1 引言
常规的无损探伤方法只能检出锅炉管中的气孔、夹杂、裂纹等静态缺陷, 没有考虑受力状态下的动态变化因素, 不能判断构件是否安全。同时由于探伤方法的限制, 容易导致漏检。由于锅炉“ 四管” 长期工作在高温高压下,很容易因材料疲劳、腐蚀等产生裂纹。在裂纹成核、扩展直至开裂之前的应力集中阶段,金属内部的晶粒都将发生重新排列, 产生微弱声发射信号; 当金属应力集中达到一定程度时, 材料开裂同时释放大量应变能, 因此产生很大的声发射信号; 如果发生泄露, 则管内的高压流体由裂缝处向外喷射, 形成高速射流, 高速流体对壁面产生激励作用和摩擦, 产生声发射波, 此弹性波沿金属表面传播, 遇到界面后会发生反射和折射。利用上述声信号可以很好地对管道损伤和泄漏进行监测。因此,声发射技术的研究显得非常的必要。
近年来, 声发射技术取得了较大进展, 其克服了常规无损检测的缺点, 可以得到检测部件在运行时缺陷的动态信息。在无损检测中的地位越来越重要。用声发射对承载设备的监听, 对结构材料中的“ 动态” 缺陷进行检测和定位, 以评定结构的完整性。声发射检测不必像其他常规探伤方法“ 必须充分接近缺陷位置” 和“ 逐一扫描” 才能进行检验, 而是靠有限的几个“ 固定不动的” 传感器就有可能对整个设备的完整性做出评定。可判断是否有裂纹产生、是否有泄漏, 并获知泄漏程度。具有劳动强度低, 易于操作, 结果可靠等优点。
2 声发射技术原理[1~3,9]
当材料或结构受外力或内力作用时, 由于其微观结构的不均匀, 内部缺陷的存在, 导致了局部应力集中, 造成不稳定的应力分布。当这种不稳定应力分布状态下的应变能积累到一定程度时, 不稳定的高能状态一定要向稳定的低能状态过渡, 这种过渡是以塑性变形、快速相变、裂纹的产生、发展直至断裂等形式来完成。在此过程中, 应变能被释放, 其中一部分是以应力波的形式快速释放出来的弹性能, 这种以弹性波形式释放出应变能的现象叫做声发射。由于这种声发射弹性波能反映出材料的一些性质, 故采用检测声发射信号的方法, 可以判断材料或设备的某种状态, 即声发射检测。
根据声发射信号的特点, 可以把声发射信号分为突发型和连续型两种。连续型信号由一系列低幅值和连续信号组成, 这种信号对应变速率敏感, 主要与材料的位错和交叉滑移等塑性变形有关。突然型信号是由高幅值、不连贯、持续时间为微秒级的信号组成, 主要与材料中的堆跺层错的形成和机械孪晶以及裂纹的形成和断裂过程有关。
从总体上来说, 声发射的产生是材料中局部区域快速卸载, 弹性能得到释放的结果, 声发射快速卸载的时间决定了声发射信号的频谱。卸载时间越短, 能量释放越快, 声发射信号的频率越高。对于不同的材料和不同的声发射产生形式, 声发射信号的频率范围是不一样的,从次声、音频信号, 直到数十兆赫兹的超声信号, 幅度范围可从几微伏到上百伏。
声发射检测技术的基本原理就是利用祸合在试样或结构表面上的压电晶片换能器, 将材料内的声发射源产生的弹性波转变为电信号, 然后利用电子仪器将这些电信号加以放大和处理使之特性化,并加以显示和记录,从而获得材料内的声发射源的动态信息。反之,通过分析检测过程中声发射仪所获得的声发射信号的特征和各种统计参量数据, 可以推知材料内部的缺陷状态及严重程度。若考虑背景噪声和其它辅助信息则声发射检测原理见图1。
声发射检测技术是一种动态无损检测方法, 但它与其他无损检测方法有所不同, 声发射信号是在外部条件作用下产生的, 对缺陷的变化极为敏感, 可以检测到微米数量级的显微裂纹变化, 检测灵敏度很高。此外, 因为绝大多数材料都具有声发射特性, 所以声发射检测不受材料限制, 可以长期连续地监视缺陷的安全性和超限报警, 这是声发射检测优于其他无损检测的地方。
3 声发射技术的发展
从60 年代以来,声发射技术得到许多发达国家工业的重视, 在理论研究、实验研究和工业应用三个方面做了大量的工作, 取得了相当的进展。声发射技术的研究工作最早是德国人K ia se r 开始进行的。他通过观察多种金属材料的声发射现象, 发现了声发射的不可逆性— 凯瑟效应。
