宣鸿烈，陈冬冬，喻健良,，闫兴清，喻友良，霍林生

(1.大连理工大学 化工学院，辽宁大连 116024;2.大连理工大学 建设工程学部，辽宁大连 116024; 3.大连度达理工安全系统有限公司，辽宁大连 116012)

0 引言

爆破片是一种广泛应用于压力容器的超压泄放装置[1]。近年来，国内外相关法规、标准的制定[2]，为科学使用爆破片提供了依据。但是实践发现，爆破片有在较低压力下爆破的提前失效行为[3-5]，这给正常工艺操作带来了隐患。另外，虽然规定爆破片在使用一定周期后，即使未发生爆破，也要进行更换，但是对于何时更换，仍缺少科学的依据。

无论是对爆破片提前失效的预防，还是对爆破片更换周期的确定，若能够实现爆破片的在线监测，则均能够得到有效解决。相关学者[6-8]均设计过安装在爆破片附近的传感器监测装置，通过爆破片与传感器之间位置的改变量来反映爆破片的实时工作状态。分析发现，以上学者所设计的监测装置存在着一些不足和缺点，都没有一个具体的衡量标准来界定爆破片的安全状态、临界安全状态和非安全状态的量，即无法对爆破片即将发生失效作出相应的预警。寻找切实可行的爆破片在线监测方法，对安全使用爆破片具有重要意义。

光纤和声发射系统作为一种结构监测领域中广泛应用的技术，目前已广泛应用于石油化工、土木工程、电力工程、医药医学、航空航天等领域[9-16]。因此，若能将上述技术应用在爆破片的安全监测，无疑可为爆破片安全使用带来显著保障。基于此，本文选用具有抗电磁干扰、耐酸碱腐蚀、灵敏度高、可远距离在线检测的光纤技术[17]及不受材料限制、可长期连续监测缺陷的声发射技术[18]对爆破片开展在线实时监测，分析所获得的光纤波长及声发射信号振幅的变化量，探讨这两种技术应用于爆破片在线监测的可行性。

1 试验方案及装置

1.1 试验对象

本试验选用工程上应用较广泛的正拱带槽型和反拱带槽型爆破片作为研究对象，所采用的爆破片参数见表1。

所选用的光纤布拉格光栅参数见表2。

表2 光纤布拉格光栅产品参数

试验用的声发射传感器是由铜壳包覆的压电陶瓷传感器制成，具体参数见表3。

表3 压电陶瓷产品参数

1.2 光纤的预拉伸处理

根据之前一些学者[19]的研究,正拱带槽型爆破片刻槽处应力最大，即从刻槽处首先破裂。故试验中将光纤粘在该爆破片的刻槽处进行安全监测分析。但在将光纤粘贴于爆破片膜片表面之前，需要对其进行预拉伸处理，目的是使爆破片膜片表面与光纤之间紧密贴合，使两者同时发生应变以增大光纤的应变传递率，提高光纤光栅的应变测量范围和测量精度，从而提高试验效果[20]。

本试验所用光纤预拉伸处理步骤如下：首先将光纤搭在需要粘贴的爆破片膜片表面，轻微拉伸光纤两端；然后轻微按压中间部分段光纤光栅，使其完全贴合于爆破片的表面。重复以上步骤2～3次即完成光纤预拉伸处理，如图1所示。

图1 光纤预拉伸处理示意

1.3 传感器的选择和粘贴的位置

1.3.1 正拱型爆破片试验所用传感器及粘贴位置

由于试验中需要将光纤及声发射传感器粘贴于正拱带槽型爆破片膜片不受压侧，而对于正拱带槽型爆破片而言，其凸面是不受压侧，因此需将光纤粘贴在其凸面侧；并且光纤需进行预拉伸处理，才能够在粘贴时较好地与凸面侧贴合。

当粘贴声发射传感器时，考虑到声发射传感器是由一块压电陶瓷制作而成的平金属小圆板来接收声信号，为了使传感器更好地接收信号，在试验中将小圆片贴于槽附近弧顶处，且使爆破片膜片表面与金属小圆板完全贴合或与其中心位置处相切。传感器粘贴位置如图2所示。传感器粘贴实物见图3。

图2 光纤和压电陶瓷粘贴示意

图3 光纤和压电陶瓷粘贴实物

1.3.2 反拱型爆破片试验所用传感器及粘贴位置

对于反拱带槽型爆破片，其不受压侧是凹侧，预拉伸处理后的光纤无法粘贴在其凹侧。因此，本试验暂不考虑光纤，仅用声发射技术对其进行研究。但若将接收声信号的压电陶瓷片粘到爆破片的凹侧时，会使其边缘与爆破片表面接触，从而导致中心位置完全处于悬空状态，这样会使压电陶瓷片接收信号的效果不佳，影响试验效果。由于实际出厂后的爆破片带有把手，故可将压电陶瓷片粘贴于此来进行后续试验。本试验在反拱带槽型爆破片外缘处焊接了一块表面平整的小钢板来代替爆破片的把手，并将压电陶瓷片粘贴于此，使其与小钢板完全贴合。实际粘贴效果见图4。

