[发明专利]一种输气管道腐蚀疲劳裂纹扩展趋势的分形维数表征方法

摘要

一种输气管道腐蚀疲劳裂纹扩展趋势的分形维数表征方法，包括以下步骤首先，切取L360管壁材料并制成CT试样；其次，对管道裂纹进行疲劳前的噪声测试以及分形维数计算；再次，在疲劳机上对CT试样进行腐蚀疲劳试验；最后，对腐蚀疲劳裂纹进行噪声测试并计算分形维数；根据疲劳前后所计算得到的裂纹噪声的分形维数变化，可以反映出油气管道疲劳裂纹的扩展趋势；由于本发明是对试样进行低频噪声测试和计算，其行为本身不会对样品产生破坏，故而是一种无损检测手段；再者，该测试可以在绝大部分金属管道上进行，具有较广的适用性。

主权项

一种输气管道腐蚀疲劳裂纹扩展趋势的分形维数表征方法，其特征在于，包括以下步骤：一、对L360套管道进行切取制样，预制疲劳裂纹并清洗1)切取管材：试验材料取自普光气田某条管道，设计压力为11MPa，壁厚17.5mm，按照规范，试验试样应按CR方向取样，其中C表示裂纹表面的法线方向，即圆周方向；R表示裂纹沿壁厚扩展方向，由于管道管壁很薄，不按CR取向切取试样，只按CL取向在管材上切取试样，L为裂纹扩展方向，按CL取向截取母材样品3件；2)制备CT试样：按照GB/T 6398—2000标准制作CT试样，上述弧形样品取下后，直接加工出平板结构，且为含穿透裂纹的标准紧凑拉伸试样，即CT试样，CT试样W＝65mm，厚B＝15mm，用0.2mm的钼丝，切割出长5mm的裂纹源；3)预制疲劳裂纹：为便于裂纹起裂和减少预制疲劳裂纹所用的时间，试验前先对试样进行疲劳裂纹预制，预裂载荷比0.1，最大载荷10kN，预制出的疲劳裂纹长度约1.5‑2mm；4)清洗：首先进行CT试样表面除锈将CT试样在除锈液中浸泡20‑30分钟；然后将CT试样取出，用去离子水冲洗2‑3分钟，去除表面附着的多余除锈液(注意：去离子水冲洗时，CT试样的表面要与水流方向平行)；最后将样品用夹具挂起，吹干；二、疲劳试验前，测试并采集CT样品的低频噪声在CT试样的预制裂纹两侧，各焊接两根引线，连接到低频噪声测试平台上，噪声测试平台主要组成有偏置电路，低噪声放大器，计算机采集系统，整个噪声测试平台搭建在Cu网电磁屏蔽室中，噪声测试平台各部分主要功用如下：1)偏置电路：为被测CT试样提供所需的电压；2)低噪声放大器：由于低频噪声信号极其微弱，必须将信号充分的放大，这样数据采集卡才能够有效采集和量化；3)计算机采集系统：此模块将低噪声放大器输出的模拟噪声信号转换为数字信号并送入计算机进行存储；4)电磁屏蔽室：由于低频噪声信号极其微弱，很容易受到外界电磁干扰，因此整个测试系统须置于电磁屏蔽环境中；三、计算疲劳前低频噪声的分形维数D选用盒计数法计算分形维数，主要方法如下：用边长为r的正方形格子覆盖噪声信号图形，统计出覆盖格子中含有噪声点的格子数目N(r)，每次改变正方形格子边长r的大小，得到不同的N(r)，也即得到一组数据(ri，N(ri))，满足:N(r)∝r‑D  (3)D=limr→0ln(N(r))ln(1/r)---(4)]]>式中：N(r)为含有噪声点的格子数目，r为正方形格子边长，D为分形维数；四、对CT试样进行腐蚀疲劳试验将样品从低频噪声测试系统中取出，在试样的裂纹周围采用特种防漏胶构造封闭空间，用医用注射器将H2S饱和水溶液注入空腔，将样品放置在MTS 