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海洋平台管节点裂纹的声发射健康监测 摘要 海洋平台作为海洋开发过程中最重要的基础设施，具有较高的投资成本和操 作成本，一旦发生重大事故将会造成重大的经济损失和不良的社会影响。因此， 定期检查和在线监测就成为保证正常生产和安全操作的最有效的手段。 钢制导管架海洋平台是目前海上油田使用最广泛的一种平台，管节点作为其 最重要的组成部分，变形与裂纹扩展是导致其结构失效的重要机制。本文的研究 目的是利用声发射技术监测裂纹发展过程，探索其发展规律，实现管节点裂纹的 健康监测和裂纹发展状态的智能识别。 声发射技术作为一种新型的无损检测手段，可以实现对缺陷的动态监测以及 损伤状态的预测，通过在线监测，可以实现对裂纹发展过程的实时监控，有效的 预防重大事故的发生。 本文在理论研究的基础上，通过实验实时采集裂纹发展过程的声发射信号， 提取不同阶段的信号特征；通过模拟疲劳断裂实验，建立不同裂纹状态下累积能 量与振铃总数之间的拟合方程；将小波能量系数法运用到海洋平台管节点裂纹的 声发射健康监测中，并基于b p 神经网络实现了裂纹发展状态智能识别。 首先，采用声发射技术实时在线监测管节点试件的裂纹发展过程，提取振铃 计数、均方根值、能量值等特征参数的变化趋势，发现裂纹发展过程中所激发的 声发射信号具有一定的周期性和间歇性，并且不同阶段产生的信号特征都具有各 自的特点，对于裂纹状态的识别具有重要的指导意义。通过模拟疲劳裂纹实验， 根据实验数据，提出了不同裂纹状态下，累积能量和振铃总数之间的拟合方程， 为将来海洋平台健康监测和损伤预测提供理论基础。 其次，探讨了常用小波函数的特点以及分解尺度的确定方法。根据实验中声 发射信号特点，对信号进行五尺度小波分解，利用小波能量系数来表征不同阶段 的信号特征，结果表明，裂纹发展激发的弹性波是由多种高频信号叠加而成，而 且随着裂纹状态的不同而不断变化，而小波能量系数的变化与裂纹发展状态的变 化是一致的，通过小波能量系数可以有效的识别裂纹发展状态。 最后，本文采用三层b p 神经网络，选用小波能量系数作为输入、裂纹发展 的五种状态作为输出。通过试验，确定了最优的网络结构，利用所获得的样本信 号进行训练、仿真，有效实现了裂纹状态的智能识别，准确识别率达到8 8 9 6 ，达 到了实验预期。 本文研究成果对于推进海洋平台管节点裂纹的在线健康监测，提高监测过程 的实时性、经济性和安全性，实现裂纹状态的智能识别具有重要意义和实用价值。 关键词：海洋平台：健康监测：声发射：裂纹扩展 2 a c o u s tice mis sio nh e ait hm o nit o rin gf o rc r a c k e d t u b uia r jo in t so fo f f s h o r epla t f o r m a b s t r a c t a st l l em o s ti m p o r t a n ti n f r a s t r u c t u r ei nt h ep r o c e s so fm a r i n ed e v e l o p m e n t ， o f f s h o r ep l a t f o r mn e e d sh u g ei n v e s t m e n tc o s t sa n do p e r a t i o n a lc o s t s o n c eas e r i o u s a c c i d e n to c c u r s ，i tw i l lc a u s es i g n i f i c a n te c o n o m i cl o s sa n da d v e r s es o c i a li n f l u e n c e t h u s ，r e g u l a rs t r u c t u r ei n s p e c t i o na n do n 1 i n em o n i t o r i n gh a v eb e c o m et h el a s ta n d t h em o s te f f e c t i v ep r o c e s st oe n s u r en o r m a lp r o d u c t i o na n d s a f e t yo fo p e r a t o r s s t e e lj a c k e tp l a t f o r mi st h em o s tw i d e l yu s e dt y p e ，a n da si t sm o s tp i v o t a l t o n s i l t u e n tp a r t s ，t u b u l a rj o i n t s s t r u c t u r a lf a i l u r ei sm a i n l yc a u s e db yd e f o r m a t i o na n d c r a c kp r o p a g a t i o n t l l i sp a p e ri sa i m e dt oe x p l o r et h ec r a c kd e v e l o p m e