图4 压电陶瓷片粘贴实物

1.4 传感器对爆破片性能无关性验证

试验前，首先验证传感器的粘贴以及在夹持器边缘粘贴小钢板对爆破片的爆破性能是否有影响。试验结果见表4，5。

表4 传感器对正拱型爆破片性能无关性验证

表5 传感器对反拱型爆破片性能无关性验证

从以上试验结果可知，本研究所用的光纤及声发射传感器粘贴方法，不会影响试验用正拱、反拱带槽型爆破片的性能。

1.5 试验平台

1.5.1 正拱带槽型爆破片试验平台

正拱带槽型爆破片试验装置流程如图5所示。其中在上法兰中心处钻有小孔，以便将声发射传感器和光纤光栅传感器连接线引出装置外。

图5 正拱带槽型爆破片安全监测试验平台示意

图6 压力加载过程

试验过程为：关闭截止阀2，转动气瓶阀门通入气体，打开截止阀1，使通入的气体稳定可控；试验为每次0.1 MPa等梯度加压，在加压时保持每次的加压速率不变；每次加压完成后，保持该压力1 min，重复以上过程直至爆破片最后发生爆破；同时，通过光纤解调仪和声发射采集系统记录下试验过程中的光纤光栅中心波长和声信号的变化情况，当爆破片发生爆破时，试验结束。详细的压力加载过程如图6所示。

1.5.2 反拱带槽型爆破片试验平台

反拱带槽型爆破片试验装置的流程如图7所示。不同于正拱带槽型爆破片试验平台，由于压电陶瓷片粘贴于爆破片夹持边缘处，因此在试验中可以直接从夹持边缘处将连接线引出装置外。

图7 反拱带槽型爆破片安全监测试验平台示意

试验过程为：关闭截止阀2，转动气瓶阀门通入气体，打开截止阀1，使通入的气体稳定可控；试验为等梯度0.1 MPa加压,在加压时保持每次的加压速率不变，每次加压完成后，保持压力1 min，重复以上过程直至爆破片最后发生失稳翻转失效;同时，通过声发射采集系统记录下试验过程中声信号的变化情况，当爆破片发生失稳翻转失效时，试验结束。由于此次试验的正、反拱型爆破片爆破压力近似相同，该反拱型爆破片详细的压力加载图与图6相同。

2 试验结果

2.1 正拱带槽型爆破片测试结果

试验后，选取了具有代表性的光纤解调仪和声发射传感系统所得到的数据，并将数据绘制于图8中。

图8 正拱型爆破片光纤和声发射监测数据

2.1.1 光纤光栅监测结果

从光纤光栅监测所得到的数据来看，在前期施加压力(非保压阶段)时，光纤光栅中心波长和时间的变化呈线性关系。又因为试验中爆破片在加载时所受的加载压力(非保压阶段，见图6)和时间的变化也是呈线性关系的，因此可知爆破片在前期的波长变化与施加在爆破片表面的力呈线性关系。但在试验后期，当加载压力施加到一定值时，即在该爆破片的预拱成型压力1.0 MPa左右时，波长信号不再线性变化。一段时间之后，由于爆破片的形变量即将超过光纤所能承受的拉伸极限，光纤光栅中心波长将发生突越、直到最后光纤断裂发生失效，波长信号消失。光纤光栅中心波长突变时，对应的加载压力大致为爆破片爆破压力的85%，随着加载压力不断增加，直至升压至1.28 MPa左右时，爆破片发生破裂。

2.1.2 声发射监测结果

从声发射传感系统所得到的数据来看，爆破片从加压开始到爆破这一过程主要可以分为3个阶段，分别为：爆破片变形逐渐增大阶段、爆破片变形逐渐趋于平稳阶段、爆破片发生爆破阶段。

在爆破片变形逐渐增大阶段，即加载初期，此时爆破片开槽附近处于弹性阶段的前期，爆破片开槽附近内部的裂纹缓慢产生，因此所监测到的声发射信号值较少且幅值也较小，基本维持在50 dB以下；而爆破片变形逐渐趋于平稳阶段代表着爆破片开槽处附近已经进入弹性阶段后期和塑性变形阶段，此阶段爆破片开槽附近内部的微裂纹开始逐步扩展，声发射监测的信号值会比前期又有一定程度的增加，但都维持在稳定值70 dB以下；爆破片发生爆破阶段代表着爆破片开槽附近已进入塑性阶段后期，该阶段爆破片槽附近内部裂纹扩展不断加剧并出现贯通，声发射信号密集出现，且强度幅值也有一个较大的突越，随着变形的逐渐加剧，当达到该爆破片的爆破压力1.28 MPa时，爆破片发生爆破，此时监测到的声发射信号振幅在100 dB左右。

对比光纤和声发射所监测到的数据，可以发现，光纤光栅中心波长发生突越及光纤出现失效现象总是在声发射监测声信号突越之前就已经发生。因此，可以视光纤光栅中心波长在监测中发生突越或光纤产生失效为相应的预警信号；也可以将声发射监测信号密集出现且发生较大突越时作为相应的安全预警信号。

