CN107084899A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

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。

Description

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
技术领域
本发明涉及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。具体涉及L360输气管道腐蚀疲劳扩展裂纹的低频噪声分形维数表征方法。该方法首先测量腐蚀疲劳前后管道裂纹的低频噪声数据并计算其分形维数值，然后，根据计算所得的分形维数变化，反映出油气管道疲劳裂纹的扩展趋势。
背景技术
我国能源储藏在地域上分布不均衡。西部地区的塔里木盆地、柴达木盆地、陕甘宁和四川盆地蕴藏着26万亿立方米的天然气资源和丰富的石油资源，约占全国陆上天然气资源87％。由于我国经济的高速发展，尤其是东部发达地区对石油天然气等能源的需求不断攀升。大量的能源需要从西部地区输送到东部。管道输送是石油天然气运输的主要方式。近年来，随着我国天然气需求的不断增加，高压、大直径输送和数字化管理是当前天然气管道建设的发展趋势。然而，天然气中含有一定量的H2S(如大港油田H2S含量1.4％，内蒙长庆气田1.5％)，H2S不但具有毒性，还具有强烈的腐蚀性。含有H2S的酸性气体的天然气在输送过程中会对管道产生腐蚀。尤其是新建管道，管道打压试验时遗留的水较多，水的存在会加速H2S酸性气体的腐蚀。国内外因腐蚀加速管道疲劳损伤直至破坏的现象时有发生，研究管道腐蚀疲劳对于管道的正常运行和安全生产具有一定的现实意义。
一般认为，疲劳损伤在管件内逐渐积累,达到某一临界值时,形成初始疲劳裂纹。然后，初始疲劳裂纹在循环应力及环境的共同作用下不断张开和闭合，逐渐扩展、增大，即发生亚临界扩展。当裂纹长度达到其临界裂纹长度时，难以承受外加载荷,裂纹发生快速扩展,以至断裂。可以看出，这种管件失效是一种渐进积累式的破坏过程，并且不可逆转。对于天然气传输管道来说，一旦出现裂纹而发生管道泄露，这将给油气田带来难以估计的经济损失。所以预测管道的寿命，避免带病管道超期服役是当前管道研究的一个重点方向。
国内外关于疲劳裂纹扩展寿命预测方法的研究很多，目前在工程中应用最为广泛的方法依然是1963年由Paris和Erdogan在实验基础上提出的疲劳裂纹扩展公式，也就是著名的Paris公式。它建立了应力强度因子和裂纹扩展速率之间的关系，是当今工程应用中预测疲劳裂纹扩展寿命的理论基础。Paris公式形式为：
式(1)中，a是裂纹长度，N为疲劳次数，ΔK为应力强度因子变化辐度，C和m为与材料有关的常数，可由实验数据拟合得到。但随着研究的深入，人们发现Paris公式的通用性较好,但也有一定的缺陷,因为其材料常数C、m会随应力比等参数的变化而变化。还有一些环境因素如温度、湿度、介质、加载频率的影响也会使材料常数C、m有些许变化。所以在实际试验中很少发现C和m是恒定不变的。在H2S腐蚀环境中，裂纹扩展速率会被加速，也会影响到预测结果。由于Paris公式假设过于简单，影响因素较多，因此，从该方法中提取参数具有一定的不确定性，无法对疲劳裂纹的扩展信息进行准确分析。
噪声，是自然界中存在的一种随机涨落现象。1/f噪声是低频噪声的一种，它的功率谱s(f)与1/fa成正比，a一般在1附近。噪声一直以来都容易被人们所忽视，但低频噪声中包含了许多重要的信息。研究表明：当材料内部缺陷(如位错，裂隙)严重时，低频1/f噪声占主导地位。它的涨落信息与材料的缺陷有很大关联。由于低频1/f噪声也属于分形噪声的一类，分形维数D与a存在如下关系：
a＝5-2D (2)
因此研究分形维数的变化可以预见材料内部的缺陷变化。由于管道裂纹本身就是一种材料缺陷，通过低频1/f噪声的测量，计算它的分形维数，可以判断裂纹的扩展程度。
常规的Pairs表征方法要在疲劳试验机上进行破坏性的疲劳试验，由此测量疲劳裂纹的扩展。为了得到可靠的结果，Paris方法需要大量的样品进行长时间的测量，非常耗时耗力。前面也提到，由于环境的影响，其测得的一些参数值具有一定的不确定性。采集管道低频噪声并计算噪声分形维数的方法是一种敏感的无损检测方法。该方法具有检测速率快，对样品本身无破坏的优点。并且在疲劳裂纹扩展的过程中，从裂纹的萌生，扩展，直至断裂，这些内部缺陷的形成和变化信息都与裂纹低频噪声的分形维数有着关联。我们可以通过数据采集卡采集出噪声信号，并计算出其分形维数，由分形维数的变化可以反映出疲劳裂纹的扩展趋势。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供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，利用管道裂纹的低频噪声分形维数来表征腐蚀疲劳裂纹扩展趋势。该方法克服了Paris方法的不足。本方法首先在管道上切取出弧形试样,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(CT试样)。测量腐蚀疲劳前后裂纹的低频1/f噪声，计算噪声分形维数。通过对比分析疲劳裂纹扩展前后的分形维数值，准确地实现对L360管道疲劳裂纹扩展的预测和表征。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：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：
