顧桂華，修吉平，劉 瓊，張 倫

（1.華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；2.江漢石油第四機(jī)械廠，荊州 434000）

壓裂作業(yè)主要通過(guò)壓裂機(jī)組泥沙和水混合后進(jìn)行加壓，通過(guò)高壓管道注入井底，人為地改變油氣層的物理結(jié)構(gòu)，降低地層阻力，提高油氣井的產(chǎn)量［1］。壓裂作業(yè)的核心部件是泵頭體，由于承受高壓循環(huán)載荷作用和工作介質(zhì)的侵蝕，大型壓裂機(jī)組所使用泵頭體容易出現(xiàn)早期失效［2］。而直接用泵來(lái)做試驗(yàn)測(cè)試十分昂貴，利用超高壓模擬試驗(yàn)平臺(tái)，將不同材料加工成統(tǒng)一規(guī)格的試塊，結(jié)合聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，得出不同泵頭體材料試塊的失效時(shí)間，為材料的選型提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備

超高壓試驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)由柱塞泵、進(jìn)出管路、變頻器、電機(jī)等組成。柱塞泵選用JN280系列柱塞泵中的一款，其最高能產(chǎn)生280 MPa的壓力，理論流量30L／min，柱塞直徑20mm，泵速390次／min，配備110kW 電機(jī)，工作轉(zhuǎn)矩705N·m。泵的液力端壓力輸出值由變頻器驅(qū)動(dòng)控制。

聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)采用VB6.0和Matlab為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，選用凌華PCI9812 高速采集卡，單通道采樣速度設(shè)定為3 M／s，具有12位A／D 分辨精度，A／D量程在－5～5V 之間。聲發(fā)射傳感器選用北京聲華公司的SR－150M 聲發(fā)射傳感器。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)原理

圖1 系統(tǒng)框圖

聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱AE）作為無(wú)損檢測(cè)的一種技術(shù)手段，在材料內(nèi)部產(chǎn)生缺陷與損傷時(shí)，利用高靈敏度的傳感器，接收來(lái)自這些缺陷或損傷產(chǎn)生的應(yīng)力波，即AE 信號(hào)［3］。通過(guò)分析這些信號(hào)，來(lái)評(píng)估材料的缺陷或損傷特征。金屬材料中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、滑移帶生成、晶界滑移、裂紋萌生與擴(kuò)展等均會(huì)有相應(yīng)的AE 信號(hào)，可以很好地檢測(cè)到材料何時(shí)出現(xiàn)損傷或缺陷，對(duì)試件的結(jié)構(gòu)完整性作出評(píng)價(jià)［4］。而且聲發(fā)射傳感器的安裝比較方便，能在許多復(fù)雜的條件下應(yīng)用。

2.2 試塊結(jié)構(gòu)

由于實(shí)際泵頭體造價(jià)昂貴，不宜用來(lái)做試驗(yàn)，為此，筆者搭建了高壓模擬平臺(tái)模擬泵頭體實(shí)際工作時(shí)的工況，而將泵頭體材料加工成相對(duì)簡(jiǎn)單的試塊來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，利用聲發(fā)射技術(shù)分析整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中試塊狀態(tài)的變化，即裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展的規(guī)律。試驗(yàn)最根本的目的是得到在特定工況下材料的壽命，如果壽命越長(zhǎng)，說(shuō)明材料越適宜做泵頭體材料。圖2（a）是實(shí)際泵頭體，在服役一段時(shí)間后就發(fā)現(xiàn)漏水，內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，如圖2（b）所示，有一條明顯的肉眼可見(jiàn)的裂紋。

圖2 3000型五缸泵頭體及其裂紋宏觀形貌

試塊由一個(gè)長(zhǎng)170mm，寬170mm，厚75mm 的毛坯加工而成。將試塊中央內(nèi)腔加工成圓柱楔形，并在楔形尖部采用圓角，確保了破壞性試驗(yàn)的可行性，形成了可預(yù)見(jiàn)性的裂紋，也便于確定安裝聲發(fā)射傳感器的位置。在對(duì)試塊內(nèi)腔加壓的過(guò)程中，沿楔形圓角軸向方向距底面最近的線上應(yīng)力集中度最大，裂紋極有可能在該線附近產(chǎn)生，并沿著線延伸直至試塊破裂。試塊中央腔體的密封采用高強(qiáng)度焊接，并將墊板和焊接面外側(cè)用大螺栓緊緊固定在一起。4個(gè)φ33 mm 的通孔為螺栓孔，用于將試塊和墊板固定在一起，最終裝夾到超高壓試驗(yàn)平臺(tái)上，如圖3所示。

