)射技術(shù)不僅在材料蠕變、脆斷、應力腐蝕、焊縫和焊接過程的監(jiān)測中有廣泛的應用，同時在船舶、飛機、大壩、海洋石油鉆井平臺等疲勞損傷的安全監(jiān)測中也應用廣泛[2]。聲發(fā)射檢測技術(shù)可以對被測對象進行實時動態(tài)監(jiān)測，其檢測設備具有較高的靈敏度，可準確及時地對損傷及其發(fā)展做出預測，以減少損失[3]。筆者通過搭建海洋平臺材料彎曲疲勞損傷試驗平臺，以聲發(fā)射參數(shù)分析和小波分析作為分析手段，對海洋平臺材料彎曲疲勞損傷過程進行了分析。

1　疲勞損傷的聲發(fā)射檢測研究進展

TALEBZADEH等[4]對材料的疲勞裂紋擴展過程進行了聲發(fā)射監(jiān)測，對疲勞加載過程中的裂紋擴展特征與聲發(fā)射信號之間的關(guān)系進行了探討。ROGERS等[5]驗證了在疲勞損傷過程中，裂紋增長階段的聲發(fā)射信號幅值比裂紋閉合階段的高。郝富杰[6]對疲勞損傷過程的影響因素進行了分析，探討了材料表面狀態(tài)、載荷形式、材料成分等對疲勞損傷的影響。申雅峰等[7]通過對鋁合金疲勞損傷的研究，提出了基于聲發(fā)射信號濾波技術(shù)的疲勞損傷識別方法。朱榮華等[8]建立了裂紋擴展速率、聲發(fā)射計數(shù)與應力強度因子之間的關(guān)系，并得出如下結(jié)論：在疲勞損傷過程中，聲發(fā)射信號主要產(chǎn)生于疲勞循環(huán)載荷的低應力階段，在此過程中，聲發(fā)射計數(shù)與應力強度因子之間呈指數(shù)增長的關(guān)系。

2　彎曲疲勞損傷聲發(fā)射檢測試驗

載荷形式對疲勞強度有一定的影響，在應力幅度相同時，彎曲疲勞的壽命大于軸向疲勞壽命；在疲勞壽命相同時，軸向疲勞應力幅度小于彎曲疲勞應力的幅度，這種現(xiàn)象在高應力低周疲勞中更加明顯[6]。海洋平臺在服役期間主要受到海流、海浪、海風等的綜合作用，受力情況較為復雜。為對問題進行簡化處理，筆者將海洋平臺所受載荷近似為彎曲載荷，對海洋平臺材料的彎曲疲勞特性進行研究。

2.1試驗材料及設備

在常用的金屬材料中,Q235碳素鋼性能優(yōu)良，具有良好的經(jīng)濟性。碳素鋼經(jīng)過一定的熱處理后，其硬度、強度會顯著提高，因此在制造業(yè)及海洋平臺中，碳素鋼得到了廣泛的應用。因此，試驗材料選用碳素鋼。試件選用薄平板結(jié)構(gòu)，其長為300 mm，寬為20 mm，厚度為1 mm。

試驗裝置結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，彎曲疲勞損傷特性試驗平臺的力學模型為曲柄滑塊機構(gòu)，其中曲柄由直流電機進行驅(qū)動。薄平板試件的一端與滑塊連接，另一端由固定在光學平板上的虎鉗夾持固定。

圖1　試驗裝置結(jié)構(gòu)示意

圖2　聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)外觀

采用圖2所示的DS2聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)，其最多可對8個通道進行同步數(shù)據(jù)采集，主要由傳感器、放大器、聲發(fā)射儀、數(shù)據(jù)分析四個基本單元組成。參數(shù)分析和波形分析是聲發(fā)射信號處理的主要途徑，DS2聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)在獲取聲發(fā)射信號特征參數(shù)的同時，還可記錄完整的波形數(shù)據(jù)，可以在最大程度上反映疲勞損傷信息。

該試驗探討的是海洋平臺材料的彎曲疲勞損傷特性，故需保證試件在最大應變時不發(fā)生斷裂，即以材料的強度極限作為試驗裝置、試件尺寸設計的上限。由于聲發(fā)射波在金屬薄板中的傳播主要沿金屬表面?zhèn)鞑?，且在薄板中的衰減?。辉诤癜逯兄饕亟橘|(zhì)內(nèi)部傳播，聲發(fā)射波的衰減程度較大[9]。因此在保證試件的最大應力在強度極限內(nèi)的同時，應使試件的厚度盡量小。

