基于声发射技术的海洋平台材料疲劳损伤检测

曲文声，王寿军，穆为磊，刘贵杰，宋洪辉

(1.中国海洋大学 工程学院, 青岛 266100；2.中集海洋工程研究院有限公司, 烟台 264670)



基于声发射技术的海洋平台材料疲劳损伤检测

曲文声1，王寿军2，穆为磊1，刘贵杰1，宋洪辉1

(1.中国海洋大学 工程学院, 青岛 266100；2.中集海洋工程研究院有限公司, 烟台 264670)

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。

声发射；疲劳；海洋平台；小波分析

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300 mm，宽为20 mm，厚度为1 mm。

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。

图1　试验装置结构示意

图2　声发射信号采集系统外观

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100 kHz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400 kHz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150 kHz，频率范围为100 kHz～400 kHz。

由于传感器侦测到的声发射信号十分微弱，而需要对其进行放大处理，同时过滤掉不需要的信号以提高信噪比，故前置放大器是声发射检测系统中的一个重要部分。试验选用PXPA1声发射低噪声前置放大器，其增益为40 dB，带宽为20 kHz～2 MHz。

2.2试验过程

2.2.1仪器连接

将PXR15声发射传感器、PXPA1声发射前置放大器、DS2声发射信号采集系统、上位机之间分别通过传感器信号线、信号电缆等依次连接。试件一端由虎钳固定，另一端通过滑块连接，通过调整滑块的位置，可使其位于平衡位置。在靠近虎钳位置处，试件最易产生裂纹。为降低声发射信号的衰减程度，应使声发射传感器靠近虎钳，并涂抹耦合剂。

2.2.2试验前测试

为了确保仪器能够正常工作，在弯曲疲劳试验开始前，先进行断铅试验，如果能获得典型的突发型声发射信号，则说明声发射检测系统可正常工作。在声发射检测系统正常工作的情况下，还需要对环境噪声进行评估，即在空载情况下对环境噪声数据进行采集，以确定阈值大小。

2.2.3声发射检测系统参数设置

为完整采集信号波形，AD采样率至少要为信号频率的两倍。如果AD采样率过低，会造成信号波形失真；AD采样率越高，则信号波形越完整，所包含的高频成分也就越丰富，但却会造成采样数据量过大的问题，给后期的数据处理工作带来困难。该试验中，有效声发射信号的频率范围为100 kHz～400 kHz，同时考虑到硬件设施，设定采样频率为3 MHz。

为完整测得试验过程中的数据，声发射检测系统采用软件触发方式，即人为选择数据开始采集的时间，数据采集一直持续到人为停止数据采集时结束。

为了尽可能地降低噪声干扰，在试验过程中采用幅值滤波的方法进行初步降噪处理。由于大部分的噪声信号幅值有限，为了在滤除噪声的同时不对声发射信号造成太大影响，声发射检测系统的阈值设置为40 dB。

3　试验结果及分析

3.1滤波去噪试验采集得到的原始信号中含有大量的噪声信号，由于有效声发射信号的频率范围为100 kHz～400 kHz，因此需要依据频率滤除低于100 kHz的低频成分和高于400 kHz的高频成分。在声发射特征参数中含有峰值频率与质心频率两项参数，峰值频率仅考虑的是幅值的影响;而质心频率由于引入了权重因子，能够更合理地表示信号的主要频率成分。因此，将质心频率作为原始声发射信号滤波去噪的依据。

3.2趋势分析对于声发射参数的分析,常用的方法是趋势分析，即对声发射参数在试验过程中的变化情况进行分析。在13个声发射特征参数中，质心频率、振铃计数、持续时间、上升时间、平均信号电平五个参数最为显著，可用于识别现场环境下的声发射信号[10]。

图3，4分别为声发射信号经滤波去噪后的幅值、振铃计数趋势图。对声发射信号的振铃计数和幅值进行趋势分析可以得出：在600 s范围内时，声发射信号相对平稳，振铃计数、幅值都没有突变的情况，此阶段为材料的弹性变形和塑性变形阶段；在600 s时，振铃计数存在一个小幅突变，推测有微观裂纹产生，此时幅值也有小幅突变；在600～1 500 s的阶段，振铃计数和幅值都存在随机的突变，推测为裂纹的随机扩展过程。随着裂纹的扩展，在1 500 s以后，试件已产生很多宏观裂纹，并伴随宏观裂纹的扩展;此时，振铃计数和幅值都激增，声发射信号明显活跃。在1 700 s左右时，振铃计数与幅值均存在一个大幅突变点，推测此时为试件的断裂阶段。在1 700 s之后，由于试件已经断裂失效，因此声发射信号趋于稳定。