圖3 試塊結(jié)構(gòu)示意

模型的設(shè)計(jì)有兩個(gè)關(guān)鍵值：一是圓角處的最大應(yīng)力值（簡(jiǎn)稱最大應(yīng)力），此值對(duì)應(yīng)泵頭體破裂處應(yīng)力；二是圓角對(duì)應(yīng)底面的應(yīng)力值（簡(jiǎn)稱表面應(yīng)力），此值對(duì)應(yīng)漏水螺紋孔處的應(yīng)力。設(shè)計(jì)試塊結(jié)構(gòu)時(shí)，要盡可能使泵頭體和試塊兩者的最大應(yīng)力和表面應(yīng)力接近，模擬泵頭體材料的實(shí)際使用壽命。在整體及螺紋孔位置尺寸不變的情況下，有3個(gè)參數(shù)影響這兩個(gè)關(guān)鍵值，包括圓柱楔形開(kāi)口直徑、底面厚度（或楔形深度）和楔形頂部圓角半徑。為保持與實(shí)際泵頭體模擬時(shí)相同，對(duì)這3 個(gè)變量進(jìn)行ANSYS模擬選出最佳參數(shù)：開(kāi)口直徑為4 mm，底面厚度為7mm，圓角半徑為2.8mm。此時(shí)應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力為836MPa，表面應(yīng)力為226 MPa，與實(shí)際泵頭體模擬出的數(shù)據(jù)較為接近，以此作為試塊模型的設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)［5］。表1 詳細(xì)列出了泵頭體實(shí)際工況與模擬平臺(tái)系統(tǒng)的對(duì)比解決方案。

2.3 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料是經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的Cr－Ni－Mo－V 低合金超高強(qiáng)鋼，高強(qiáng)度鋼的主要力學(xué)性能為：硬度為33～38 HRC，抗拉強(qiáng)度為1 280 MPa。由于Cr、Ni、Mo等元素的存在，尤其是Ni元素的大量存在提高了鋼的強(qiáng)度和低溫沖擊韌性［6］。

表1 實(shí)際工況與模擬環(huán)境相似性對(duì)比及解決方案

2.4 試驗(yàn)方法

將試塊裝到超高壓模擬試驗(yàn)平臺(tái)上，在聲發(fā)射傳感器與試塊表面涂上超聲波耦合劑，安裝好聲發(fā)射傳感器。啟動(dòng)超高壓試驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)，設(shè)定目標(biāo)壓力150 MPa，保護(hù)壓力180 MPa。壓力波形圖如圖4所示，圖中峰值壓力已經(jīng)達(dá)到了150 MPa。這樣的壓力循環(huán)特征跟實(shí)際泵頭體承受的載荷特征基本一致，屬于交變載荷，壓力值從0上升到峰值后再下降到0，與實(shí)際工況十分吻合，保證試塊內(nèi)腔的載荷條件跟實(shí)際泵頭體的載荷條件一致。

圖4 高壓模擬平臺(tái)壓力曲線

當(dāng)超高壓試驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)壓力顯示值到達(dá)設(shè)定的150 MPa時(shí)，打開(kāi)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，點(diǎn)擊開(kāi)始采集，記錄全過(guò)程連續(xù)采集到的信號(hào)。試驗(yàn)進(jìn)行到試塊沖破噴水時(shí)，點(diǎn)擊停止采集，同時(shí)也停止超高壓試驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)的運(yùn)作。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)噪聲干擾

2.5.1 變頻電機(jī)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的影響

現(xiàn)場(chǎng)高壓泵柱塞運(yùn)動(dòng)的快慢由變頻器的頻率來(lái)設(shè)定，從而控制試塊中央內(nèi)腔承受的壓力峰值大小。變頻器一般由整流電路、濾波電路、逆變電路組成。由于變頻器逆變電路的開(kāi)關(guān)特性，電網(wǎng)中會(huì)存在能構(gòu)成電源無(wú)功損耗的較低次諧波信號(hào)以及許多頻率較高的諧波分量，形成對(duì)變頻器本身以及其他設(shè)備，尤其是通訊設(shè)備的干擾信號(hào)。