n tr e g u l a t i o n ， t oa c h i e v et h ep u r p o s eo fh e a l t hm o n i t o r i n gf o rc r a c k e dt u b u l a rj o i n ta n di n t e l l i g e n t i d e n t i f i c a t i o no fc r a c ks t a t e sb ya c o u s t i ce m i s s i o nm o n i t o r i n gf o re r a & p r o p a g a t i o n a san e wn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gm e t h o d ，a c o u s t i ce m i s s i o n ( a e ) c 锄r e a l i z et h e d y n a m i cd e f e c t sm o n i t o r i n ga n dd a m a g ec o n d i t i o np r e d i c t i o n b yo n 1 i n em o n i t o r i n g ， c r a c k sc a nb em o n i t o r e do nt i m e , w h i c hc a np r e v e n tm a j o ra c c i d e n t s o nt h eb a s i so ft h et h e o r ys t u d y , t h ea es i g n a l so fv a r i o u sc r a c ks t a t e sa r e c o l l e c t e do nt h er e a lt i m e b yf a t i g u ec r a c ke x p e r i m e n t , t h ef i t t e de q u a t i o n sb e t w e e n a c c u m u l a t e de n e r g ya n dr i n gt o t a la r ee s t a b l i s h e di na c c o r d a n c ew i t hv a r i o u sc r a c k s t a t e s i ta p p l i e st h ef e a t u r ee x t r a c t i o nm e t h o do fa e s i g n a lb a s e do nw a v e l e te n e r g y c o e f f i c i e n tt oh e a l t h m o n i t o r i n g f o rc r a c k e dt u b u l a r j o i n t s o fp l a t f o r m ，a n d b a c k - p r o p a g a t i o n ( b p ) n e u r a l n e t w o r ki su s e dt ot h ec r a c ks t a t e i n t e l l i g e n t i d e n t i f i c a t i o n f i r s t l y , c r a c kg r o w t hp r o c e s si sm o n i t o r e db ya et e c h n i q u e t h et r e n d so f c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sr i n gc o u n t s ，r o o tm e a ns q u a r e ( r m s ) ，e n e r g y , e r e a r ee x t r a c t e d i tp r e s e n t st h a ta es i g n a l sg e n e r a t e db yc r a c kg r o w t hp r e s e n tc e r t a i np e r i o d i ca n d i n t e r m i t t e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h es i g n a lf e a t u r e sv a r yw i t hc r a c ks t a t e ，w h i c hh a sa n i m p o r t a n tg u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o rs t a t er e c o g n i t i o n s i m u l a t i n gt h ep r o c e s so f f a t i g u ec r a c kg r o w t h ，r e m o v i n ga es i g n a l sg e n e r a t e db ye r a & c l o s u r ea n du n l o a d i n g , t h ef e a t u r e so fc r a c kp r o p a g a t i o na r ee x t r a c t e d , a n dt h ef i t t e de q u a t i o n sb e t w e e n a c c u m u l a t e de n e r g ya n dr i n gt o t a l 。