60 年代初期,Dun ge an 等人对声发射技术的研究作了进一步的推进, 他们把声发射的测试频率范围提高到了超声频率段, 这大大地拓展了声发射的应用范围,并且为声发射从实验室走向生产现场创造了条件。
1964 年美国通用动力公司首次使用声发射技术进行北极星导弹壳体的水压实验。此后, 出现了商用声发射仪器。今天声发射仪器取得了相当地发展, 已由过去的单通道发展到多通道, 计算机的出现更使得对信号的处理出现了多元化, 如利用计算机进行声发射源定位和波形分析、源特征分析以及模式识别等, 这说明声发射技术已经进入广泛的应用阶段。
我国的声发射事业起步于70 年代, 经过20 多年的发展, 我国声发射技术在研究、应用的深度和广度上都有比较大的发展。研究的范围不仅仅只限于压力容器、金属疲劳和断裂力学应用等领域, 已经发展到金属材料、复合材料、岩石和磁声发射等领域, 并已覆盖几乎所有工业领域, 如航空、航天、铁路运输、工业制造过程监测、石油化工、电力等。声发射仪器也研制出了单通道、8 通道甚至32 通道等多种型号。80 年代中期以前, 由于信号处理能力的限制, 人们对声发射源性质的认识以及声发射信号的传输特性等的认识缺少应用的深度, 使得声发射技术在实验结果的重复性、进而在结果的可靠性等方面存在不少问题。
80 年代末、90 年代初之后, 由于计算机技术和信号处理技术的迅速发展, 带动了声发射技术的决速发展, 声发射技术日趋成熟。新一代声发射仪器和相应的各种信号处理软件的出现, 使得人们通过采集到的波形可以更深层次的了解声发射源性质和声波传输特性, 以波形分析为基础的声发射技术得到应用和发展。神经网络和小波分析等技术的进一步的发展, 使得人们对信号处理能力更强、分析更快、结果更准。如我国学者利用神经网络技术对声发射源活动情况进行模式识别, 不仅可以区别出缺陷种类(裂纹、泄漏或噪声), 还可对裂纹的危害程度进行判断。随着声发射硬件和软件技术迅速发展, 声发射技术逐渐成熟, 其应用范围也变得更广。在某些场合, 如大型储罐的在役检测, 声发射技术已得到广泛的应用。
4 声发射仪器的进展
自1% 5 年美国的D u ne g an 公司首次推出声发射商业仪器以来, 声发射仪器已经历30 多年的更新发展。主要可分为三个阶段。
4.1 第一阶段
1 9 6 5 年一1 9 8 3 年这一阶段主要是参数式声发射仪器的发展。这其中包括声发射传感器、前置放大器
、模拟滤波技术以及特征提取硬件技术的完善与发展。然而由于硬件技术本身存在的缺陷, 如增益过大易于导致前置和后置放大器阻塞, 模拟滤波难以处理一些噪声信号, 而且速度慢系统极易出现闭状态等, 该阶段声发射仪器的可靠性并不令人满意, 这也使得应用技术的发展受到了阻碍。
4.2 第二阶段1 9 8 3 年一1 9 9 4 年
以美国物理声学公司( PA C ) 19 8 3 年开发的国际上第一套数字式声发射系统 S A A 一 A 为代表 。该系统采用专用模块组合式, 引进了计算机技术, 把采集功能和存储及计算功能分离, 并给每个通道单元配有专用微处理器, 形成独立的通道控制单元(I c )C, 完成实时数据采集的任务, 仪器的实时性得到增强。事实上, 该仪器采用的是模拟和数字结合的模式来进行特征提取, 数字技术的使用使得声发射仪的可靠性大大提高, 由此也推动了声发射应用技术的发展, 使得在国际上声发射许多领域, 如压力容器、油罐、管道、航空、航天、建筑、桥梁等的应用也由初期发展到完善, 形成了数个国家的某些相应标准。
.4 3 第三个阶段
19 9 4 年至今该阶段的声发射仪向着数字集成方向发展, 其集成单元具有自己的中央处理器和A/ D 变换器, 不仅能记录瞬态波形, 而且还可以进行波形分析和处理。这类数字集成仪器有很高的信噪比、良好的抗干扰能力、宽的动态范围、可靠性高、不易受到温度等环境因素的影响。其中最具代表性的是美国P A C 公司研制的具有全数字式集成数字信号处理芯片的声发射P c 卡AE D s 3P 2/ 16,该卡具有2 个16 位声发射通道、1 个D S P 芯片和5 个F P GA 门列阵, 可以象一般的P C 一样直接插人计算机中, 并配以相应的软件, 就可以构成双通道或多通道的声发射系统。该系统处理能力强、速度快、可靠性高, 而且使得现场使用变得更为方便。