對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，發(fā)現(xiàn)高次諧波的頻率都在3kHz以下，并且在時(shí)域圖上幅值很小，對(duì)于聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)的干擾不大。

2.5.2 機(jī)械裝置產(chǎn)生的噪聲

高壓泵現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械裝置復(fù)雜，有前置低壓泵、過(guò)濾器、各路管道等。當(dāng)柱塞運(yùn)動(dòng)起來(lái)后，現(xiàn)場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)以及噪聲。經(jīng)過(guò)采集這部分信號(hào)進(jìn)行分析，高壓泵機(jī)械裝置的噪聲頻率大多在70kHz附近。而金屬裂紋的頻率大多在100kHz以上，所以在頻譜圖上可以區(qū)分出裂紋信號(hào)。

2.6 聲發(fā)射信號(hào)處理

2.6.1 快速傅里葉變換FFT

FFT 是離散傅里葉變換的快速算法，可以將一個(gè)信號(hào)變換到頻域。有些信號(hào)在時(shí)域上雜亂無(wú)章，難觀察出其特征，但如果變換到頻域后，就容易看出其特征，這是很多信號(hào)分析采用FFT 變換的原因。一個(gè)模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)ADC 采樣之后，就變成了數(shù)字信號(hào)。采樣定理要求采樣頻率大于信號(hào)頻率的兩倍，采樣得到的數(shù)字信號(hào)可以做FFT 變換。N個(gè)采樣點(diǎn)經(jīng)過(guò)FFT 之后，可得到N個(gè)點(diǎn)的FFT結(jié)果，為了方便進(jìn)行FFT 運(yùn)算，通常N取2的整數(shù)次冪。假設(shè)原始信號(hào)的峰值為A，那么FFT 結(jié)果的每個(gè)點(diǎn)（除了第一個(gè)點(diǎn)直流分量之外）的模值就是A的N／2倍。第一個(gè)點(diǎn)表示直流分量（即0Hz），而最后一個(gè)點(diǎn)N的再下一個(gè)點(diǎn)（假設(shè)的第N＋1 個(gè)點(diǎn)，也可看做是將第一個(gè)點(diǎn)分做兩半，另一半移到最后）則表示采樣頻率Fs，這中間被N－1個(gè)點(diǎn)平均分成N等份，每個(gè)點(diǎn)的頻率依次增加。例如某點(diǎn)n所表示的頻率為：Fn＝（n－1）×Fs／N。

2.6.2 小波分析

小波變換對(duì)于分析瞬時(shí)突發(fā)信號(hào)非常有用，能有效地從信號(hào)中提取信息，通過(guò)伸縮和平移等運(yùn)算功能對(duì)函數(shù)或信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化分析，解決了傅里葉變換不能解決的困難。小波變換的本質(zhì)和傅里葉變換類似，也是用精心挑選的基函數(shù)來(lái)表示信號(hào)方程。每個(gè)小波變換都會(huì)有一個(gè)mother wavelet，稱為母小波，同時(shí)還有一個(gè)scaling function，即尺度函數(shù)，也被稱為父小波。任何小波變換的基函數(shù)，其實(shí)就是對(duì)這個(gè)母小波和父小波縮放和平移后的集合［7］。傅里葉變換適合周期性的、統(tǒng)計(jì)特性不隨時(shí)間變化的信號(hào)；而小波變換則適用于大部分信號(hào)，尤其是瞬時(shí)信號(hào)，它針對(duì)絕大部分信號(hào)的壓縮、去噪，檢測(cè)效果都特別好。

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試塊中央內(nèi)腔載荷交變的特征，著重分析有壓力的區(qū)間內(nèi)采集到的信號(hào)。因?yàn)榱鸭y應(yīng)該出現(xiàn)在試塊中央內(nèi)腔有負(fù)載的區(qū)間，而不是卸掉載荷的區(qū)間。壓力區(qū)間外的突發(fā)信號(hào)是由于試塊中央內(nèi)腔內(nèi)一直存在空氣壓縮后膨脹發(fā)出的信號(hào)。150 MPa壓力下聲發(fā)射傳感器采集到的波形時(shí)域圖以及與之對(duì)應(yīng)的壓力曲線如圖5所示，對(duì)應(yīng)壓力區(qū)間內(nèi)的時(shí)域信號(hào)如圖6所示。