w h i c ha r es u i t a b l ef o rt 1 1 e p r o c e s s e so fc r a c k i n i t i a t i o n , c r a c kp r o p a g a t i o na n df r a c t u r e ，p r o v i d i n gt h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o ro f f s h o r e p l a t f o r mh e a l t hm o n i t o r i n ga n dd a m a g ep r e d i c t i o n s e c o n d l y , c h a r a c t e r i s t i c so fg e n e r a lw a v e l e t sa n dt h ed e t e r m i n i n gm e t h o do f m a x i m u md e c o m p o s i t i o nl e v e lo fw a v e l e tt r a n s f o i t s a t i o na r ed i s c u s s e d i nt e r m so f t h er u l e s ，f i v e - s c a l ed e c o m p o s i t i o ni ss u i t a b l ef o ra es i g n a l sc o l l e c t e d a n dt h e w a v e l e te n e r g yc o e f f i c i e n t sa r ee x t r a c t e d , i n d i c a t i n gt h ef e a t u r e so fs i g n a l s t h er e s u l t s h o w st h a tt h ee l a s t i cw a v eg e n e r a t e db yc r a c kg r o w t hi sc o m p o s e do fm a n yh i g h f r e q u e n c ys i g n a l s ，a n dc h a n g e sa l o n gw i t hd i f f e r e n tc r a c ks t a t e s a n dt h ew e c i si n a c c o r d a n c et oc r a c ks t a t e s t h e r e f o r e ，w a v e l e te n e r g yc o e 伍c i e n t sc a nb eu s e dt o i d e n t i f yd i f f e r e n tc r a c ks t a t e se f f e c t i v e l y i nt h el a s tp l a c e ，t h et h r e e l a y e rb pn e u r a ln e t w o r ki sb u i l tu pt or e c o g n i z et h e c r a c ks t a t e s ，a n di tt a k e st h ew a v e l e te n e r g yc o e f f i c i e n t sa n df i v es t a t e so fc r a c k g r o w t h 嬲i t si n p u t sa n do u t p u t s a n dt h e nt h eo p t i m u mn e t w o r ka r c h i t e c t u r e i s d e t e r m i n e db yt e s t t h es a m p l es i g n a l s 孤eu s e dt on e t w o r kt r a i n i n ga n ds i m u l a t i n g r e a l i z i n gt h ei n t e l l i g e n ti d e n t i f i c a t i o nt oc r a c ks t a t e se f f e c t i v e l ya n dt h ec o r r e c t i d e n t i f y i n gr a t i oi s8 8 ，a c h i e v i n ge x p e c t e dp u r p o s e t h er e s e a r c hh a sg r e a ti m