由于機電噪聲會干擾聲發(fā)射信號，因此在試驗設計時需考慮噪聲干擾。試驗中機械噪聲主要由摩擦產(chǎn)生，頻率一般在100 kHz以下。與機械噪聲相比，電子干擾屬于高頻信號，其頻率一般在400 kHz以上。為減小機電噪聲的干擾，試驗選用PXR15聲發(fā)射傳感器，其諧振頻率為150 kHz，頻率范圍為100 kHz～400 kHz。

由于傳感器偵測到的聲發(fā)射信號十分微弱，而需要對其進行放大處理，同時過濾掉不需要的信號以提高信噪比，故前置放大器是聲發(fā)射檢測系統(tǒng)中的一個重要部分。試驗選用PXPA1聲發(fā)射低噪聲前置放大器，其增益為40 dB，帶寬為20 kHz～2 MHz。

2.2試驗過程

2.2.1儀器連接

將PXR15聲發(fā)射傳感器、PXPA1聲發(fā)射前置放大器、DS2聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)、上位機之間分別通過傳感器信號線、信號電纜等依次連接。試件一端由虎鉗固定，另一端通過滑塊連接，通過調(diào)整滑塊的位置，可使其位于平衡位置。在靠近虎鉗位置處，試件最易產(chǎn)生裂紋。為降低聲發(fā)射信號的衰減程度，應使聲發(fā)射傳感器靠近虎鉗，并涂抹耦合劑。

2.2.2試驗前測試

為了確保儀器能夠正常工作，在彎曲疲勞試驗開始前，先進行斷鉛試驗，如果能獲得典型的突發(fā)型聲發(fā)射信號，則說明聲發(fā)射檢測系統(tǒng)可正常工作。在聲發(fā)射檢測系統(tǒng)正常工作的情況下，還需要對環(huán)境噪聲進行評估，即在空載情況下對環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)進行采集，以確定閾值大小。

2.2.3聲發(fā)射檢測系統(tǒng)參數(shù)設置

為完整采集信號波形，AD采樣率至少要為信號頻率的兩倍。如果AD采樣率過低，會造成信號波形失真；AD采樣率越高，則信號波形越完整，所包含的高頻成分也就越豐富，但卻會造成采樣數(shù)據(jù)量過大的問題，給后期的數(shù)據(jù)處理工作帶來困難。該試驗中，有效聲發(fā)射信號的頻率范圍為100 kHz～400 kHz，同時考慮到硬件設施，設定采樣頻率為3 MHz。

為完整測得試驗過程中的數(shù)據(jù)，聲發(fā)射檢測系統(tǒng)采用軟件觸發(fā)方式，即人為選擇數(shù)據(jù)開始采集的時間，數(shù)據(jù)采集一直持續(xù)到人為停止數(shù)據(jù)采集時結(jié)束。

為了盡可能地降低噪聲干擾，在試驗過程中采用幅值濾波的方法進行初步降噪處理。由于大部分的噪聲信號幅值有限，為了在濾除噪聲的同時不對聲發(fā)射信號造成太大影響，聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的閾值設置為40 dB。

3　試驗結(jié)果及分析

3.1濾波去噪試驗采集得到的原始信號中含有大量的噪聲信號，由于有效聲發(fā)射信號的頻率范圍為100 kHz～400 kHz，因此需要依據(jù)頻率濾除低于100 kHz的低頻成分和高于400 kHz的高頻成分。在聲發(fā)射特征參數(shù)中含有峰值頻率與質(zhì)心頻率兩項參數(shù)，峰值頻率僅考慮的是幅值的影響;而質(zhì)心頻率由于引入了權(quán)重因子，能夠更合理地表示信號的主要頻率成分。因此，將質(zhì)心頻率作為原始聲發(fā)射信號濾波去噪的依據(jù)。

3.2趨勢分析對于聲發(fā)射參數(shù)的分析,常用的方法是趨勢分析，即對聲發(fā)射參數(shù)在試驗過程中的變化情況進行分析。在13個聲發(fā)射特征參數(shù)中，質(zhì)心頻率、振鈴計數(shù)、持續(xù)時間、上升時間、平均信號電平五個參數(shù)最為顯著，可用于識別現(xiàn)場環(huán)境下的聲發(fā)射信號[10]。

圖3，4分別為聲發(fā)射信號經(jīng)濾波去噪后的幅值、振鈴計數(shù)趨勢圖。對聲發(fā)射信號的振鈴計數(shù)和幅值進行趨勢分析可以得出：在600 s范圍內(nèi)時，聲發(fā)射信號相對平穩(wěn)，振鈴計數(shù)、幅值都沒有突變的情況，此階段為材料的彈性變形和塑性變形階段；在600 s時，振鈴計數(shù)存在一個小幅突變，推測有微觀裂紋產(chǎn)生，此時幅值也有小幅突變；在600～1 500 s的階段，振鈴計數(shù)和幅值都存在隨機的突變，推測為裂紋的隨機擴展過程。隨著裂紋的擴展，在1 500 s以后，試件已產(chǎn)生很多宏觀裂紋，并伴隨宏觀裂紋的擴展;此時，振鈴計數(shù)和幅值都激增，聲發(fā)射信號明顯活躍。在1 700 s左右時，振鈴計數(shù)與幅值均存在一個大幅突變點，推測此時為試件的斷裂階段。在1 700 s之后，由于試件已經(jīng)斷裂失效，因此聲發(fā)射信號趨于穩(wěn)定。

