聲發(fā)射檢測技術(shù)的應(yīng)用

聲發(fā)射檢測技術(shù)的應(yīng)用

摘 要：聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種動態(tài)的檢測技術(shù)，可提供缺陷隨荷載、時間、溫度等外變量而變化的實時或連續(xù)信息，適合于在線監(jiān)控及早期或臨近破壞預(yù)報。可解決常規(guī)無損檢測方法所不能解決的問題。通過水利水電工程上的應(yīng)用實例證明，聲發(fā)射檢測技術(shù)是水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)、機電設(shè)備在線監(jiān)控和安全評估的有效手段。
關(guān)鍵詞：聲發(fā)射 檢測 水利水電 應(yīng)用

材料中由于能量從局部源快速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射（acoustic emission，簡稱AE）。聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象，如地震波、巖石破碎、金屬開裂和折斷鉛芯等。各種材料聲發(fā)射信號的頻率范圍很寬，聲發(fā)射信號幅度的變化范圍也很大，以致于有些聲發(fā)射信號人耳可以聽到，而有些聲發(fā)射信號人耳聽不到。許多材料的聲發(fā)射信號強度很弱，需要借助專門的檢測儀器才能檢測出來。材料在應(yīng)力作用下的變形與開裂是結(jié)構(gòu)失效的重要機制。這種直接與變形和斷裂機制有關(guān)的源，稱為聲發(fā)射源。用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射檢測（acoustic emission testing 簡稱AET）技術(shù)。
AET技術(shù)在五十年代就開始應(yīng)用于材料研究。在六十年代開始應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域。我國則于七十年代開始應(yīng)用AET技術(shù)。AET技術(shù)已應(yīng)用的領(lǐng)域有：材料及力學(xué)方面的研究；汽車工業(yè)（汽車所有部件）；土木工程（橋梁、巖石、混凝土及水工建筑物安全性檢測等）；航空航天（機身各部件、引擎、衛(wèi)星太陽能板等）；大型變壓器局部放電檢測；環(huán)境試驗；核反應(yīng)堆；模態(tài)測試；一般工業(yè)（管路、軸承、壓力容器、球罐等）；焊接質(zhì)量檢測與監(jiān)控；吊車等空架結(jié)構(gòu)檢測；質(zhì)量管理（配合自動化生產(chǎn)線進行在線質(zhì)量控制）等。AET技術(shù)作為無損檢測的一種手段，其主要目的是：①確定聲發(fā)射源的部位；②分析聲發(fā)射源的性質(zhì)；③確定聲發(fā)射發(fā)生的時間或載荷；④按照有關(guān)的聲發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)評定聲發(fā)射源的嚴(yán)重性。另一方面，聲發(fā)射檢測技術(shù)也有一定的缺點和不足：聲發(fā)射檢測需要在特定荷載條件下進行，聲發(fā)射檢測目前只能給出聲發(fā)射源的部位、活度和強度，不能給出聲發(fā)射源處缺陷的性質(zhì)和大小，對超標(biāo)聲發(fā)射源，需要使用其它常規(guī)無損檢測方法（如：超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測等）進行局部復(fù)檢，以精確確定缺陷的性質(zhì)、位置和大小。
現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中規(guī)定的產(chǎn)品質(zhì)量（尤其是內(nèi)部質(zhì)量）要求，在很多情況下是根據(jù)常規(guī)無損檢測方法確定的。按常規(guī)無損檢測方法，只能檢測、顯示靜態(tài)的宏觀缺陷[也稱不連續(xù)性或不完整性，如裂紋、夾渣（雜）、氣（縮）孔、未融合、未焊透等]?，F(xiàn)行的一般做法是，按照標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和標(biāo)書文件的要求，對檢出的缺陷進行定位、定量、定性（定性的方法目前尚不成熟，超聲檢測定性尤差）和等級評定，以確定是否合格和驗收。這種靜態(tài)的檢測評定方法更多評價的是產(chǎn)品制造工藝和質(zhì)量控制的水平，而對于產(chǎn)品的安全性和可靠性往往沒有多少直接關(guān)系；事實上，只有擴展的、尺寸增大的和最終導(dǎo)致破壞的不完整性（如裂紋的萌生和擴展）才認(rèn)為是危險的。
AET技術(shù)具有以下特點（優(yōu)點），在很多情況下與其它無損檢測方法相比這些特點表明了它的優(yōu)越性。