p o r t a n c ea n da p p l i e dv a l u et op r o m o t et h eh e a l t h m o n i t o r i n go n l i n ef o rc r a c k e dt u b u l a rj o i n t s ，t oi m p r o v et h er e a l - t i m ep r o p e r t y , e c o n o m ya n ds a f e t y o fm o n i t o r i n gp r o c e s s ，a n dt oa c h i e v et h ei n t e l l i g e n t i d e n t i f i c a r l o n k e y w o r d s ：o f f s h o r ep i a t f o r m ；h e a i t hm o n i t o t in g ；a c o u s t i ce m is s i 0 1 3 ： c r a c kp r o p a g a tio n 4 海洋平台管节点裂纹的声发射健康监测 1 绪论 1 1 课题来源及研究背景 2 l 世纪迎来了海洋开发的新时代。世界各国纷纷将目光转向海洋，并开发 利用海洋资源、保护海洋环境作为基本国策。近1 0 多年来，世界海洋石油和天 然气生产迅速上升，2 0 0 3 年世界石油总生产量的3 4 1 来源于海洋石油，并开始 进入深海石油勘探的活跃期。2 0 0 4 年- 2 0 1 0 年深海石油产量约可满足全球石油需 求的5 增长至9 。 海洋平台作为海洋开发过程中的最重要的基础设施，广泛应用在海洋油气资 源的勘探和开发领域。它支撑着各种钻探设备、油气处理装置、生活平台等，结 构复杂、体积庞大，同时具有较高的投资成本和操作成本。长时间受到海风、海 浪、海冰以及潮汐等各种随机载荷综合作用，加之海洋环境腐蚀、材料老化及材 料缺陷和多种累积损伤的影响，降低了平台构件和整体抗力，严重影响了结构的 安全性和耐久性口1 。钢制导管架海洋平台是目前海上油田使用最广泛的一种平 台，管节点是其最重要的组成部分。在该类海洋平台设计中必须考虑节点处疲劳 损伤累积、疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展等过程的影响。 在海洋开发和勘探的过程中，发生了诸多严重的事故，导致了巨大财产损失 和人员伤亡的同时，也给社会带来了严重的不良影响，给人们敲响了警钟。1 9 6 7 年，s e d e 0 1 3 5 型半潜式海洋平台采油作业时，它的尾部的水平撑杆遭到破坏， 带来了严重的经济损失。同一年5 月，r a n g e ri 号钻井平台的后腿柱遭到破坏而 失效，从而使平台失衡，最终致使平台完全破坏。1 9 8 0 年3 月，由于疲劳裂纹 扩展，北海a l k i e l l a n d 号海洋平台的水声器支座的撑杆折断破坏，从而使相连 的五根撑杆过载而受到破坏，导致了承重腿柱失稳，引发了海洋平台失去平衡， 并迅速倾覆，其中1 2 3 名工作人员丧生，造成了巨大的经济损失。2 0 0 1 年，耗 资3 5 6 亿美元的巴西p 一3 6 号平台沉入海底，造成了油井停产，从而使巴西每 天的经济损失超过3 0 0 万美元，与此同时，还伴随着严重的环境问题口1 。 在国内海洋开发的历史上，也曾由许多严重事故发生。1 9 6 9 年，海冰推倒 了渤海2 号平台，从而严重破坏了一号平台，带来高达2 0 0 0 多万元的直接经济 损失。此外，1 9 7 4 年，海冰又推倒了渤海四号平台的烽火台，造成了严重的经 济损失嘲。 为了应对持续的环境变化和适用性要求以及结构失效、火灾、爆炸等潜在风 险，需要不断地创新，开发新的技术，实现对结构的完整性和安全性监测。在过 去的2 0 到3 0 年间，近海工业的迅猛发展，对结构的设计和安全监测提出了更高 海洋平台管节点裂纹的声发射健康监测 的要求。一方面，近海结构要以最优的途径进行设计、建造和操作；另一方面， 在服役过程中，应该及时监测在设计和建造阶段不能预测的刚刚出现的或是潜在 的结构失效以保证结构的正常运转。 众所周知，任何结构无论经过怎样的设计和建造，总会存在一些薄弱区域由 于长时间的过载工作或者其他自然灾害等原因造成结构失效。目前的检测手段主 要是在生产过程中结合一些无损技术对结构进行定期检查，但由于定期检测是在 一定时间间隔和有限的技术下进行的，这些技术无法在真实的生产过程检测出正 出现的缺陷和它们的发展趋势。 通过在线监测技术监测损伤的产生与扩展，有利于工程人员及时修复，保证 海洋平台作业过程中的安全性和经济型，有效的避免以上事故的再次发生。而海 洋平台检测对检测技术的要求较高，不仅要能够适应复杂的工作环境和平台结构 特点，还要具有高度的实时性、稳定性和经济性。 1 2 海洋平台健康监测研究现状 海洋平台健康监测的研究开始于2 0 世纪7 0 年代，研究领域主要涉及裂纹、 腐蚀以及结构应力与变形的监测等h 1 。 v a n d i v e r 瞄1 和b c g g 6 利用固有频率的变化分别研究了一个由船只碰撞引起的 钢桩支撑的近海灯塔的损伤监测结果和一个4 8 米高的北海平台模型的测试结 果。