基于声发射技术的海洋平台材料疲劳损伤检测
摘 要:海洋平台的疲劳损伤问题亟待解决,通过搭建海洋平台材料弯曲疲劳损伤试验平台,以声发射参数分析和小波分析作为分析手段,对海洋平台材料弯曲疲劳损伤过程进行了分析,得到了海洋平台材料疲劳损伤过程中不同阶段的特征信息,为声发射技术在海洋平台安全监测中的应用提供了理论支持.
关键词:声发射;疲劳;海洋平台;小波分析，无损检测企业
中图分类号:TG１１５．２８ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ６６５６(２０１６)１０Ｇ００１０Ｇ０４
随着人类对海洋能源的不断开发,海上能源开采平台的需求量也与日俱增.由于长时间受到海风、海浪、海冰以及潮汐等各种随机载荷的综合作用,加上海洋环境腐蚀、材料老化以及材料缺陷和多种累积损伤的影响,平台构件的整体抗力会逐渐降低,而影响到结构的安全性[１].因此,海洋平台的疲劳安全问题亟待解决,对海洋平台材料进行疲劳损伤分析也是当今的研究热点.
声发射技术不仅在材料蠕变、脆断、应力腐蚀、焊缝和焊接过程的监测中有广泛的应用,同时在船舶、飞机、大坝、海洋石油钻井平台等疲劳损伤的安全监测中也应用广泛[２].声发射检测技术可以对被测对象进行实时动态监测,其检测设备具有较高的
灵敏度,可准确及时地对损伤及其发展做出预测,以减少损失[３].笔者通过搭建海洋平台材料弯曲疲劳损伤试验平台,以声发射参数分析和小波分析作为分析手段,对海洋平台材料弯曲疲劳损伤过程进行了分析.
１ 疲劳损伤的声发射检测研究进展
TALEBZADEH 等[４]对材料的疲劳裂纹扩展过程进行了声发射监测,对疲劳加载过程中的裂纹扩展特征与声发射信号之间的关系进行了探讨.ROGERS等[５]验证了在疲劳损伤过程中,裂纹增长阶段的声发射信号幅值比裂纹闭合阶段的高.郝富杰[６]对疲劳损伤过程的影响因素进行了分析,探讨了材料表面状态、载荷形式、材料成分等对疲劳损伤的影响.申雅峰等[７]通过对铝合金疲劳损伤的研究,提出了基于声发射信号滤波技术的疲劳损伤识别方法.朱荣华等[８]建立了裂纹扩展速率、声发射计数与应力强度因子之间的关系,并得出如下结论:在疲劳损伤过程中,声发射信号主要产生于疲劳循
环载荷的低应力阶段,在此过程中,声发射计数与应力强度因子之间呈指数增长的关系.
２ 弯曲疲劳损伤声发射检测试验
载荷形式对疲劳强度有一定的影响,在应力幅度相同时,弯曲疲劳的寿命大于轴向疲劳寿命;在疲劳寿命相同时,轴向疲劳应力幅度小于弯曲疲劳应力的幅度,这种现象在高应力低周疲劳中更加明显[６].海洋平台在服役期间主要受到海流、海浪、海风等的综合作用,受力情况较为复杂.为对问题进行简化处理,笔者将海洋平台所受载荷近似为弯曲载荷,对海洋平台材料的弯曲疲劳特性进行研究.
２．１ 试验材料及设备
在常用的金属材料中,Q２３５碳素钢性能优良,具有良好的经济性.碳素钢经过一定的热处理后,其硬度、强度会显著提高,因此在制造业及海洋平台中,碳素钢得到了广泛的应用.因此,试验材料选用碳素钢.试件选用薄平板结构,其长为３００mm,宽为２０mm,厚度为１mm.
试验装置结构示意如图１所示,弯曲疲劳损伤特性试验平台的力学模型为曲柄滑块机构,其中曲柄由直流电机进行驱动.薄平板试件的一端与滑块
连接,另一端由固定在光学平板上的虎钳夹持固定.
采用图２所示的DS２声发射信号采集系统,其最多可对８个通道进行同步数据采集,主要由传感器、放大器、声发射仪、数据分析四个基本单元组成.参数分析和波形分析是声发射信号处理的主要途径,DS２声发射信号采集系统在获取声发射信号特征参数的同时,还可记录完整的波形数据,可以在最大程度上反映疲劳损伤信息.
该试验探讨的是海洋平台材料的弯曲疲劳损伤特性,故需保证试件在最大应变时不发生断裂,即以材料的强度极限作为试验装置、试件尺寸设计的上限.由于声发射波在金属薄板中的传播主要沿金属表面传播,且在薄板中的衰减小;在厚板中主要沿介质内部传播,声发射波的衰减程度较大[９].因此在
保证试件的最大应力在强度极限内的同时,应使试件的厚度尽量小.
由于机电噪声会干扰声发射信号,因此在试验设计时需考虑噪声干扰.试验中机械噪声主要由摩擦产生,频率一般在１００kHz以下.与机械噪声相
比,电子干扰属于高频信号,其频率一般在４００kHz以上.为减小机电噪声的干扰,试验选用PXR１５声发射传感器,其谐振频率为１５０kHz,频率范围为１００kHz~４００kHz.