存放盘绕状态碳纤维连续抽油杆声发射源定位方法与流程

本发明涉及碳纤维抽油杆缺陷检测领域，具体涉及一种存放盘绕状态碳纤维连续抽油杆声发射定位方法。

背景技术：

声发射是一种动态无损检测技术，在这一领域，现今应用最成熟的声发射定位方法为时差定位方法和区域定位方法，这些检测方法对检测对象的结构不敏感，可以实现对三维复杂结构的定位。

如现有技术中，中国专利文献cn106199522a公开了一种圆柱储罐的声发射源定位方法及其装置，该声发射源定位装置包括所述声发射源、至少三个所述声发射传感器，以及声发射检测仪；其中所述声发射传感器均匀设置在圆柱储罐壁四周，且所述声发射传感器设置在同一水平面上；所述声发射源以固定频率向四周发射声信号；所述声发射传感器接收所述声发射源发出的声信号，所述声发射传感器将声信号转换为电信号传送至所述声发射检测仪；该声发射源定位装置通过设置声发射传感器，获取声发射源发出声信号的时间与声发射传感器接收信号的到达时间，计算得到各声发射传感器与信号源之间的距离，实现对声发射源的定位。

上述现有技术中的方法可实现圆柱形罐的声发射源定位。除了圆柱形，实际应用中的检测对象是多样的，如石油领域常用的碳纤维连续抽油杆，其在常态下是处于盘绕状态，碳纤维连续抽油杆存放盘绕状态下会受到很大的载荷，抽油杆的结构强度可能会发生变化，甚至出现抽油杆直接断裂的情况。声发射无损检测技术可为盘绕状态下碳纤维连续抽油杆结构损伤缺陷检测和定位提供数据支持与帮助，但是盘绕状态下的碳纤维管的检测难度较大，对于损伤缺陷的存在检出率和缺陷的定位精度决定了该技术能够广泛地推广和应用。目前还缺少能够对盘绕存放状态下抽油杆的损伤状态进行精确的检测和监测的方法，严重影响了抽油杆后续的工程应用。

技术实现要素：

本发明解决的是缺少能够对盘绕存放状态下抽油杆的损伤状态进行精确的检测和监测的方法，进而提供一种能够检测抽油杆上声源发声位置，进而确定断裂发生位置的方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种盘绕状碳纤维连续抽油杆声发射源定位方法，包括：(1)取单根直线型碳纤维抽油杆，所述直线型碳纤维抽油杆与所述盘绕状碳纤维连续抽油杆在横截面上的结构相同且具有相同的材质；在所述直线型碳纤维抽油杆的一端安装传感器，在直线型碳纤维抽油杆上选取多个声源位置，其中一个声源位置与所述传感器基本重合；在每个所述声源位置处折断铅芯，利用传感器采集声发射信号幅值，拟合出传感器接收到的声发射信号幅值与声源传播距离之间的第一线性方程：a＝a’-as，其中，a为传感器接收到的声发射信号幅值；a’为在与传感器基本重合处折断铅芯时所述传感器采集到的声发射信号幅值；a为拟合常数；s为声源的传播距离；(2)取多根所述直线型的碳纤维抽油杆并排排列，将传感器放置在最外侧的碳纤维抽油杆上，在并排排列的每个所述碳纤维抽油杆上选取一个声源位置，声源位置与传感器处于同一水平线上，在每个声源位置处折断铅芯，利用传感器采集声发射信号幅值，进而拟合出声源在相对于传感器所在的碳纤维抽油杆跨越出不同杆数时分别对应的第二线性方程：ai＝ai’-as’，其中ai为传感器接收到的相对于传感器跨越出i个碳纤维抽油杆的声源发出的声发射信号幅值；ai’为在相对于传感器跨越出i个碳纤维抽油杆的声源位置处折断铅芯时传感器采集到的声发射信号幅值；a为步骤(1)中计算得到的拟合常数；s’为声源位置与传感器在所述直线型碳纤维抽油杆延伸方向上的垂直距离；(3)将所述盘绕状碳纤维抽油杆盘绕安装在辊轴上进行测试，在所述盘绕状碳纤维抽油杆上安装传感器；确定门槛幅值和最大垂直距离，将所述门槛幅值和最大垂直距离带入所述第二线性方程，确定传感器可以检测到的声源可跨越的最大匝数；根据最大匝数布置传感器的位置，使所述传感器的检测区域覆盖盘绕状碳纤维抽油杆的所有区域；测试期间，根据传感器采集到的声发射信号，判断声源所处的区域。