l o l n a d 和d o d d s 7 1 对三个北海平台开展了为期6 - 9 个月的声发射监测，以监 测结果为基础，深入研究了平台的状态设置、形状、周围环境对结果的影响以及 系统的耗费。研究发现，谱的变化都在3 以内。o s e g u e d a 哺1 基于某9 0 英寸高的 导管架海洋平台模型的动力特性改变研究项目，提出识别与固有频率有关的振型 是利用固有频率的改变准确识别模型损伤的基础。h a m a m o t o 和s w a m i d a s 等例 发现了一种新技术可以应用于三角架塔式平台模型损伤的识别。根据位移传感器 和应变计测得的频响函数( f r f s ) 实现对振型、频率和阻尼比变化的监测，利 用最大变化的传感器的位置来推断损伤位置。k o n d o 和h a m a m o t o u 伽为了实现海 洋平台损伤检测的目的，通过分析模态曲率变化初步确定损伤区域，然后结合逆 模态扰动法实现损伤单元定位和损伤程度评估。b r i n c k e r n l l 等在测量海洋平台结 构加速度时程时，应用了自回归移动平均模型，可以估算平台模型阻尼水平和固 有频率的变化，从而确定由损伤、环境条件的变化和海生物附着等造成的结构固 有频率的变化情况。s t u b b s 和k i mn 引运用一种新的损伤检测方法实现了损伤程 度评估和离岸结构损伤定位。这种方法假定结构损伤前的模态参数未知，实测损 伤结构的固有频率和振型。通过数值仿真，虽然高估了损伤程度，但精确识别了 损伤位置。h a n c s n n 3 1 总结了固定式海洋平台结构安全监测技术现状，展望了以后 的技术发展趋势，他认为完成海洋平台健康监测的重要技术手段是以环境激励下 2 海洋平台管节点裂纹的声发射健康监测 海洋平台结构动力响应为基础，建立_ 种以结构的输出信息为主的损伤识别模 型，实现结构和损伤单元的定位，再配合有效的局部n d t 技术，最终实现海洋 平台寿命的定量监控和有效预警。r a b i u l a l a m 和s w a m i d a s n 钔对钢制导管架海洋 平台的裂纹检测采用了位移和应变响应的研究方法。通过数值模拟分析一种理想 化的三维空间结构，运用a b a q u s 软件分析其全局和局部响应，发现在裂纹周 围的应力和应变变化明显，而以焊趾处的变化最为突出。n i c h o l s n 5 1 研究了环境激 励和经验模型在海洋平台健康检测中所起的作用，并对两种简单的海洋平台结构 模型施加遵循p i e r s o n m o s k o w i t z 波谱分布的随机激励，以未损伤结构输出响应 为基础，判断损伤发生时的结构响应，实现了对海洋平台结构刚度退化的健康检 测。 国内的研究主要是通过测试固有频率、模态分析、频率响应、经验模式分解、 小波分析等方法实现对海洋平台的健康检测。 窦润福等n 6 3 介绍了轴载荷和面内弯曲载荷作用下，3 4 只大尺度t 型焊接管 节点进行了静力和常幅疲劳试验，分析了疲劳强度随管节点尺度i 参数及载荷形 式的变化情况，对管节点的膜应力、热点应力、应力分布、弯曲应力、疲劳寿命 及裂纹扩展数据等进行了研究。 贾星兰h 刀选用海洋平台用钢a s t m a l 3 1 焊接接头试样，针对交变载荷作用 下海洋平台的低温疲劳问题，对焊接接头处低温疲劳裂纹扩展速率等进行了研 究，分别得出了低温与室温下的如柳一a k 曲线。 一 ： 张兆德n 剐针对浅海导管架式平台，利用有限元分析方法，计算其固有频率与 振型，分析了不同裂纹损伤时的模态参数变化规律，达到了海洋平台损伤检测的 目的，促进了平台现场检测的发展。刁延松等n 钔提出了基于神经网络技术的海洋 平台结构多重损伤检测方法，并通过数值模拟、冲击响应实验和振动台模型实验 验证了该方法的有效性。利用小波包分析提取特征向量实现结构损伤的检测。赵 永涛心川和赵玉玲船幻利用频率响应函数的变化对海洋平台进行损伤检测。赵永涛在 对计算模型加以1 0 噪声的情况下，仍然可以准确识别构件的断裂损伤。 此外，李典庆等陵幻提出了一种基于风险的海洋结构物无损检测功能分级方 法。作者根据风险值对无损检测功能进行分级，研究了风险值随检测概率、错误 识别概率和裂纹出现概率的变化规律以及风险值对检测费用、维修费用及失效费 用的敏感性。 欧进萍等乜3 1 开发了“海洋平台结构实时安全监测系统”应用软件，该系统于 1 9 9 8 1 9 9 9 年和1 9 9 9 2 0 0 0 年的冬季在渤海j z 2 0 2 m u q 平台上试运行，实时监测 了平台两个冬季的安全状况。 3 海洋平台管节点裂纹的声发射健康监测 1 3 声发射检测研究现状 声发射技术是利用仪器对声发射进行检测、记录、分析，并根据信号特征推 断声发射源的技术，该技术可以灵敏的检测材料内应力变化过程。 声发射信号来源于自身的缺陷，包含缺陷的实时信息，可以此评估缺陷的发 展趋势；对大型结构的整体检测，经济、高效；可提供随工况变化的瞬态或连续 信息，实现过程监控，可用于损伤破坏程度的预测；不受与被检测工件的距离影 响，可以实现高低温、核辐射、易燃、易爆和极毒等极端环境下的检测；对构件 的几何形状要求不高，可用于检测形状复杂的结构；可对缺陷在进行定位，从而 为损伤检查和修复提供位置信息，提高检测效率与可靠性；由于几乎所有材料在 变形和断裂时均产生声发射，因此该方法适用范围较广；可进行实时在线监控及 远程网络监控，克服了其他无损检测方法难以实现在线和远程监控的不足。