圖3　振鈴計數(shù)趨勢分析

圖4　幅值趨勢分析

圖4中高幅值成分主要集中在100 kHz～200 kHz間，即聲發(fā)射信號能量主要集中在100 kHz～200 kHz。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因,除了試驗過程中的聲發(fā)射有效信號主要在此頻率段內(nèi)以外，還與高頻分量易衰減有關(guān)。

3.3小波分析

傅里葉變換常用于對周期信號頻率的分析，其分辨率較差，同時存在誤差，不能對信號的局部特征進行分析。聲發(fā)射信號是一種非穩(wěn)態(tài)信號，其非平穩(wěn)特征包含著構(gòu)件損傷的信息。小波變換具有多分辨率的優(yōu)點，能很好地表征信號的局部特征，可通過小波分解和重構(gòu)，對金屬疲勞損傷過程的聲發(fā)射信號進行分析，提取疲勞損傷信息。

小波分析選取不同的小波基時，往往會得到不同的處理結(jié)果，因此需要選取合適的小波基。由于聲發(fā)射數(shù)據(jù)量往往比較大，故選擇時需保證能夠?qū)π盘栠M行較快處理，因此離散小波變換比連續(xù)小波變換更加合適。為了降低噪聲的影響，小波基與信號需要有較高的相關(guān)性，并且需要有一定階次的消失矩?？紤]到以上原因，筆者選擇了Symlets小波。

為了保證計算結(jié)果，且由于較高消失矩階數(shù)會導致分析結(jié)果模糊，故取消失矩階數(shù)為5。由小波分解后得到的最底層32個結(jié)點的頻率段分別為[0,46.875]、[46.875,93.75]、[93.75,187.5]…[1 453.125,1 500](單位：kHz)。試驗中的聲發(fā)射信號頻率主要集中在100 kHz～400 kHz，包含于上述小波分解頻段內(nèi)。

為了探討試件在疲勞過程中的損傷情況，以小波特征能譜系數(shù)作為對象，對試驗過程中的聲發(fā)射信號進行分析。疲勞損傷不同階段的小波特征能譜系數(shù)如圖5所示，從圖中可看出，在結(jié)點3至結(jié)點5之間的能譜系數(shù)較高，即能量主要集中于100 kHz～300 kHz間，這與圖4中得出的結(jié)論是一致的。在低頻段和高頻段，能譜系數(shù)較低，因此通過質(zhì)心頻率濾除低頻和高頻成分對于聲發(fā)射信號的影響不大。

圖5　小波特征能譜系數(shù)

4　結(jié)語

通過搭建海洋平臺材料彎曲疲勞損傷試驗平臺，探討了海洋平臺材料彎曲疲勞損傷過程中的聲發(fā)射特性，分別通過振鈴計數(shù)趨勢分析、幅值趨勢分析、小波分析，得到了聲發(fā)射信號在疲勞損傷過程中的階段性特征，為聲發(fā)射技術(shù)在海洋平臺安全監(jiān)測中的應用提供了理論支持。

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Fatigue Failure Detection of the Offshore Platform Material Based on Acoustic Emission

QU Wen-sheng1, WANG Shou-jun2, MU Wei-lei1, LIU Gui-jie1, SONG Hong-hui1

(1.Engineering Institute, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;2.Cimc Offshore Engineering Institute Company Limited, Yantai 264670, China)

Fatigue failure of the offshore platform material is still one of the most sophisticated problems needed to be solved urgently. Based on experiment platform for bending fatigue damage of offshore platforms materials, parameter analysis and wavelet analysis were used to explore the process of bending fatigue damage. The amplitude and counts show activity of fatigue crack well in different stages of fatigue failure. The acoustic emission technique is suitable for monitoring the fatigue failure of the offshore platform material.

Acoustic emission; Fatigue; Offshore platform; Wavelet analysis

2016-06-22

曲文聲(1992-)，男，碩士,主要從事信號處理、聲發(fā)射技術(shù)等方面的研究,E-mail: lzqws@qq.com。

穆為磊(1986-)，男，講師，博士,主要從事信號處理、聲發(fā)射技術(shù)等方面的研究,E-mail：tblueapple@126.com。

10.11973/wsjc201610003

TG115.28

A

1000-6656(2016)10-0010-04