810‑250型液压伺服试验机上，试验机自动记录试验过程中的载荷、位移和裂纹长度的信息，所采用载荷比R＝Pmin/Pmax＝0.1，最大载荷Pmax＝10kN，加载频率5Hz，加载波形为正弦波；在疲劳扩展中，裂纹尺寸a随着疲劳循环次数N增加而增长，裂纹尖端应力强度因子变化幅度ΔK也随之不断变化，通过记录试验中某一裂纹扩展长度a与对应的循环次数N的数据，即记录下一系列(ai,Ni)数据，当裂纹扩展至10‑15mm时，停止疲劳试验；五、测量腐蚀疲劳后的CT样品裂纹噪声将CT试样从疲劳机中取下后迅速用丙酮清洗试样裂纹处；随后采用去离子水冲洗丙酮残留液2‑3分钟(注意：去离子水冲洗时，CT试样的表面要与水流方向平行)；最后将样品用夹具挂起，吹干；在低频噪声测试平台上对CT试样进行疲劳试验后的低频噪声测试，所加偏置电压与第二步中的相同，保证实验数据的前后可对比性；六、计算疲劳后的低频噪声的分形维数D由于低频噪声分形维数与材料内部的裂纹和缺陷有关系，通过对疲劳试验前后的低频噪声分形维数的计算，找出分形维数值的变化，进而判断管道裂纹扩展的状况，分形维数计算的主要步骤为：1)选取一组正方形边长，组成数组r＝{r1,r2,...rn}；2)每次用边长为ri的正方形组成网格，覆盖噪声信号。统计覆盖有噪声信号的正方形格子总数N(ri)，n次之后获得一组数据N(r)＝{N(r1),N(r2),...N(rn)}；3)对数据ln(1/ri)和lnN(ri)进行拟合，所得斜率即为分形维数D，根据疲劳裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子变化幅度ΔK之间的关系,疲劳损伤在管道内逐渐积累,达到某一临界值时，形成初始疲劳裂纹，初始疲劳裂纹在循环应力及环境的共同作用下逐步扩展,即发生亚临界扩展，当微裂纹长度达到临界裂纹长度时，难以承受外加载荷,微裂纹发生快速扩展至断裂，可将疲劳裂纹扩展分为三个阶段；第一阶段为疲劳裂纹的萌生阶段，存在一个门槛应力强度因子幅ΔKth,当应力强度因子变化幅度低于门槛值时,即ΔK≤ΔKth,疲劳裂纹基本不扩展。在光滑试样表面存在很多微小裂纹,微裂纹萌生并扩展。主裂纹不容易形成。此时裂纹纹理较粗糙。第二个阶段为裂纹的稳定扩展阶段,其应力强度因子范围大于ΔKth，此时损伤行为逐渐趋于平缓，由于多数微裂纹的扩展、合体产生主裂纹,主裂纹迅速形成并扩展，微小裂纹渐渐减少，裂纹粗糙度下降，在该区内,裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子幅服从Paris公式，也称为Paris区；第三阶段为裂纹快速扩展阶段,da/dN很大,宏观主裂纹已经壮大，疲劳裂纹扩展寿命短，在这一变化过程中，裂纹的粗糙度也发生着改变，在疲劳裂纹萌生阶段，由于微裂纹多且密，裂纹纹理粗糙度较大，随着疲劳损伤的进行，在第二和第三个阶段，微裂纹合体产生主裂纹，主裂纹逐渐长大，微裂纹渐渐减少，裂纹纹理粗糙度下降，由于管道裂纹是一种材料缺陷，低频1/f噪声涨落信息与材料的缺陷有很大关联，分形维数本身就是复杂形体不规则性的量度，因此，裂纹的粗糙度变化可以由分形维数表征；噪声信号可在二维坐标系中表示，它的分形维数D大于1小于2，如果噪声曲线比较平直，其分形维数较小；相反，噪声曲线越曲折，其分形维数值也越大，所以通过提取低频1/f噪声的分形维数值，可知管道裂纹的粗糙程度，通过分形维数值的变化，可以表征裂纹的发展情况。