因此， 运用声发射检测技术可以有效的实现对海洋平台关键结构的健康检测晗钔。 1 3 1 声发射裂纹监测研究现状 金属结构失效结构的9 0 以上来源于疲劳断裂。疲劳断裂是金属结构受到循 环载荷的作用时，由于应力集中等多种原因引起疲劳强度降低而产生裂纹，并最 终扩展至结构失效啪1 。 2 0 世纪7 0 年代，美国l o c k h e e d 飞机制造公司运用声发射技术监测了c 5 运输机机翼疲劳实验时的疲劳裂纹扩展情况。8 0 年代，澳大利亚空军和航空研 究所利用声发射技术监测了飞机机翼主梁以及机翼与机身连接框架螺栓疲劳裂 纹，取得了较大进展。美国w r i g h t 实验室和m c d o n n e l l d o u g l a s 公司于1 9 8 7 年 开始，利用三年的时间开展了f 1 5 飞机疲劳裂纹的联合研究工作，在裂纹形成 和扩展的声发射监测方面取得重要进展馏叼。 美国d u n e g a n 工程咨询公司成功解决了复杂结构件中的声发射噪声干扰问 题，开发的a e s m a r t2 0 0 0 系统通过两个探头就可实时监测裂纹的生长，同时 可以估计裂纹所在深度。英国斯托克波特的a v t 工程服务公司研制的v u l c a n 声 发射系统可用于监测、定位和连续监测海上构筑物所产生裂纹1 2 7 。 b e r k o v i t s 等乜町对不锈钢结构微裂纹的产生进行了声发射监测，研究了裂纹 闭合和扩展时声发射参数的变化情况。通过特征参数积分曲线，可以总结出裂纹 的三个损伤阶段：塑性变形阶段、裂纹萌生和微孔连接阶段、裂纹宏观发展阶段。 r o b e r s 和t a l e b z a d e h 啪1 基于实验研究，提出裂纹扩展速率与声发射计数率之 间对应关系，有效的运用裂纹扩展速率和声发射计数率、应力强度因子之间的关 系，实现了钢制紧凑拉伸试件和t 型梁的剩余寿命预测。 h a r r i s 和d u n e g a n 啪1 利用声发射技术对疲劳裂纹的扩展现象进行了连续监 4 海洋平台管节点裂纹的声发射健康监测 测，探索了裂纹扩展特征与声发射参数之间的关系，包括阈值设置和传感器频率 选择等。 7 0 年代初是我国断裂力学发展的高峰时期，此时国内的声发射事业开始起 步，主要是利用声发射技术对裂纹扩展进行预报和测量。目前该技术已经广泛应 用到各工业领域，包括石油化工、过程监测、航天、航空、铁路运输、电力等。 张守茁瞄在单向拉伸条件下，对有、无预制裂纹试件分别进行了声发射监测， 发现无预制裂纹的单向拉伸试件在屈服时产生较明显的声发射信号，裂纹扩展的 三个阶段表现不明显；而带有预制裂纹的试件，在裂纹扩展过程中不断产生位错 滑移，直至断裂，不断释放周期性声发射信号。 骆志高等瞳耵运用声发射技术对汽车板簧进行了裂纹检测实验，实现了对构件 早期细小裂纹的检测。龚斌等瞳6 1 在理论分析的基础上，通过单边切口试样拉伸实 验，研究了裂纹尖端塑性区的声发射信号累计数和应力强度因子之间的关系，并 得出实验条件下的比例因子。明廷锋等m 3 结合声发射检测系统，自行设计了齿轮 齿牙承载实验装置，实时采集齿轮裂纹扩展信号，通过时频分析、小波包分析等 信号分析方法，准确提取齿轮裂纹扩展过程中的声发射特征。王向红等羽利用声 发射技术在实验环境下分析了水轮机转轮叶片疲劳裂纹扩展速率从中速率到高 速率区转变时的应力强度因子范围，以及能量变化率和计数率与其之间的关系。 大连理工大学的李微、林哲等嘲1 在断铅实验的基础上，通过声发射参数求得应力 波传播的衰减系数，研究了管状结构环向穿透裂纹塑性变形到断裂的声发射特 性。 1 3 2 声发射在海洋平台结构裂纹中的应用 上世纪7 0 年代开始，声发射技术开始应用于海洋平台结构裂纹监测领域。 1 9 7 4 年s i l k 等认为声发射技术是可能应用到海洋平台结构监测中的，可以 通过传感器阵列监测裂纹扩展产生的声发射信号，估计裂纹位置和损伤程度。 1 9 7 6 年，三个法国专家c e t i m 、a q u i t a i n e 和c h e x o 所研究的试验项目有 效的把声发射技术应用到了海洋平台结构的监测中，实验证明，在较平静的海上 ( 浪高小于3 _ 4 米) ，在6 0 k h z 以上，裂纹传播的监测不受背景噪声的影响。同 年，p e t e r s 运用该技术监测研究了北海平台结构的连续疲劳裂纹发展情况。8 0 年 代，r o g e r s 、h a n s e n 等研究了t 型接头疲劳裂纹发展时的声发射现象，首次提 出了与裂纹增长时相比，裂纹闭合时不会产生明显的声发射现象，且信号幅值较 低。c h r i s t i a n 和s t e i n a r 通过水下钻机的声发射研究，证明疲劳裂纹产生的声发 射是可以被监测的。劳埃德船级社的r o g e r s 阐述了疲劳裂纹传播机理和裂纹远 距离监测方法，可用于海洋平台结构上的缺陷焊缝和危险焊点的声发射监测。9 0 年代，w a n g ，z e 等研究了海洋平台用钢a 5 3 7 在疲劳裂纹增长过程中的声发射 5 海洋平台管节点裂纹的声发射健康监测 现象，认为声发射事件率和应力强度因子对数存在着一定的线性关系口即。 