5 声发射技术在“ 四管” 中的应用
常规锅炉“ 四管” 检测工作量大, 环境差, 周期长。而声发射技术检测是由多通道换能器接收受压部件受载时材料内部缺陷因屈服、开裂、裂纹扩展等强烈变形现象所发出的声波信号, 对这些信号进行采集、处理、分析, 以得到产生声发射信号缺陷的情况参数, 如应力波幅度大小、次数或个数的多少、应力波缺陷源的部位、出现应力波的载荷等, 从而达到对缺陷评定的目的。由于声发射技术能对活动发展型缺陷进行定量定位, 而且声发射检测速度快、费用低, 声发射在锅炉“ 四管” 缺陷检测中具有良好的应用前景。
5.1 在锅炉管泄露检测中的应用
由于声发射技术相对传统无损探伤方法具有先天优势, 国内外进行了大量的把声发射运用到锅炉“ 四管” 泄露检测中的实践探索。有的电厂在水冷壁、省煤器以及再热器和过热器上安装了声发射泄露检测系统, 使传感器覆盖整个受热面, 不但能把燥声和泄露信号分辩出来,还能把吹灰器产生的低频声波信号与泄露信号分开, 取得了重要的突破, 在山西某电厂迄今为止已成功地连续5 次准确预报了炉内泄露。在国外, 加拿大开展了将声发射技术运用到锅炉管泄露检测中研究, 同时美国正在定泄露检测方面的相关标准。
5.2 在锅炉管疲劳和蠕变损伤检测中的应用
当锅炉“ 四管” 受到周期性应力或应变时, 导致疲劳裂纹的发生。材料的疲劳和蠕变损伤过程是一个复杂的动态过程, 其损伤的结果反映了材料本身的抗疲劳性裂纹劣化的能力, 疲劳破坏事件的发生具有较大的突然性和巨大的破坏性。对炉管材料疲劳损伤的评定, 不仅有助于预测其剩余寿命, 同时也有助于保证锅炉的安全运行。材料的疲劳过程遵行如下规则: 产生位错一滑移一微观裂纹一裂纹扩展一最后断裂, 上述过程实际上是一个应变能的释放过程, 其中一部分应变能以应力波的形式释放出来, 于是产生声发射, 因此, 通过检测和研究管材运行过程中的声发射的变化情况, 就可以炉管的损伤程度进行评价。由于炉管疲劳损伤过程所受影响因素极多, 在采用声发射技术对锅炉管进行评估时, 其实际工作温度、运行时间、周围环境的各参变量如何统一量化还是一个有待解决的问题, 同时相关的声发射检测标准的制定还有待于进一步研究。
.5 3 在锅炉管腐蚀检测中的应用
锅炉四管的腐蚀破坏机理包括了碱性腐蚀、高温腐蚀等。声发射检测对材料的结构变化和结构损伤非常敏感, 不同形式的声发射源, 辐射出不同参量和不同特性的声发射信号, 对声发射的信号形式、信号能量、声发射总计数、信号幅度、频谱分析和声发射脉冲流的分析对比以及对其它组合的分析, 成为了诊断材料腐蚀损伤过程的基础。利用声发射技术研究材料的腐蚀过程, 在一定条件下, 可以评定材料腐蚀的动态变化情况。但是, 目前声发射参量中所包含的有关检测对象状态的初始信息还不够完整, 只进行了初步的利用幅频分析对破坏机理与破坏过程的变化作了验证。一般来说, 利用频谱分析很难对检侧对象作定量评定, 但在一定条件下可以借助频谱分析区分材料的腐蚀过程与塑性变形过程, 腐蚀过程的声发射脉冲接近于白噪声, 而塑性变形的脉冲信号往往具有突发的特点。在对材料腐蚀评估过程中, 采用声发射与别的检测方法配合使用, 可取得更好的效果。
6 结语
声发射技术检测锅炉“ 四管” 有效、可行, 可实现对“ 四管” 的在线检测。但仍有许多工作需要继续深人研究, 如制定可行性、可操作性好的检验标准、提高传感器对缺陷信号的接收能力、去除噪声信号以提高缺陷信号的识别能力、准确地对缺陷定位等等。声发射技术在国内己有十多年的发展, 随着计算机和电子技术的迅速发展, 声发射技术将继续获得长足发展,其在电力系统中的应用更加深广。
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陈汉明, 李晓红, 丁杰
( 武汉大学动力与机械学院, 武汉4 3 00 7 2 )
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