总的来说，通过大量的重复试验分析后发现，以上两种监测方法都能作为爆破片的安全监测手段。

2.2 机理分析

选取爆破片在加载阶段具有代表性的两个声信号点对其进行机理分析，从而可以根据声发射信号的具体波形来判别爆破片的损伤形式。

对图8中的A点声信号进行信号分析，绘制成图9所示的信号波形。

图9 连续型声发射信号波形

从图9可以看出此信号波形呈现连续状。连续型信号对材料的应变速率敏感，它主要与材料发生塑性变形有关，通常在一些机械加工正常切削时及固体材料发生弹塑性变形时出现[21]。

对所选取的该点声信号波形分析可知，该点选自于加载中后期，即爆破片开槽附近即将由弹性阶段进入塑性阶段。在此阶段内，爆破片开槽附近的变形逐渐加大，当进入到塑性阶段后，声发射信号波形反映为连续型信号。

对图8中的B点声信号进行信号分析，绘制成图10所示的信号波形。

图10 突发型声发射信号波形

从图10可以看出此信号波形呈现突发型。通常突发型声信号与工程领域中金属裂纹的形成、扩展和断裂的现象有关。这种现象与应变能继续释放有关，由位错运动的塞积与解脱或微小裂纹的拓展所致[22]。对所选取的该点声信号波形分析可知，该点选自加载后期(即爆破片开槽附近即将发生爆破失效)。

分析其原因可知，在即将发生爆破前，爆破片开槽附近已经进入了塑性阶段。此阶段爆破片开槽附近的蠕变已经非常大，且内部已有非常微小的裂纹出现，并不断发生扩展，直到爆破片最后发生爆破。

2.3 反拱带槽型爆破片测试结果

采用声发射监测装置监测反拱型爆破片从加载到爆破这一过程，并选取了具有代表性的试验结果绘制于图11中。

图11 反拱型爆破片声发射监测数据

从以上试验数据来看，用声发射装置对反拱型爆破片进行安全监测，在爆破片发生失效之前声发射的振幅信号较小，在后续的加压过程中检测不到声信号，直到爆破片即将发生爆破之前，声信号幅值逐渐增大，最后有一个较大的突越，直至爆破片发生爆破。

通过大量重复性试验发现，用声发射装置监测反拱型爆破片并无明显的规律可循，即无法通过前期的声信号振幅的变化来对反拱型爆破片进行相应的安全预警。

3 试验结果讨论

分析正拱型和反拱型爆破片加载过程中所监测到的声发射信号分布的不同，主要是因为正拱型爆破片和反拱型爆破片失效形式不同。正拱型爆破片的失效形式是拉伸爆破，爆破片从开始受压到爆破阶段有一个过程，即会从弹性阶段变为塑性阶段过渡；而反拱型爆破片失效形式是压缩爆破，它的失效是一瞬间的，发生失效的这一过程速度太快，以至于在爆破片即将发生失效之前没有什么特征量可以捕捉。因此，对于正拱型爆破片，可以将声信号密集出现且幅值产生较大突越时作为相应的预警信号，而此监测技术对于反拱型爆破片则并不适用。

由于在实际工程领域中所选用的光纤光栅中心波长会有不同，从而在爆破片监测过程中的中心波长信号大小也会各不相同，但大致的中心波长变化趋势是一致的。从正拱带槽型爆破片的光纤监测数据可以看到，光纤光栅中心波长发生突越的点在该爆破片的预拱成型压力附近。在预拱成型压力前的一段时间内，爆破片槽附近已经开始进入小塑性变形阶段，随着加载压力的不断增大，达到预拱成型压力之后，爆破片槽附近的变形相较于前期会变得更大，即此时塑性变形已经由之前的小塑性变形转变为大塑性变形。爆破片不断发生变形，直至变形达到光纤所能承受的形变程度之后，光纤产生失效。因为光纤发生失效后，光纤解调仪无法监测到光纤光栅波长的变化，因此，对于正拱型爆破片，可以将光纤光栅中心波长发生突越或光纤产生失效现象作为相应的预警信号。

对于反拱型爆破片，由于无法在其表面粘贴光纤，也就无法用此种手段对其进行研究。而安装声发射装置监测后，从试验结果可以看到并无明显的规律可循，即无法通过前期的声信号振幅的变化来对反拱型爆破片进行安全预警。

4 结论

(1)对于正拱型爆破片，可以用光纤和声发射两种监测技术来进行在线安全监测；而对于反拱型爆破片，无法用光纤和声发射技术对其进行安全在线监测。

(2)采用光纤对正拱型爆破片进行在线安全监测时，可以将光纤光栅中心波长发生突越或光纤产生失效现象作为相应的安全预警信号。

(3)采用声发射技术对正拱型爆破片进行在线安全监测时，可以将所监测到的声发射信号密集出现且振幅值发生较大的突越作为相应的安全预警信号。