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)
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，以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)选取一组合适的正方形边长，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。然后，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，当裂纹长度达到临界裂纹长度时,难以承受外加载荷,裂纹将发生快速扩展,以至断裂。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,微裂纹开始萌生并扩展，萌生和扩展在时间上也是随机的，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(亚临界扩展阶段),其应力强度因子范围大于ΔKth，此时损伤行为逐渐趋于平缓，由于多数微小裂纹的扩展、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。
可以看出，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；
噪声信号可以在一个二维坐标系中表示，它的分形维数D一般大于1小于2，如果噪声曲线比较平直(反映出裂纹较光滑)，其分形维数较小；相反，噪声曲线越曲折(裂纹纹理粗糙)，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。
所述的除锈液，按重量百分比，包括以下组分：
质量浓度为15％盐酸 55％；
六次甲基四胺 10％；
水 35％。
本发明的有益效果是：
现有的管道裂纹疲劳损伤研究多基于常规的Pairs表征方法，该方法要在疲劳试验机上进行破坏性的疲劳试验，由此测量疲劳裂纹的扩展行为。为了得到可靠的结果，Paris方法需要大量的样品进行长时间的测量，非常耗时耗力。由于环境的影响，其测得的一些参数值具有一定的不确定性。在裂纹扩展的三个阶段，只有第二个阶段，即裂纹的稳定扩展阶段，裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子变化幅度ΔK服从Paris公式。所以在裂纹萌生阶段以及裂纹快速扩展阶段，Paris方法不再适用。
与现有技术不同的是：本发明利用所测疲劳裂纹扩展过程中电噪声的分形维数来表征管道裂纹的扩展行为，测量和计算的用时较少，在测量的时候不会对管道本体造成伤害。结合前文的分析，发现在裂纹扩展的三个阶段，伴随着微裂纹的萌生、扩展、合体，微裂纹逐渐产生，增长，再慢慢减少，主裂纹产生并慢慢壮大。这一过程中裂纹的粗糙度也发生着变化，由于低频噪声的分形维数与材料裂纹的粗糙程度有较强的关联，故而本发明所提出的方法是一种高效、敏感的无损检测方法，该方法既能够预测管道的服役寿命，也能使管道检测与维护等方面的成本大大降低。
附图说明
图1是本发明L360管道取样图。
图2是本发明标准紧凑拉伸CT试样图。
图3是本发明低频噪声测试平台结构图。
图4是本发明分形维数计算流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。
本发明是在L360输气管道上切取并制成标准紧凑拉伸试样(CT试样)。随后对试样进行疲劳前和疲劳后的电噪声测试，计算噪声分形维数，通过分形维数表征疲劳裂痕的发展程度。我们选择三个实施样例，这三个样例疲劳裂痕长度依次递增。其实施方案如下：
实施例一
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，包括如下步骤：
一，切取管材并制成CT试样，随后进行表面清洗和吹干
1)切取管材：按图1所示，切取弧形管材，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，不可能按CR取向切取试样，因此只能按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，将弧形管材制成CT试样(如图2所示)；
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：首先进行试样表面除锈工作，除锈液配方如下：
配方 重量百分比
盐酸(质量浓度15％) 55％
六次甲基四胺 10％
水 35％
将样品浸泡在除锈液中，保证CT样件表面充分接触到除锈液，持续时间为20-30分钟；然后将样品取出并用去离子水进行冲洗大概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，样品的表面要与水流方向平行；最后将样品用夹具挂起，吹干；
二、疲劳实验前，测试并采集CT样品的低频噪声
