研究
何莎1,2，张志东1,2，俞嘉敏1,3，王小梅1,3，王仕强1,2，王凯1,2
（1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院， 四川 广汉 618300）
（2.四川科特检测技术有限公司， 四川 广汉 618300）（3.四川宏大安全技术服务有限公司， 四川 广汉 618300）
[摘 要] 为了验证加载速度对防喷器声发射检测安全性的影响，基于断裂力学及数值模拟方法，采用有限元法计算了防喷器检测中使用的外加内压到既定裂纹裂尖处的应力场强度因子并转换为金属材料断裂韧度试验采用的标准试样的外加载荷，来判断裂纹的稳定性。分析结果表明，防喷器内压达到70MPa和77MPa时，防喷器壳体的大部分区域应力水平较低，在半椭圆形裂纹的裂纹前沿附近，应力水平显著，在裂纹前沿的中点处，应力强度因子达到最大值。当载荷F达到7.98kN、8.76kN、11.63kN和12.72kN时，处于F-Δ曲线的线性段，即防喷器声发射检测试验压力达到最高工作压力的1.1倍时，防喷器处于安全工作状态。 [关键词] 防喷器；声发射检测；加载速度；安全性
作者简介：何莎（1980—），女，重庆人，博士，高级工程师。
主要从事无损检测研究工作。
防喷器是实施井控的关键组成部件之一，其性能优劣直接影响油气井压力控制的成败。防喷器主要有环形防喷器和闸板防喷器。在使用过程中，其内部受到碰撞、腐蚀、井口压力以及长期反复压力检测等因素，壳体易产生裂纹[1-5]。对防喷器壳体裂纹的检测发现，可以采用一些常规和先进的无损探伤技术，如交流电磁场检测技术、磁粉检测技术、超声相控阵检测技术等，但这些技术只能针对静态裂纹，对于防喷器的动态裂纹，有效的检测方法是采用声发射检测技术。声发射是一种常见的物理现象，大多数材料变形和断裂时均有声发射现象发生[6]，声发射作为非破坏性评价技术已广泛应用于许多领域[7]。防喷器声发射检测的操作规则和评级方法遵循ASTM E569《结构在受载中声发射监控的标准实施》和GB/T 18182-2012《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》[8]。GB/T 18182-2012提出可根据被检件有关安全技术规范、标准和合同的要求来确定声发射检测最高试验压力和加压程序，同时，标准也要求升压速度一般应不大于0.5MPa/min ，对于在用压力容器的检测，试验压力一般不小于最高工作压力的1.1倍[9]。而对于防喷器的实际声发射检测工作来说，升压速度为0.5MPa/min 时，需要升压的时间较长，若提高升压速度，可减少升压时
间，提高检测效率，但其安全性无保障。此外，实际检测工作中，试验压力一般只加载到最高工作压
力，没有达到标准所要求的试验压力为最高工作压力的1.1倍，对于试验压力达到最高工作压力的1.1倍其安全性未知，故对不同升压速度和试验压力达到最高工作压力的1.1倍下声发射检测的安全性进行研究，具有重要的实际意义。1 防喷器声发射检测加载速度安全性研究技术方案为进行防喷器声发射检测加载速度安全性研究，本文从断裂力学的角度出发，充分考虑加载速度的影响，利用数值模拟和标准试验手段，基于工程实际，通过有限元数值计算实现了防喷器检测中使用的外加内压到既定裂纹裂尖处的应力场强度因子的转换；将该应力场强度因子转换为金属材料断裂韧度试验采用的标准试样的外加载荷；再由断裂力学试验判定裂纹是否稳定，从而回答防喷器在所对应的载荷条件下是否安全的问题。技术路线图如图1所示。1.1 防喷器基本参数及工况
网
本文采用的防喷器类型为闸板防喷器和环形防喷器，压力级别70MPa ，材质为35CrMo 和
胶黏剂搅拌机图1 技术路线图25CrNiMo，加载速度分别为0.5、1.0、2.0、5.0、
10MPa/min。
基于三维虚拟裂纹闭合法的应力强度因子有限元计算方法
中间节点n2的单位面积自由表面能量释放率为：
其中，，
沥青透水混凝土
对于平面各向同性线性弹性材料，平面应变由式（3）可得应力强度因子的表达式为：
其中，G I为产生单位面积自由表面的能量释放率，E为弹性模量，μ为泊松比。
对于三点弯曲试样，应力强度因子系数
图3 闸板防喷器壳体的1/2有限元模型
由下式给出：
(6)
2 防喷器声发射检测加载速度安全性研究2.1 防喷器内壁面裂纹应力强度因子的有限元分析基于Nastran 软件，建立闸板和环形防喷器壳体的有限元模型，如图3和图4所示。考虑到结构的对称性，
建立壳体的1/2模型，求解得到节点力及节点位移。闸板防喷器壳体的有限元模型单元总数为155300个，总体采用四面体网格，为了更加准确地计算出裂纹处的节点力和节点位移，裂纹处采用六面体网格；环形防喷器壳体的有限元模型单元总数为414870个，总体采用的是六面体网格。材料模型用线弹性模型，弹性模量E=210GPa ，泊松比υ=0.3，裂纹尺寸如图4
所示。
图4 环形防喷器壳体的1/2有限元模型
pbs配方
注：左图为大图，右图为局部详图
图4 裂纹尺寸
对上述闸板防喷器和环形防喷器壳体的有限元模型，恰当约束刚体位移，在内壁和裂纹面
上，分别各施加内压P=70MPa 、P=77MPa ，计算获得防喷器壳体的Mises 应力云图，如图5-图8所示。由图5-图8可知，在内压70MPa 和77MPa 下，防喷器的大部分区域，应力水平都很低，在半椭
圆形裂纹的裂纹前沿附近，应力水平显著。
图5 闸板防喷器壳体的Mises应力云图（70MPa）
沙画工具图6 闸板防喷器壳体的Mises应力云图（77MPa）
图7 环形防喷器壳体的Mises应力云图（70MPa）
图8 环形防喷器壳体的Mises应力云图（77MPa）