最大垂直距离为传感器所在的盘绕状碳纤维抽油杆位置处，所述盘绕状碳纤维抽油杆的一匝对应的周长的一半。

步骤(3)中，布置传感器的位置时，使所述盘绕状碳纤维抽油杆的每个区域均处于至少两个传感器的检测区域内。

步骤(3)中，将所述盘绕状碳纤维抽油杆盘绕安装在辊轴上时采用多层缠绕。

多层缠绕时，所述传感器布置在最外层的盘绕状碳纤维抽油杆上。

多层缠绕时的层数小于或者等于传感器可以检测到的声源可跨越的最大匝数。

布置有传感器的所述盘绕状碳纤维连续抽油杆的匝与匝之间的间隔匝数相同。

对于布置有传感器的所述盘绕状碳纤维连续抽油杆的匝，相邻两匝上的传感器所在位置在圆周方向上的投影相差180°。

据环境噪音确定声发射信号的门槛幅值，所述门槛幅值大于环境噪音。

步骤(3)中传感器可以检测到的声源可跨越的最大匝数为3匝。

本发明所述的盘绕状碳纤维连续抽油杆声发射源定位方法中，盘绕状碳纤维连续抽油杆为直径不发生变化的抽油杆，即盘绕状碳纤维连续抽油杆上每处的横截面的结构均相同，包括尺寸在内的结构不发生变化。碳纤维抽油杆的直径通常是在19-22mm。所述根据声发射信号到达传感器时跨越的抽油杆根数和相应的衰减公式实现声源位置的精确定位，该方法检测效率高，可以实现精确定位，适合存放盘绕状态抽油杆的声发射源定位和实时监测。

为了使本发明所述的盘绕状碳纤维连续抽油杆声发射源定位方法的技术方案更加清楚明白，下面结合具体实施方式和附图对本发明中的技术方案进行进一步的描述。

附图说明

如图1所示是本发明所述的单根直线型碳纤维抽油杆声发射幅值信号传播测试装置；

如图2所示是所述的单根直线型碳纤维抽油杆声发射幅值信号衰减规律图；

如图3所示是本发明所述的多根直线型碳纤维抽油杆并排排列时声发射幅值信号传播测试装置；

如图4所示是多根直线型碳纤维抽油杆并排排列时声发射幅值信号衰减规律图；

如图5所示是本发明所述的盘绕在辊轴上的的盘绕状碳纤维连续抽油杆的结构示意图。

其中附图标记为：

1-传感器；2-直线型碳纤维抽油杆；3-模拟声源位置；4-盘绕状碳纤维抽油杆；5-辊轴。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

本实施方式中，步骤(1)首先要确定单根碳纤维连续抽油杆的声发射幅值信号传播衰减规律，取单根直线型碳纤维抽油杆2，所述直线型碳纤维抽油杆2与所述盘绕状碳纤维连续抽油杆在横截面上的物理性质相同且具有相同的材质；本实施方式中盘绕状碳纤维连续抽油杆为直径不发生变化的抽油杆，即盘绕状碳纤维连续抽油杆上每处的横截面尺寸和结构均相同，碳纤维抽油杆的直径通常是19mm，所述直线型碳纤维抽油杆2与所述盘绕状碳纤维连续抽油杆在横截面上的物理性质相同，即所述线型碳纤维抽油杆2的横截面上的尺寸与结构与所述盘绕状碳纤维连续抽油杆的横截面的尺寸与结构相同，因此所述直线型碳纤维抽油杆2的直径也为19mm。在所述直线型碳纤维抽油杆2的一端安装传感器1，在直线型碳纤维抽油杆上选取多个模拟声源位置3，其中一个模拟声源位置3与所述传感器1基本重合；在每个所述模拟声源位置3处折断铅芯，利用传感器1采集声发射信号幅值，拟合出传感器接收到的声发射信号幅值与声源传播距离之间的第一线性方程：a＝a’-as，其中，a为传感器接收到的声发射信号幅值；a’为在与传感器基本重合处折断铅芯时所述传感器采集到的声发射信号幅值；a为拟合常数；s为声源的传播距离。

一个模拟声源位置与所述传感器基本重合是指该声源位置与传感器之间的距离小于或者等于1.5mm；作为优选的实施方式，步骤(1)中在直线型碳纤维抽油杆上选取多个模拟声源位置时，多个模拟声源位置在所述直线型碳纤维抽油杆上均匀排列，即每两个声源位置之间的间距相等。