将A、B两根引线分别焊接在CT样品的预制裂纹两侧，将A引线连接到偏置电路中并串联一个100欧姆的滑线变阻器，然后调节滑线变阻器使电压值为2.5V；B引线连接噪声测试平台上的前置低噪声放大器，低噪声放大器通过计算机采集系统上的数据采集卡与存储器相连，整个噪声测试平台结构如图3所示；
三、计算疲劳前低频噪声的分形维数D
按照图4所示流程，编写程序，实现分形维数计算，所用公式为：
N(r)∝r-D (3)
对数据ln(1/ri)和lnN(ri)进行拟合，计算结果为D＝1.907；
四、对CT试样进行腐蚀疲劳试验
将CT试样从低频噪声测试平台中取出，在CT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饱和水溶液注入封闭空腔；然后将样品安置在MTS 810—250型液压伺服试验机上进行疲劳试验，试验机自动记录试验过程中的载荷、位移和裂纹长度等相关信息，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；
记录试验中每一裂纹扩展长度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10mm时，停止疲劳试验；
五、测量腐蚀疲劳后的CT试样裂纹的噪声
将试样从疲劳机中取下后迅速用丙酮将试样断口清洗；随后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，样品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样品进行腐蚀疲劳后的低频噪声测试，所加偏置电压与步骤二中的相同，以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
利用分形维数计算程序，计算出疲劳后样品噪声维数为D＝1.812；
与步骤三计算所得分形维数进行对比，可以发现随着腐蚀疲劳的进行，分形维数有减小的趋势。这也反映出一开始微裂纹较多，裂纹整体粗糙度较大，分形维数值较高。当腐蚀疲劳进行一段时间之后，由于多数微小裂纹的扩展、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，分形维数值降低。因此，可以通过分形维数值的变化，对CT样品疲劳裂纹扩展程度进行预见和表征。
实施例二
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，其主要步骤如下：
步骤1，切取管材并制成CT试样，随后进行表面清洗和吹干；
(1)切取和制备CT试样：按图1所示切取弧形管材，然后将弧形管材制成CT试样(如图2所示)；
(2)预制疲劳裂纹: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；
(3)清洗：首先进行试样表面除锈工作，除锈液配方如下：
配方 重量百分比
盐酸(质量浓度15％) 55％
六次甲基四胺 10％
水 35％
将样品浸泡在除锈液中，保证CT样件表面充分接触到除锈液，持续时间为20-30分钟；然后将样品取出并用去离子水进行冲洗大概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，样品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
将A,B两根引线分别焊接在CT样品的预制裂纹两侧，将A引线连接到偏置电路中并串联一个100欧姆的滑线变阻器，然后调节滑线变阻器使电压值为2.5V；B引线连接噪声测试平台上的前置低噪声放大器，整个噪声测试平台结构如图3所示；缺少对计算机采集系统、数据采集卡及存储器的说明
三、计算疲劳前低频噪声的分形维数D
按照图4所示流程，编写程序，实现分形维数计算，所用公式为：
N(r)∝r-D (3)
对数据ln(1/ri)和lnN(ri)进行拟合，计算结果为D＝1.892；
四、对CT试样进行腐蚀疲劳试验
将CT试样从低频噪声测试平台中取出，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饱和水溶液注入封闭空腔。然后将样品安置在MTS 810—250型液压伺服试验机上进行疲劳试验。试验机自动记录试验过程中的载荷、位移和裂纹长度等相关信息。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；
记录试验中每一裂纹扩展长度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12mm时，停止疲劳试验；
五、测量腐蚀疲劳后的CT样品裂纹的噪声
将CT试样从疲劳机中取下后迅速用丙酮将试样断口清洗；随后用去离子水冲洗丙酮残留液大概2-3分钟(注意：去离子水冲洗时，样品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样品进行腐蚀疲劳后的低频噪声测试，所加偏置电压与步骤二中的相同，以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
利用分形维数计算程序，计算出疲劳后样品噪声维数为D＝1.753；
与步骤三计算所得分形维数进行对比，可以发现随着腐蚀疲劳的进行，分形维数有减小的趋势，这也反映出一开始微裂纹较多，裂纹整体粗糙度较大，分形维数值较高。当腐蚀疲劳进行一段时间之后，由于多数微小裂纹的扩展、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，分形维数值降低。因此，可以通过分形维数值的变化，对CT样品疲劳裂纹扩展程度进行预见和表征。