我国中科院研究所的朱祖铭等m 1 1 9 9 2 年针对国产钢材t 型管节点，采用 d u n e g a n 8 0 0 0 系统进行了海水腐蚀疲劳的声发射实时检测，有效监测除了管节点 焊缝处的腐蚀疲劳裂纹的萌生和扩展情况。研究表明，在裂纹萌生和早起扩展阶 段，声发射事件数较少，幅度较低，随着腐蚀疲劳周数的增多，扩展速率增大， 事件增多，而后速率减缓，事件减少，在接近破坏阶段，将会再次产生大量声发 射信号。由此得出结论，裂纹扩展过程中产生的声发射信号具有一定的周期性和 间歇性，是一个不连续的过程。 ： 中国石油大学刘立群等7 3 通过钢制构件拉伸实验研究了杆试件和板试件断 裂过程中的声发射信号特征，对海洋结构a e 预警技术的应用进行了探索。 林丽等一刚将局域波方法运用到导管架海洋平台模拟声发射信号的特征提 取中，通过对预制裂纹的平台模型实验，分析声发射信号特征，并采用p o w e r b u i l d e r 和m a t l a b 等编程工具，结合s q l s e r v e r 数据库技术建立导管架海洋平台 声发射信号识别系统。 1 4 本文主要研究内容 管节点作为海洋平台管结构的重要连接方式，在复杂载荷的作用下，交贯线 焊缝的焊趾处易于出线裂纹萌生、扩展等破坏现象。本文在山东省自然科学基金 ( 1 6 0 0 9 1 0 9 6 2 0 1 0 ) 的资助下，基于裂纹扩展基本理论，运用声发射技术对导管 架海洋平台管节点的裂纹扩展直至断裂的过程进行监测，采集裂纹在各个阶段的 声发射信号，运用小波分析技术进行信号分析，提取各阶段信号的参数特征和波 形特征等，为管节点裂纹健康检测从试验阶段进入工程应用奠定基础。各章节的 安排如下： 第一章绪论，介绍选题的来源和课题背景，总结了海洋平台健康监测的国内 外研究现状以及声发射检测在裂纹监测以及海洋平台结构监测中的应用研究。 第二章详细阐述了声发射裂纹检测的理论基础。首先介绍了声发射的概念和 检测原理，然后从断裂力学的角度，分析裂纹产生和扩展时声发射产生的机理， 概述了常用的信号分析方法。通过实验模拟管节点断裂过程，利用p x w a e 全波 形声发射信号采集系统监测裂纹扩展和断裂的全过程，提取裂纹扩展各阶段的声 发射信号，运用参数分析法，分析裂纹扩展过程中，振铃计数、能量值、r m s 值等特征参数的变化趋势。通过模拟疲劳断裂的过程，提取裂纹扩展信号，建立 累积能量和振铃总数之间的函数关系，为裂纹的健康监测提供理论依据。 第三章基于小波基本理论，运用m a t l a b 编程，实现对声发射信号的小波分 解和重构，分析裂纹发展各阶段声发射信号时频特征，建立小波能量系数与裂纹 扩展之间的对应关系。 6 海洋平台管节点裂纹的声发射健康监测 第四章介绍了b p 神经网络的基本原理，结合小波分析，提取不同裂纹状态 下声发射信号的小波能量系，实现对裂纹扩展不同阶段的智能识别，达到智能预 警的目的。 第五章总结本文的研究内容和创新点，指出下一步的研究方向，为工程实践 提供参考。 7 海洋平台管节点裂纹的声发射健康监测 2 海洋平台管节点裂纹声发射监测 根据现代塑性力学理论，位错的滑移在塑性变形过程中发挥着关键作用。声 发射信号在高速运动的位错时呈现高频、低幅值特点，在低速运动的位错时呈现 低频、高幅值的特点0 | 。裂纹的发展会严重影响着结构的稳定性，因此，探索动 态裂纹所激发的声发射对于研究管节点的损伤检测具有重要意义。本文在理论研 究的基础上，设计了针对t 型管节点断裂实验，并运用声发射检测仪器对试件断 裂的全过程进行实时监测，成功提取了裂纹扩展和断裂的声发射信号，为建立特 征参数与裂纹扩展过程之间的关系奠定基础。 2 1 声发射的概念及检测原理 声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，简称a e ) 是固体材料在变形或破坏过程中释放 弹性波的一种现象h 。在应力作用下，材料的变形与裂纹扩展是结构失效的重要 机制。 根据声发射信号的特点，可以将其分为时域可分的突发型信号和时域不可分 的连续型信号两种。突发型信号是由高幅值、间断、瞬间衰减的信号组成，主要 由材料中裂纹的扩展、夹杂物碎裂等过程产生。声发射信号呈现连续性，是由于 信号频率过高，导致时域上不可分造成的h 引。如图2 1 所示。 簪l l 毒 争埠煮 ( a ) 突发型( b ) 连续型 图2 - 1 声发射信号类型 声发射检测的原理如图2 2 所示，由声发射源释放弹性波，按照一定的规律 传播至材料表面，材料的机械振动经由传感器转换为电信号，再通过前置放大器 对信号进行放大、处理，最后由专门的采集软件对信号特征进行记录。声发射信 号的产生是基于固体材料中内应力的变化。在材料加工、处理和使用过程中的位 错运动、裂纹形成、扩展与断裂、热胀冷缩、载荷的变化等等多种因素都会引起 海洋平台管节点裂纹的声发射健康监测 内应力的变化。通过对声发射信号进行分析与推断，可以了解材料产生声发射的 机制1 。 2 2 声发射信号特征参数 图2 - 2 声发射检测基本原理 连续型声发射信号特征参数包括振铃计数、平均信号电平和有效值电压，突 发型信号特征参数则包括事件数、振铃计数、幅值、能量计数、上升时间、持续 时间和时差等。