本实施例中的方式具体参照图1，选取传感器1的位置和声源位置，折断铅芯的位置即模拟声源位置3，折断铅芯的位置共有50处，相邻两个折断铅芯位置间距10cm，距离传感器最近的折断铅芯位置与传感器间距在1mm左右；分别在每个折断铅芯位置处折断铅芯5次，采集声发射信号幅值，为保证人为误差，5个声发射信号求平均值。图2给出了折断铅芯位置与声发射信号的幅值关系图，从图中可以看出，折断铅芯与传感器间距s(cm)和声发射信号幅值a(db)之间呈线性关系，经拟合可得信号幅值衰减公式:

a＝93.3-0.06255s

存储盘绕状态的抽油杆的外界环境噪声在45-50db之间，门槛幅值设为50db时，带入公式，声发射信号传播的最远距离s1＝6.92m；当门槛幅值设为45db时，声发射信号传播的最远距离为s2＝7.72m。由上述公式得出声发射信号每衰减1db传播的距离为0.16m。

步骤(2)取多根所述直线型的碳纤维抽油杆2并排排列，将传感器放置在最外侧的碳纤维抽油杆上，在并排排列的每个所述碳纤维抽油杆上选取一个模拟声源位置3，模拟声源位置与传感器1处于同一水平线上，在每个模拟声源位置3处折断铅芯，利用传感器1采集声发射信号幅值，进而拟合出声源在相对于传感器所在的碳纤维抽油杆跨越出不同杆数时分别对应的第二线性方程：ai＝ai’-as’，其中ai为传感器接收到的相对于传感器跨越出i个碳纤维抽油杆的声源发出的声发射信号幅值；ai’为在相对于传感器跨越出i个碳纤维抽油杆的模拟声源位置处折断铅芯时传感器采集到的声发射信号幅值；a为步骤(1)中得到的拟合常数；s’为声源位置与传感器在所述直线型碳纤维抽油杆延伸方向上的垂直距离。

具体请参照图3，选取传感器1位置和折断铅芯位置，折断铅芯位置即模拟声源位置3，折断铅芯位置与传感器处于同一水平线上，每处位置折断铅芯5次，记录采集的声发射信号，求取平均值。图4给出了折断铅芯位置与声发射信号的幅值关系图，从图中可以看出，声发射信号每经过一根抽油杆，声发射信号幅值衰减10-15db左右，可以确定声发射信号能够跨越的抽油杆数至少可以达到3根。

综合声发射信号在单根抽油杆上的传播衰减规律和在并排紧密连接状态下抽油杆间的传播衰减规律可得，声发射传感器固定在1号抽油杆上时，1号抽油杆上声发射信号传播距离s’(cm)与信号幅值ai(db)之间的关系式为

a0＝96.2-0.06255s’

门槛幅值为45db时，最远传播距离为8.15m，声发射信号跨越0根抽油杆到达传感器。

2号抽油杆上声发射信号传播距离与信号幅值的关系式为

a1＝81.8-0.06255s’

门槛幅值为45db时，最远传播距离为5.88m，声发射信号跨越1根抽油杆到达传感器。

3号抽油杆上声发射信号传播距离与信号幅值的关系式为

a2＝69.6-0.06255s’

门槛幅值为45db时，最远传播距离为3.93m，声发射信号跨越2根抽油杆到达传感器。

4号抽油杆上声发射信号传播距离与信号幅值的关系式为：

a3＝66.2-0.06255s’

门槛幅值为45db时，最远传播距离为3.39m，声发射信号跨越3根抽油杆到达传感器。

(3)将所述盘绕状碳纤维抽油杆4盘绕安装在辊轴5上进行测试，在所述盘绕状碳纤维抽油杆4上安装传感器1；确定门槛幅值和最大垂直距离，将所述门槛幅值和最大垂直距离带入所述第二线性方程，确定传感器1可以检测到的声源可跨越的最大匝数；根据最大匝数布置传感器的位置，使所述传感器的检测区域覆盖盘绕状碳纤维抽油杆4的所有区域；测试期间，根据传感器1采集到的声发射信号，判断声源所处的区域。

处于存放盘绕状态的抽油杆如图5所示，辊轴直径为2.5m，抽油杆缠绕辊轴一匝的长度l为7.85m，所有在一根抽油杆上，声源位置与传感器间的最大垂直距离为l/2，即3.925m。需要说明的是，最大垂直距离为传感器所在的盘绕状碳纤维抽油杆位置处，所述盘绕状碳纤维抽油杆的一匝对应的周长的一半，就本申请而言，辊轴直径为2.5m，抽油杆直径为19-22mm，这种情况下抽油杆的直径可以忽略不计，最大垂直距离可以认为是辊轴外周长的一半。

