冻结管断裂的声发射信号特征及传播衰减特性

发布时间：2020-09-12 20:00

　　冻结法凿井技术在矿井建设中占有重要地位,起着举足轻重的作用。冻结管是冻结凿井中冻结壁形成与维护的关键,一旦断裂将造成盐水泄漏、冻结壁融化,甚至酿成淹井事故。冻结管断裂具有突发性且易引起连锁反应,严重威胁凿井安全。因此,在目前断管事故时有发生,断管发现不及时的背景下,本文采用室内试验、模型试验、数值模拟的方法,研究揭示冻结管断裂瞬间的声发射信号特征及其传播衰减特性,为断管事故声发射探测技术研发奠定理论基础。首先,针对冻结管所处之特殊工况,开展了冻结管断裂声发射问题的室内试验方法研究。通过室内试验,获得了以弹模主要变化指标的多种冻土相似材料配方。基于“冻土层+冻结管(含内衬管接头)”工况原型,通过模型试验的手段,进行了断管试件的简化及其轴向及径向尺寸的优化研究,从而确定了断管声发射试验所采用的试件模型。为保证模型试验能有效模拟实际工况中冻结管断裂声发射特性,通过试验验证了断管声发射相似准则的有效性。基于模型试验结果,对试验获取的断管信号进行了去噪及特征信号的识别提取研究。而后,通过模拟冻结管不同工况开展试件试验,分别获得了纯拉及弯拉断裂型式下,冻结管径厚比、冻土弹模、加载方式等多种因素对断管声发射信号的特征参数,如频率范围、幅值的影响规律。其次,通过数值模拟的手段,基于试验获取的断管声发射信号频率范围、主频等参数,激发特定频率的声波代替其同频成分,研究掌握了土性变化、冻土弹模、管接头数量等复杂因素对声波沿冻结管传播衰减特性、衰减系数的影响规律。最终,综合分析模型试验、数值模拟研究成果,获得了断管声发射信号可探测距离及识别判据。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD265.3
【部分图文】：

密度分布,试件制作,关键步骤,实物

（c）试样端面打磨（d）压缩破坏后的试样图 2-1 试件制作关键步骤实物图Figure 2-1 The key steps during sample production验结果及分析试验机获取每个试样的单轴压缩最大轴向荷载，并根据试样的应力~应变曲模量。取每组五个试样的有效测量值的算术平均值作为该试验组号的单轴抗模量。试验结果见表 2-4。表 2-4 冻土相似材料试验结果Table 2-4 Test results of soil similar materials试验组号密度/（g/cm3）单轴抗压强度/Mpa 弹性模量/Mpa1 2.13 5.14 735.82 2.12 4.40 593.43 2.10 3.41 472.34 2.06 2.54 357.85 2.01 2.21 247.66 1.91 0.98 110.5试验结果进行总体分析，发现相似材料的密度分布较均匀，主要在 2.0 g/c

对比图,实物,冻结管,预拉伸

件模型l of freezing pipe图 2-3 模拟接头实物图Figure 2-3 Simulated joint模型冻结管进行预拉伸，为得出预拉伸对模型预拉伸与未预拉伸的对比试验。验中冻结管没有采用与实际工况中相同的内衬工线切割开槽的形式，使此处壁厚减小，强度中，由于模型冻结管壁厚很薄，且壁厚并非完次开槽深浅完全一致，为了探究管壁开槽深浅深浅之间的对比试验研究。的钢管断裂形态对比图。图 2-5 给出了模型冻下断管信号的试验结果。图 2-5 中所示的三种用 20 1，管原长均为 55cm，预拉伸试验中， 22mm。模型冻结管模拟接头在管中点位置，b）类似。由于本试验为前期探索性试验，为保，声发射采样率设置为 1MHz，试件轴向尺寸

形态图,断管,加工处理,形态

Figure 2-2 The indoor test specimen model of freezing pipefractureFigure 2-3 Simulated joint于在浇筑管外冻土相似材料之前，对模型冻结管进行预拉伸，为得出预拉伸试件断裂声发射带来的影响，进行了预拉伸与未预拉伸的对比试验。外，由于试验条件的限制，在室内试验中冻结管没有采用与实际工况中相同，只是通过在模型冻结管外壁进行人工线切割开槽的形式，使此处壁厚减小以此来模拟接头处断裂。在这个过程中，由于模型冻结管壁厚很薄，且壁厚，在进行线切割开槽时，很难保证每次开槽深浅完全一致，为了探究管壁开断管声发射的影响，有必要进行开槽深浅之间的对比试验研究。 2-4 为原状钢管与经过线切割开槽后的钢管断裂形态对比图。图 2-5 给出了否预拉伸、接头处开槽不同程度情况下断管信号的试验结果。图 2-5 中所示断管对比试验中，所用模型冻结管采用 20 1，管原长均为 55cm，预拉伸试所述的预拉伸设计值，预拉伸量均为 22mm。模型冻结管模拟接头在管中点试件示意图及传感器布置和图 2-6（b）类似。由于本试验为前期探索性试验存在的较高频信号也能被有效获取，声发射采样率设置为 1MHz，试件轴0=300mm（D0=20mm，为模型冻结管外径），径向尺寸 D=10D0=200mm。

【参考文献】