1.聲發(fā)射法適用于實時動態(tài)監(jiān)控檢測，且只顯示和記錄擴展的缺陷，這意味著與缺陷尺寸無關(guān)。而是顯示正在擴展的最危險缺陷。這樣，應(yīng)用聲發(fā)射檢驗方法時可以對缺陷不按尺寸分類，而按其危險程度分類。按這樣分類，構(gòu)件在承載時可能出現(xiàn)工件中應(yīng)力較小的部位尺寸大的缺陷不劃為危險缺陷，而應(yīng)力集中的部位按規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求允許存在的缺陷因擴展而被判為危險缺陷。聲發(fā)射法的這一特點原則上可以按新的方式確定缺陷的危險性。因此，在壓力管道、壓力容器、起重機械等產(chǎn)品的荷載試驗工程中，若使用聲發(fā)射檢測儀器進行實時監(jiān)控檢測，既可彌補常規(guī)無損檢測方法的不足，也可提高試驗的安全性和可靠性。同時利用分析軟件可對以后的運行安全做出評估。
2.AET技術(shù)對擴展的缺陷具有很高的靈敏度。其靈敏度大大高于其它方法，例如，聲發(fā)射法能在工作條件下檢測出零點幾毫米數(shù)量級的裂紋增量，而傳統(tǒng)的無損檢測方法則無法實現(xiàn)。
3.聲發(fā)射法的特點是整體性。用一個或若干個固定安裝在物體表面上的聲發(fā)射傳感器可以檢驗整個物體。缺陷定位時不需要使傳感器在被檢物體表面掃描（而是利用軟件分析獲得），因此，檢驗及其結(jié)果與表面狀態(tài)和加工質(zhì)量無關(guān)。假如難以接觸被檢物體表面或不可能完全接觸時，整體性特別有用。例如：絕熱管道、容器、蝸殼；埋入地下的物體和形狀復(fù)雜的構(gòu)件；檢驗大型的和較長物體的焊縫時（如：橋機梁、高架門機等），這種特性更明顯。
4.聲發(fā)射法一個重要特性是能進行不同工藝過程和材料性能及狀態(tài)變化過程的檢測。聲發(fā)射法還提供了討論有關(guān)物體材料的應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)的變化。所以，AET技術(shù)是探測焊接接頭焊后延遲裂紋的一種理想手段。同樣，象引水壓力鋼管的湊合節(jié)環(huán)焊縫，由于拘束度很大，在焊后冷卻過程中，焊接造成的拉應(yīng)力和冷縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，可能會使應(yīng)力集中系數(shù)較大的缺陷（如：未融合、不規(guī)則的夾渣、咬邊等）萌生裂紋，這是不允許存在的。為了找出和避免這種隱患，用AET監(jiān)測也是比較理想的手段。
5.對于大多數(shù)無損檢測方法來說，缺陷的形狀和大小、所處位置和方向都是很重要的，因為這些缺陷特性參數(shù)直接關(guān)系到缺陷漏檢率。而對聲發(fā)射法來說，缺陷所處位置和方向并不重要，換句話說，缺陷所處位置和方向并不影響聲發(fā)射的檢測效果。
6.聲發(fā)射法受材料的性能和組織的影響要小些。例如：材料的不均勻性對射線照相和超聲波檢測影響很大，而對聲發(fā)射法則無關(guān)緊要。因此，聲發(fā)射法的使用范圍較寬（按材料）。例如，可以成功地用以檢測復(fù)合材料，而用其它無損檢測方法則很困難或者不可能。
7.使用聲發(fā)射法比較簡單，現(xiàn)場聲發(fā)射檢測監(jiān)控與試驗同步進行，不會因使用了聲發(fā)射檢測而延長試驗工期。檢測費用也較低，特別是對于大型構(gòu)件整體檢測，其檢測費用遠低于射線或超聲檢測費用。且可以實時地進行檢測和結(jié)果評定。
聲發(fā)射法可以檢測缺陷、確定缺陷位置和評價結(jié)構(gòu)的危險程度（安全性）。與其它常規(guī)無損檢測方法相結(jié)合，使用聲發(fā)射法將會取得最佳效果。
我國的水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)、機電設(shè)備方面也已開始應(yīng)用聲發(fā)射檢測技術(shù)，并取得良好效果。如：1999年水利部質(zhì)檢中心對湘江大源渡航電樞紐工程的液壓啟閉機油缸荷載試驗進行了聲發(fā)射監(jiān)控檢測和安全評定，對油缸缸底吊耳和活塞桿吊耳采用ZG310-570材料制造的可行性和安全性進行了比較科學(xué)的實驗鑒定。在2001年1月和3月，水利部質(zhì)檢中心受中國長江三峽工程開發(fā)總公司的委托，由質(zhì)檢中心無損檢測專業(yè)室和清華大學(xué)無損檢測技術(shù)工程中心的技術(shù)人員組成檢測組，先后對三峽水利樞紐工程左岸廠房1#、3#水輪發(fā)電機組座環(huán)和蝸殼在充水升壓和保壓階段進行了聲發(fā)射監(jiān)控檢測，1#水輪發(fā)電機組座環(huán)和蝸殼聲發(fā)射傳感器布置示意圖見圖1。監(jiān)控檢測取得了良好的效果。特別是1#水輪發(fā)電機組座環(huán)和蝸殼，通過聲發(fā)射實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)了蝸殼03管節(jié)與大舌板對接焊縫的咬邊在充水升壓和保壓階段萌生、擴展的裂紋，該缺陷的聲發(fā)射波形圖見圖2。這是常規(guī)無損檢測方法所不能發(fā)現(xiàn)