常用突发型声发射信号特征参数如图2 3 所示。 图2 3 突发信号特性参数 ( 1 ) 波击( h i t ) 和波击计数 一个波击是指超过阈值并使某一通道获取数据的任何信号，波击数可通过总 计数和计数率来体现。该参数可应用于声发射事件的活动性评价，表征了声发射 事件的总量和频度h 剐。 ( 2 ) 振铃计数 振铃计数可分为总计数和计数率，是指试验区间内，声发射信号越过阈值的 次数。该参数简便实用，体现了信号强度和频度，常用于评估信号的活动性情况， 但易受阈值大小的影响h 羽。 ( 3 ) 事件数 事件数是计算可分辨的声发射事件所得的数值，包括总计数和计数率。该参 数可用于评价声发射源的活跃程度以及定位集中度，表征了声发射事件的总量和 频度。 ( 4 ) 波击能量 波击能量是一声发射波击所释放的全部弹性能，是声发射波形轮廓线下的面 积，可以通过对信号连续积分后获得。表征了事件的强度特征，不受阈值和工作 9 海洋平台管节点裂纹的声发射健康监测 频率的影响，可用于识别声发射源的类型h 割。 ( 5 ) 幅度 由声发射信号的波形所获得的幅度最大偏移，单位是d b ，决定了事件的可 测性，其值取决于事件的大小，而不受门槛的影响。常用于声发射源类型识别、 信号强度和衰减情况的测量h 副。 ( 6 ) 上升时间 声发射事件波形包络从超过第一个阂值起到达峰值的时间间隔，以闺表示。 有时可用于机电噪声鉴别h 3 1 。 ( 7 ) 持续时间 一个声发射事件信号从第一次超过阈值至最后一次降至阈值的时间，以声 表示。一般应用于鉴别特殊声发射源的类型和环境噪声“劓。 ( 8 ) 有效值电压 某一段时间内信号的均方根值，是用于分析连续变化的声发射信号变化的特 征参数，其时间长度可以根据实际需要灵活选择“羽。 ( 9 ) 到达时间 一个声发射波到达传感器的时间，以p 表示。该参数决定了波源的位置、 传感器间距和传播速度，常用于波源的定位m 3 。 ( 1 0 ) 平均信号电平 某一时间段内信号电平的均值，测量方法和用途与有效值电压类似，其不同 点在于r m s 体现均方根的变化，而平均信号电压则是体现了幅值的变化，单位 是d bh 3 1 。 以上特征参数可以单独的定义为与时间相关的函数，包括信号能率、振铃计 数率、时间计数率等，称之为单参数分析，同时，也可以相互组合形成关联图， 比如：能率一持续时间，振铃计数一上升时间，振铃总数一累积能量等等，从而进 行关联分析，综合体现信号特征，称之为关联参数分析。 2 3 裂纹产生与扩展的声发射原理 2 3 1 位错运动与塑性变形 一般情况下，声发射产生于金属材料中的位错运动和塑性变形、裂纹的形成 与扩展、断裂等过程。材料在屈服时激发的声发射信号特点为连续型、小幅值、 高发射率。突发型声发射信号产生于滑移线和塑性区边界上的位错、微断裂过程， 而在高脆性的材料的宏观开裂时，声发射信号更加强烈3 。 通常情况下，稳定的晶体位错处于低能状态，在外力作用下，晶格会释放弹 1 0 海洋平台管节点裂纹的声发射健康监测 性能，产生声发射信号。微裂纹的萌生主要影响因素是塑性变形，虽然微裂纹对 材料的稳定性造成显著地破坏，但是在外力作用下，经过微裂纹会进一步发展为 宏观裂纹。 研究表明，裂纹扩展产生的声发射要远大于比裂纹形成的声发射，这是由于 裂纹扩展所需的能量大约是裂纹形成所需能量的1 0 0 1 0 0 0 倍左右。当裂纹扩展 至一定程度就会发生失稳断裂。该过程会伴随强烈的声发射信号产生m 1 。 d u n e g a n 等基于7 0 7 5 t 6 铝的拉伸试验，总结了声发射计数率与应变之间的 对应关系，如图2 - 4 所示。由图可知，随着应变的增加，信号强度迅速增加，并 在材料屈服时，强度达到最大值，由此说明：声发射技术可以应用于预报材料和 结构的失效。 。 墨 暑 咛 囊 备 售 = - 善 一 扛 覃鼍 图2 4 声发射计数率与应变之间的关系 k a i s e r 效应是指材料在一次加载产生声发射后，再次所加载荷必须超过前一 次的情况下才会出现声发射，说明了声发射现象的不可逆性。该现象可以通过其 产生机理予以解释。由于声发射的产生与塑性变形密切相关，而塑性变形是不可 逆的h 叫。 2 3 2 裂纹的产生与扩展 许多结构的损伤或者破坏的重要原因之一是由于裂纹的形成和扩展。具有裂 纹的结构受力以后，在裂纹尖端区域会出现局部的应力集中现象，其应力集中程 度与裂纹尖端的曲率半径有关，曲率半径越小即裂纹尖端越尖锐，应力集中程度 就越高。这种应力集中造成了材料断裂发生在远低于材料理论断裂强度时1 。 在外力的作用下，材料会萌生裂纹并进一步扩展，该过程包括：裂纹萌生、 裂纹尖端的塑性变形、裂纹扩展。 材料属性的不同其裂纹产生、发展过程也不相同。塑性材料受到外力作用时， 首先会在第二相硬质点与基体材料变形界面上形成微孔，然后随着外力的增加促 使微孔不断长大至微孔相连，致使裂纹形成。在外力作用下，裂纹尖端的塑性区 会产生微观裂纹，继而发展成为宏观裂纹h o ，。 与塑性材料不同，脆性材料微裂纹形成的基本机理是位错塞积。由于脆性材 海洋平台管节点裂纹的声发射健康监测 料的裂纹尖端塑性区较小，裂纹扩展迅速。扩展过程体现了能量的局部积累与释 放，该过程是间断的，产生的声发射信号呈现突发特征。脆性材料由于没有明显 的塑