图5给出了声发射传感器在盘绕状碳纤维抽油杆4上所在位置，盘绕状碳纤维抽油杆在辊轴上缠绕了三层，每层包括44匝，其中15个传感器1所在的抽油杆的匝的编号分别为l2-1，l5-1，l8-1，l11-1，l14-1，l17-1，l20-1，l23-1，l26-1，l29-1，l32-1，l35-1，l38-1，l41-1，l44-1，其中数字x-y中，y表示层数，层数由外向内依次排列为1、2、3；x表示从初始端向另一端依次排列的盘绕状碳纤维抽油杆的匝的编号，从1依次增大排列。图5为了显示直观，抽油杆之间有缝隙，实际上盘绕状碳纤维抽油杆的匝与匝之间无缝隙，为紧密排列。布置有传感器的所述盘绕状碳纤维连续抽油杆的匝与匝之间的间隔匝数相同。

可以知晓的是，将门槛幅值代入前述第二线性方程，满足s’大于最大垂直距离时可跨越的最大杆数即为盘绕状碳纤维抽油杆上的传感器可以检测到的声源可跨越的最大匝数。以在l2-1抽油杆上的声发射传感器t1为例，当声源位置在抽油杆l2-1上时，t1传感器能采集到信号的最大距离是8.15m，大于最大垂直距离l/2＝3.925m，能实现l2-1抽油油杆的全覆盖；当声源位置在抽油杆l1-1、l2-2或l3-1上时，声发射信号到达t1传感器需跨越1匝抽油杆，根据公式，能采集到信号的范围是5.88m，大于最大垂直距离l/2＝3.925m，能实现l1-1、l2-2、l3-1抽油杆的全覆盖；当声源位置在l1-2、l2-3、l4-1或l3-2时，声发射信号到达t1传感器需跨越2匝抽油杆，根据公式，能采集到的信号范围是3.93m，大于l/2＝3.925m，能实现抽油杆l1-2、l2-3、l4-1、l3-2的全覆盖。当声源位置在l1-3和l3-3抽油杆上时，声发射信号到达t1传感器需跨越3匝抽油杆，根据公式，能采集的信号范围是3.39m，比l/2＝3.925m略小，说明在l1-3和l3-3抽油杆上的某些位置的声发射信号无法采集到，若把门槛幅值降为41db，根据公式得到采集的信号范围是4.03m，大于l/2＝3.925m。所以在满足外界噪声环境在41db以下时，t1传感器可以实现对l1-3和l3-3抽油杆的全覆盖。比如检测时间可以选择较为安静的晚上进行。实际选择中，门槛幅值大于环境噪音即可，作为优选，门槛幅值比环境噪音高出5-10db。

因此按照本实施方式中传感器的布置方式，t1传感器能够实现对抽油杆l1-1、l1-2、l2-1、l2-2、l2-3、l3-1、l3-2、l4-1的全覆盖。依次类推，15个传感器能够覆盖的抽油杆情况如表1所示：

表1每个传感器覆盖的抽油杆范围

表2给出了存放盘绕状态下抽油杆排列状态示意图，其中距离最近的传感器跨越杆数为0，代表该匝抽油杆上固定的有声发射传感器，表示声源信号不需要跨越抽油杆便能到达最近的声发射传感器；距离最近的传感器跨越杆数为1，代表该匝抽油杆上的声源信号需要跨越1根抽油杆才能到达最近的声发射传感器；距离最近的传感器跨越杆数为2，代表该匝抽油杆上的声源信号需要跨越2匝抽油杆才能到达到最近的声发射传感器；距离最近的传感器跨越杆数为3，代表该匝抽油杆上的声源信号需要跨越3根抽油杆才能到达最近的声发射传感器。

当声发射源产生于固定有传感器的抽油杆上时，根据公式a0＝96.2-0.06255s’和抽油杆围绕辊轴一圈的长度得到，声源达到最近传感器的信号幅值范围是71.65-96.2m；当声发射源到达最近的传感器需要至少跨越1根抽油杆时，根据公式a1＝81.8-0.06255s’和抽油杆围绕辊轴一圈长度得到，距离最近的声发射传感器采集到的信号幅值范围是57.25-81.8db；当声发射源到达最近的传感器需要至少跨越2根抽油杆时，根据公式a2＝69.6-0.06255s’和抽油杆围绕辊轴一圈的长度得到，距离最近的声发射传感器采集到的信号幅值范围是45.05-69.6db；当声发射源到达最近的传感器需要至少跨越3根抽油杆时，根据公式a3＝66.2-0.06255s’得到距离最近的声发射传感器采集到的信号幅值范围是41.65-66.2db。