圖5 三個(gè)循環(huán)周期的壓力曲線與聲發(fā)射信號(hào)對(duì)照

圖6 壓力區(qū)間內(nèi)的聲發(fā)射信號(hào)時(shí)域

圖7為有裂紋和無(wú)裂紋兩種情況下聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域及FFT 頻域?qū)Ρ葓D。從圖中可以看出，當(dāng)有裂紋產(chǎn)生時(shí)，時(shí)域圖上壓力區(qū)間內(nèi)信號(hào)幅值變大了，頻域上會(huì)發(fā)現(xiàn)170kHz以上的高頻信號(hào)增多，在200kHz附近有明顯的峰值出現(xiàn)，并且在300，350，400kHz附近也有較小的峰值出現(xiàn)。這些高頻的信號(hào)正是在試塊沖破漏水前突然出現(xiàn)的，對(duì)應(yīng)著裂紋產(chǎn)生及快速擴(kuò)展的過(guò)程。

圖7中的對(duì)比信息已經(jīng)表明，聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域圖及快速傅里葉變換已經(jīng)能判斷出裂紋的出現(xiàn)及其特征，將圖6所示的壓力區(qū)間的信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行小波分析，更好地確認(rèn)裂紋的特征，如圖8所示。

圖8為壓力區(qū)間內(nèi)無(wú)裂紋和有裂紋的連續(xù)小波變換CWT 結(jié)果圖。圖8（a）是試驗(yàn)開(kāi)始階段無(wú)裂紋出現(xiàn)時(shí)的時(shí)頻圖，大部分信號(hào)的頻率在100kHz以下，這部分信號(hào)主要是試塊內(nèi)腔受到高壓沖擊以及平臺(tái)的機(jī)械裝置噪聲引起的。圖8（b）中則出現(xiàn)了不少100kHz甚至200kHz以上的信號(hào)。這是由于試塊中央內(nèi)腔楔形圓角應(yīng)力集中處產(chǎn)生了裂紋所引起的變化?？梢钥闯鲇辛鸭y產(chǎn)生時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)更高頻率的信號(hào)，150kHz以上頻段出現(xiàn)了較強(qiáng)的突發(fā)信號(hào)。

接著對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波分解與重組，分析各頻段重組信號(hào)特征。圖8所示為最初無(wú)裂紋時(shí)經(jīng)重組后的200～400kHz及400～600kHz頻段的信號(hào)?？梢钥闯鲋亟M后信號(hào)的幅值很小，表明原信號(hào)中在200kHz以上高頻信號(hào)很少。圖10所示為有裂紋的信號(hào)同頻段分解重組圖，與圖9中高頻部分對(duì)比，明顯看出幅值變大很多，200～400kHz頻段是原先無(wú)裂紋時(shí)的10倍，在400～600kHz頻段的幅值達(dá)到了無(wú)裂紋時(shí)的20倍。

圖7 兩種情況下聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域及FFT 頻域?qū)Ρ?/p>

圖8 小波變換下的裂紋信息對(duì)比

圖9 無(wú)裂紋信號(hào)小波分解重組

分析壓力區(qū)間內(nèi)信號(hào)波形的電壓值在整個(gè)試驗(yàn)期間的變化，以壓力區(qū)間包絡(luò)下波形的電壓值的平方和作為一個(gè)參數(shù)值，記作Q來(lái)表征斷裂前后的變化，如表2 所示。由表格數(shù)據(jù)畫出曲線圖，如圖11所示。

圖10 有裂紋信號(hào)小波分解與重組

表2 各階段Q 值

從Q值上可以看出，在早期無(wú)裂紋期間，Q值一般在3 500～4 500區(qū)間內(nèi)，當(dāng)裂紋出現(xiàn)后，Q值明顯變大，擴(kuò)展初期一直增大，到30 000左右，試塊破裂后，Q值下降，整個(gè)Q值的變化能很好地反應(yīng)試驗(yàn)期間試塊所處的狀態(tài)。