实施例三
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，其主要步骤如下：
步骤1，切取管材并制成CT试样，随后进行表面清洗和吹干。
1)切取和制备CT试样：按图1所示切取弧形管材，然后将弧形管材制成CT试样(如图2所示)。
2)预制疲劳裂纹: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。
3)清洗：首先进行试样表面除锈工作，除锈液配方如下：
配方 重量百分比
盐酸(质量浓度15％) 55％
六次甲基四胺 10％
水 35％
将样品浸泡在除锈液中，保证CT样件表面充分接触到除锈液，持续时间为20-30分钟；然后将样品取出并用去离子水进行冲洗大概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，样品的表面要与水流方向平行)；最后将样品用夹具挂起，吹干；
步骤2，测试疲劳前CT样品的低频噪声
将A,B两根引线分别焊接在CT样品的预制裂纹两侧，将A引线连接到偏置电路中并串联一个100欧姆的滑线变阻器，然后调节滑线变阻器使电压值为2.5V；B引线连接噪声测试平台上的前置低噪声放大器。整个噪声测试平台结构如图3所示；
步骤3，计算疲劳前低频噪声的分形维数D
按照图4所示流程，选取一组正方形边长数组r＝{r1,r2,...rn}，计算分形维数，其主要过程为：1)输入噪声图，将噪声图形用边长为ri的方格子覆盖、计算含有噪声点的边长为ri的方形格子数N(ri)2)令i＝i+1，如果i小于数组长度n，则重复过程1)的操作，得到新的一对ri与N(ri)值，3)令i＝i+1，如果i大于数组长度n，则对数据ln(1/ri)和lnN(ri)进行拟合，所得到斜率值即为分形维数值，实现分形维数计算，所用公式为：
N(r)∝r-D (3)
对数据ln(1/ri)和lnN(ri)进行拟合，计算结果为D＝1.913；
步骤4，对CT试样进行腐蚀疲劳试验
将CT试样从低频噪声测试平台中取出，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饱和水溶液注入封闭空腔。然后将样品安置在MTS 810—250型液压伺服试验机上进行疲劳试验。试验机自动记录试验过程中的载荷、位移和裂纹长度等相关信息。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；
记录试验中每一裂纹扩展长度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15mm时，停止疲劳试验；
步骤5，测量腐蚀疲劳后的CT样品裂纹的噪声
将CT试样从疲劳机中取下后迅速用丙酮将试样断口清洗；随后用去离子水冲洗丙酮残留液大概2-3分钟，注意：去离子水冲洗时，样品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样品进行腐蚀疲劳后的低频噪声测试，所加偏置电压与步骤2中的相同，以保证实验数据的前后可对比性；
步骤6，计算疲劳后的低频噪声的分形维数D
利用分形维数计算程序，计算出疲劳后样品噪声维数为D＝1.702；
与步骤三计算所得分形维数进行对比，可以发现随着腐蚀疲劳的进行，分形维数有减小的趋势。这也反映出一开始微裂纹较多，裂纹整体粗糙度较大，分形维数值较高。当腐蚀疲劳进行一段时间之后，由于多数微小裂纹的扩展、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，分形维数值降低。因此，可以通过分形维数值的变化，对CT样品疲劳裂纹扩展程度进行预见和表征。

Claims (2)

1.一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)
<mrow> <mi>D</mi> <mo>=</mo> <munder> <mi>lim</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> <mn>0</mn> </mrow> </munder> <mfrac> <mrow> <mi>l</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>N</mi> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mi>l</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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。
2.根据权利要求1所述的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，所述的除锈液，按重量百分比，包括以下组分：
质量浓度为15％的盐酸 55％；
六次甲基四胺 10％；
水 35％。
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