在VCCT 的计算方法中，需要提取裂纹前沿外圈节点的节点力和内圈节点的位移。图9和图10分别显示了闸板防喷器和环形防喷器壳体裂纹前沿内圈、外圈节点详图，外圈标记为×的节点位于裂纹前沿，标记为○的节点是临近裂纹前沿的裂
纹面内圈节点，分别列于表1和表2
。
图9 闸板防喷器壳体裂纹前沿内圈、外圈节点详图图10 环形防喷器壳体裂纹前沿内圈、外圈节点
详图
玻璃退火炉内圈节点编号张开位移(mm)
P=70MPa
张开位移(mm)
P=77MPa
外圈节点编号节点力(N)P=70MPa节点力(N)P=77MPa
10502-4.13E-03-4.55E-0310529 4.57E+02 5.03E+02 10503-4.29E-03-4.72E-03105308.99E+029.89E+02 10504-4.78E-03-5.26E-03105319.75E+02 1.07E+03 10505-5.09E-03-5.60E-0310532 1.05E+03 1.16E+03 10506-5.32E-03-5.86E-0310533 1.09E+03 1.20E+03 10507-5.40E-03-5.94E-0310534 1.12E+03 1.24E+03 10488-5.27E-03-5.80E-0310535 1.14E+03 1.25E+03 10489-5.42E-03-5.96E-0310536 1.12E+03 1.23E+03 10490-5.31E-03-5.84E-0310537 1.11E+03 1.22E+03 10491-5.10E-03-5.61E-0310538 1.07E+03 1.17E+03 10492-4.83E-03-5.31E-03105399.99E+02 1.10E+03 10493-4.32E-03-4.75E-03105409.17E+02 1.01E+03 10494-4.19E-03-4.61E-0310541 4.62E+02 5.08E+02表1 闸板防喷器壳体裂纹前沿内圈张开位移与外圈节点力
表2 环形防喷器壳体裂纹前沿内圈张开位移与外圈节点力
内圈节点编号张开位移(mm)
P=70MPa
张开位移(mm)
P=77MPa
外圈节点编号节点力(N)P=70MPa节点力(N)P=77MPa
846070 6.09E-03 6.69E-03846057 6.40E+027.04E+02 846071 6.15E-03 6.76E-03846058 1.27E+03 1.40E+03 846072 6.76E-037.43E-03846059 1.38E+03 1.52E+03 8460737.28E-038.01E-03846060 1.53E+03 1.68E+03 8460747.63E-038.40E-03846061 1.63E+03 1.80E+03 8460757.78E-038.56E-03846062 1.67E+03 1.84E+03 8460767.63E-038.39E-03846063 1.68E+03 1.84E+03 8460777.79E-038.57E-03846088 1.67E+03 1.84E+03 8460787.64E-038.41E-03846087 1.64E+03 1.81E+03 8460797.33E-038.06E-03846086 1.55E+03 1.70E+03 846080 6.91E-037.60E-03846085 1.40E+03 1.55E+03 846081 6.28E-03 6.91E-03846084 1.29E+03 1.42E+03 846082 6.20E-03 6.82E-03846083 6.50E+027.15E+02
2.2 防喷器内表面裂纹的断裂参数分析
按照VCCT计算方法，由表1和表2的节点力和位移，以及裂纹前沿处单元的面积，分别计算闸板防喷器和环形防喷器壳体获得沿半椭圆形裂纹前沿的应力强度因子，如图11和图12。在裂纹前沿的中点处，应力强度因子达到最大值，其中，闸板防喷器在70MPa和77MPa下，分别达到26.75MPa•m1/2和29.39MPa•m1/2，环形防喷器
在70MPa 和77MPa 下，分别达到38.98MPa•m 1/2、42.78MPa•m 1/2
。
图11 闸板防喷器壳体裂纹前沿各处的应力强度因子
图12 环形防喷器壳体裂纹前沿各处的应力强度因子
2.3 防喷器声发射检测加载速度安全性研究依据GB/T 21143-2014《金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法》，加工了35CrMo 和25CrNiMo 的标准试样，对试样进行了完整的载荷位移响应试验，由试验结果发现：(1)在加载过程中，35CrMo 试样最后完全失去承载能力，载荷骤降，并伴随着裂尖分叉、开裂的清脆响声，25CrNiMo 最后也失去承载能力，载荷逐渐降低，表现出较好的韧性。试验的载荷位移曲线和试样最终形貌，如图13和图14。(2)由试验数据拟合的F-Δ曲线线性段的斜率为38kN/mm ，结合式(5)、式(6)计算得到三点弯曲试验对应的总载荷和总位移，见表3。确定的防喷器加压速度与试验加载速度的对应关系，见表4。(3)当载荷F 达到7.98kN 、8.76kN 、11.63kN 和12.72k
N 时，处于F-Δ曲线的线性段，远远低于试样线性段的上限，同时说明，防喷器声发射检测试验压力达到最高工作压力的1.1
倍时，防喷器处于安全工作状态。
图13 35CrMo（上）和25CrNiMo（下）完整的载荷
位移响应曲线
图14 35CrMo（上）和25CrNiMo（下）最终形貌图
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