圖11 Q 值變化曲線圖

Q值作為一個(gè)參數(shù)，能很好地量化分析信號(hào)的特征。因?yàn)殡妷褐档拇笮∨c信號(hào)波形有著密不可分的關(guān)系，因此用小波能量系數(shù)法來(lái)進(jìn)一步分析信號(hào)的特征。

小波能量系數(shù)表現(xiàn)了各頻率區(qū)間內(nèi)信號(hào)的能量分布情況，通過(guò)比較各層小波系數(shù)的變化，獲取裂紋擴(kuò)展不同階段的時(shí)頻特征，建立小波能量系數(shù)與裂紋擴(kuò)展過(guò)程之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，小波能量系數(shù)可以有效地表征裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的聲發(fā)射特征［8］。

根據(jù)信號(hào)波形的變化將整個(gè)試驗(yàn)分為四個(gè)階段：早期無(wú)裂紋階段、初期裂紋出現(xiàn)及擴(kuò)展階段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段以及裂紋后期擴(kuò)展階段。選取不同階段的典型波形信號(hào)進(jìn)行分析，選擇Daubechies小波作為小波分析的小波基，進(jìn)行5 尺度下的分解，求取小波分解后各層能量系數(shù)，數(shù)值列于表3中。根據(jù)這些數(shù)值畫出不同階段的能量分布柱狀圖，如圖12所示。圖12（a）所示為早期無(wú)裂紋時(shí)的小波能量系數(shù)圖，可以看出，早期信號(hào)波形主要集中在低頻階段，大多數(shù)能量集中在d5層，也就是46.875～93.75kHz的頻段。到了裂紋初期，會(huì)發(fā)現(xiàn)d3和d4 層能量系數(shù)增大，d5 層明顯下降。再到裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展期，d4 層能量已經(jīng)超過(guò)d5 層，同時(shí)，d3和d2層能量也較之前有增加。到后來(lái)裂紋擴(kuò)展后期，d2、d3和d4層能量下降，d5層能量相對(duì)增加。整個(gè)過(guò)程，變化顯著的是d3 層和d4 層，也就是93.75～375kHz頻段，而跟早期無(wú)裂紋時(shí)相對(duì)比，d3層的變化是最大的，從早期的0.63%到后來(lái)的9.1%，13.31%，12.07%，分別增加了13.44，20.13和18.15 倍。說(shuō)明裂紋的聲發(fā)射信號(hào)集中在d3層頻段，也就是187.5～375kHz頻段，而這與前面從頻譜圖以及小波時(shí)頻圖所分析出的結(jié)果是一致的。

圖12 不同階段小波能量系數(shù)分析

表3 不同階段各層小波能量系數(shù)

綜上所述，無(wú)論是快速傅里葉變換，還是小波分析手段，在試驗(yàn)中都能有效地區(qū)分出試塊產(chǎn)生裂紋時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)。當(dāng)試塊有裂紋出現(xiàn)時(shí)，頻譜圖上會(huì)出現(xiàn)明顯的高頻信號(hào)，頻率在200kHz以上。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的Cr－Ni－Mo－V低合金超高強(qiáng)鋼材料加工的試塊在150MPa交變壓力下，試驗(yàn)了53min 45s就產(chǎn)生了裂紋，對(duì)比試驗(yàn)過(guò)的普通碳鋼材料12min失效，則說(shuō)明了試驗(yàn)的低合金高強(qiáng)鋼材料性能更好。

4 結(jié)論

（1）聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)能高速連續(xù)地采集試塊開(kāi)裂開(kāi)始到?jīng)_破的全過(guò)程信號(hào)，有效地找到裂紋產(chǎn)生的時(shí)間。

（2）通過(guò)快速傅里葉變換FFT 和小波時(shí)頻分析，發(fā)現(xiàn)了裂紋的頻率在200kHz以上高頻段。

（3）通過(guò)小波能量系數(shù)法，發(fā)現(xiàn)裂紋信號(hào)主要集中在d3層，即187.5～375kHz頻段。同時(shí)，也能找出裂紋從無(wú)到有的過(guò)程中，各層能量系數(shù)的變化規(guī)律。

（4）通過(guò)失效時(shí)間的比較能區(qū)分出材料在150 MPa交變壓力下的性能好壞，為泵頭體材料選型提供重要的試驗(yàn)依據(jù)。

（5）得出的裂紋特征信息可為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)在線預(yù)警功能提供參考依據(jù)。

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