图3　振铃计数趋势分析

图4　幅值趋势分析

图4中高幅值成分主要集中在100 kHz～200 kHz间，即声发射信号能量主要集中在100 kHz～200 kHz。出现这一现象的原因,除了试验过程中的声发射有效信号主要在此频率段内以外，还与高频分量易衰减有关。

3.3小波分析

傅里叶变换常用于对周期信号频率的分析，其分辨率较差，同时存在误差，不能对信号的局部特征进行分析。声发射信号是一种非稳态信号，其非平稳特征包含着构件损伤的信息。小波变换具有多分辨率的优点，能很好地表征信号的局部特征，可通过小波分解和重构，对金属疲劳损伤过程的声发射信号进行分析，提取疲劳损伤信息。

小波分析选取不同的小波基时，往往会得到不同的处理结果，因此需要选取合适的小波基。由于声发射数据量往往比较大，故选择时需保证能够对信号进行较快处理，因此离散小波变换比连续小波变换更加合适。为了降低噪声的影响，小波基与信号需要有较高的相关性，并且需要有一定阶次的消失矩。考虑到以上原因，笔者选择了Symlets小波。

为了保证计算结果，且由于较高消失矩阶数会导致分析结果模糊，故取消失矩阶数为5。由小波分解后得到的最底层32个结点的频率段分别为[0,46.875]、[46.875,93.75]、[93.75,187.5]…[1 453.125,1 500](单位：kHz)。试验中的声发射信号频率主要集中在100 kHz～400 kHz，包含于上述小波分解频段内。

为了探讨试件在疲劳过程中的损伤情况，以小波特征能谱系数作为对象，对试验过程中的声发射信号进行分析。疲劳损伤不同阶段的小波特征能谱系数如图5所示，从图中可看出，在结点3至结点5之间的能谱系数较高，即能量主要集中于100 kHz～300 kHz间，这与图4中得出的结论是一致的。在低频段和高频段，能谱系数较低，因此通过质心频率滤除低频和高频成分对于声发射信号的影响不大。

图5　小波特征能谱系数

4　结语

通过搭建海洋平台材料弯曲疲劳损伤试验平台，探讨了海洋平台材料弯曲疲劳损伤过程中的声发射特性，分别通过振铃计数趋势分析、幅值趋势分析、小波分析，得到了声发射信号在疲劳损伤过程中的阶段性特征，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。

[1]YANG H Z, LI H J, WANG S Q. Damage localization of offshore platforms under ambient excitation[J]. China Ocean Engineering, 2003,17(4):495-504.

[2]HANSEN K, GUDMESTAD O T. Reassessment of jacket type of platforms subject to wave-in-deck forces: current practice and future development[C]∥The Eleventh International Offshore and Polar Engineering Conference. Norway: International Society of Offshore and Polar Engineers,2001:482-489.[3]王永兵.声发射技术的研究进展[J].石油和化工设备，2009(7):48-50.

[4]ROBERTS T M, TALEBZADEH M. Fatigue life prediction based on crack propagation and acoustic emission count rates[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2003,59(6):679-694.

[5]ROGERS L M, HANSEN J P, WEBBORN C. Application of acoustic emisssin analysis to the integerity monitoring of offshore steel production platforms[J]. Materials Evaluation,1980,38(8):39-49.

[6]郝富杰.概述金属疲劳产生的原因及影响因素[J].山西建筑，2011,37(11):51-52.

[7]申雅峰.铝合金疲劳试验的声发射滤波技术研究[J].新技术新仪器，2011,31(3):6-9.

[8]朱荣华，刚铁.铝合金疲劳裂纹扩展声发射监测[J].焊接学报，2013,34(3):29-32.

[9]翟庆宏，马长友.金属板中的声发射波传播特性分析[J].炼油与化工，2012,23(1):22-23.

[10]成见国，毛汗领，黄振峰，等.金属材料声发射信号特征提取方法[J].声学技术，2008,27(3):309-313.

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

曲文声(1992-)，男，硕士,主要从事信号处理、声发射技术等方面的研究,E-mail: lzqws@qq.com。

穆为磊(1986-)，男，讲师，博士,主要从事信号处理、声发射技术等方面的研究,E-mail：tblueapple@126.com。

10.11973/wsjc201610003

TG115.28

A

1000-6656(2016)10-0010-04