表2抽油杆排列状态示意图

实施例1

t1传感器和t2传感器采集到的声发射信号幅值分别是73db和54db，通过t1传感器可以得到声源信号可能跨越0根抽油杆或跨越1根抽油杆，因此可以把声源位置锁定在l11、l21、l22和l31之间；通过t2传感器可以得到声源信号可能跨越2根或三根抽油杆，因此可以把声源位置锁定在l21、l31、l32、l42、l43、l53、l71、l62、l72、l63之间；两者重合的声源位置是在l21抽油杆或l31抽油杆上。假设声源位置在l21抽油杆上，声发射信号跨越0根抽油杆到达传感器t1，将幅值73db代入公式(2)可以得到声源距传感器t1的距离s1为3.7m；声发射信号跨越3根抽油杆信号到达t2传感器，将幅值54db代入公式(5)得到声源距传感器t2的距离s2为1.95m。s1+s2＝4.65m，大于l/2＝3.925m，所以声源位置不在传感器l21上。假设声源为之在l31上，声发射信号跨越1根抽油杆到达传感器t1，根据公式(3)得到声源距传感器t1的距离s1为1.40m；声发射信号跨越2根抽油杆到达传感器t2，根据公式(4)得到声源距传感器t2的距离s2为2.49m。s1+s2＝3.89m，约等于l/2＝3.925m。所以声源位置在l31抽油杆上，且距离t1和t2传感器的距离分别为1.40m和2.49m。

实施例2

传感器t2采集到声发射信号幅值是68db，其余传感器未接收到信号，根据t2采集到的信号幅值，判断声源位置可能在l41、l31、l42、l52、l53、l62、l61、l71之间；相邻的t1传感器未采集到信号，排除l41l31l42抽油杆，相邻的t3传感器未采集到信号，排除l62、l61、l71抽油杆，因此声源位置可能在l52或者l53抽油杆上。当声源位置在l52抽油杆时，声源跨越1根抽油杆到达t2传感器，将幅值68db带入公式(3)得到声源距传感器t2距离为2.21m；当声源位置在l53抽油杆时，声源跨越2根抽油杆到达t2传感器，根据公式(4)得到声源距传感器t2距离为0.26m。

实施例3

t2传感器和t3传感器采集到的声发射信号幅值分别是64db和47db，根据t2采集到的信号幅值，判断声源位置可能在l21、l31、l41、l42、l43、l52、l53、l61、l62、l63、l71之间，根据t3采集到的信号幅值，判断声源位置可能在l51、l62、l33、l93、l102、l51、l111之间，两者综合可得声源位置在l62抽油杆上，声源信号跨越2根抽油杆到达t2传感器，幅值64db代入公式(4)得到声源位置距传感器t2距离s1为0.9m，声发射信号跨越3根抽油杆到达传感器t3，幅值47db代入公式(5)得到声源位置距传感器t3距离s2为3.07m，s1+s2＝3.97m，约等于l/2＝3.925m。因此确定声源位置在l62抽油杆上，距离t2和t3传感器的距离分别为0.9m和3.07m。可见，布置传感器的位置时，使所述盘绕状碳纤维抽油杆的每个区域均处于至少两个传感器的检测区域内，可实现对声源更为精确的定位。

实施例4

t2传感器采集到声发射信号幅值为55db，其他传感器未采集到信号，根据t2传感器采集到的信号幅值，判断声源位置可能在l42、l43、l53、l63、l62抽油杆之间，相邻的t1传感器未采集到信号，可以排除l42传感器，相邻的t3传感器未采集到信号，可以排除l62传感器，因此声源位置可能在l43、l53、l63抽油杆之间。当声源位置在抽油杆l43或者是l63上时，声发射信号跨越3根抽油杆到达t2传感器，幅值55db代入公式(5)得到声源距传感器t2距离为1.79m。当声源位置在l53抽油杆时，声发射信号跨越2根抽油杆到达t2传感器，声源距传感器t2距离为2.33m。因此声源位置可能在l43、l53或l63抽油杆上。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。