聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

摘 要：聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)的檢測(cè)技術(shù)，可提供缺陷隨荷載、時(shí)間、溫度等外變量而變化的實(shí)時(shí)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(bào)?？山鉀Q常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法所不能解決的問(wèn)題。通過(guò)水利水電工程上的應(yīng)用實(shí)例證明，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備在線監(jiān)控和安全評(píng)估的有效手段。
關(guān)鍵詞：聲發(fā)射 檢測(cè) 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(jiǎn)稱AE）。聲發(fā)射是一種常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，如地震波、巖石破碎、金屬開(kāi)裂和折斷鉛芯等。各種材料聲發(fā)射信號(hào)的頻率范圍很寬，聲發(fā)射信號(hào)幅度的變化范圍也很大，以致于有些聲發(fā)射信號(hào)人耳可以聽(tīng)到，而有些聲發(fā)射信號(hào)人耳聽(tīng)不到。許多材料的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度很弱，需要借助專門的檢測(cè)儀器才能檢測(cè)出來(lái)。材料在應(yīng)力作用下的變形與開(kāi)裂是結(jié)構(gòu)失效的重要機(jī)制。這種直接與變形和斷裂機(jī)制有關(guān)的源，稱為聲發(fā)射源。用儀器探測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)和利用聲發(fā)射信號(hào)推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射檢測(cè)（acoustic emission testing 簡(jiǎn)稱AET）技術(shù)。
AET技術(shù)在五十年代就開(kāi)始應(yīng)用于材料研究。在六十年代開(kāi)始應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。我國(guó)則于七十年代開(kāi)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(cè)等）；航空航天（機(jī)身各部件、引擎、衛(wèi)星太陽(yáng)能板等）；大型變壓器局部放電檢測(cè)；環(huán)境試驗(yàn)；核反應(yīng)堆；模態(tài)測(cè)試；一般工業(yè)（管路、軸承、壓力容器、球罐等）；焊接質(zhì)量檢測(cè)與監(jiān)控；吊車等空架結(jié)構(gòu)檢測(cè)；質(zhì)量管理（配合自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行在線質(zhì)量控制）等。AET技術(shù)作為無(wú)損檢測(cè)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(shí)間或載荷；④按照有關(guān)的聲發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定聲發(fā)射源的嚴(yán)重性。另一方面，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)也有一定的缺點(diǎn)和不足：聲發(fā)射檢測(cè)需要在特定荷載條件下進(jìn)行，聲發(fā)射檢測(cè)目前只能給出聲發(fā)射源的部位、活度和強(qiáng)度，不能給出聲發(fā)射源處缺陷的性質(zhì)和大小，對(duì)超標(biāo)聲發(fā)射源，需要使用其它常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法（如：超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)等）進(jìn)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(wú)損檢測(cè)方法確定的。按常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法，只能檢測(cè)、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(shū)文件的要求，對(duì)檢出的缺陷進(jìn)行定位、定量、定性（定性的方法目前尚不成熟，超聲檢測(cè)定性尤差）和等級(jí)評(píng)定，以確定是否合格和驗(yàn)收。這種靜態(tài)的檢測(cè)評(píng)定方法更多評(píng)價(jià)的是產(chǎn)品制造工藝和質(zhì)量控制的水平，而對(duì)于產(chǎn)品的安全性和可靠性往往沒(méi)有多少直接關(guān)系；事實(shí)上，只有擴(kuò)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(kuò)展）才認(rèn)為是危險(xiǎn)的。
AET技術(shù)具有以下特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)），在很多情況下與其它無(wú)損檢測(cè)方法相比這些特點(diǎn)表明了它的優(yōu)越性。
1.聲發(fā)射法適用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控檢測(cè)，且只顯示和記錄擴(kuò)展的缺陷，這意味著與缺陷尺寸無(wú)關(guān)。而是顯示正在擴(kuò)展的最危險(xiǎn)缺陷。這樣，應(yīng)用聲發(fā)射檢驗(yàn)方法時(shí)可以對(duì)缺陷不按尺寸分類，而按其危險(xiǎn)程度分類。按這樣分類，構(gòu)件在承載時(shí)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(xiǎn)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(kuò)展而被判為危險(xiǎn)缺陷。聲發(fā)射法的這一特點(diǎn)原則上可以按新的方式確定缺陷的危險(xiǎn)性。因此，在壓力管道、壓力容器、起重機(jī)械等產(chǎn)品的荷載試驗(yàn)工程中，若使用聲發(fā)射檢測(cè)儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)，既可彌補(bǔ)常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法的不足，也可提高試驗(yàn)的安全性和可靠性。同時(shí)利用分析軟件可對(duì)以后的運(yùn)行安全做出評(píng)估。
2.AET技術(shù)對(duì)擴(kuò)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(cè)出零點(diǎn)幾毫米數(shù)量級(jí)的裂紋增量，而傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法則無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
3.聲發(fā)射法的特點(diǎn)是整體性。用一個(gè)或若干個(gè)固定安裝在物體表面上的聲發(fā)射傳感器可以檢驗(yàn)整個(gè)物體。缺陷定位時(shí)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(yàn)及其結(jié)果與表面狀態(tài)和加工質(zhì)量無(wú)關(guān)。假如難以接觸被檢物體表面或不可能完全接觸時(shí)，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(yàn)大型的和較長(zhǎng)物體的焊縫時(shí)（如：橋機(jī)梁、高架門機(jī)等），這種特性更明顯。
4.聲發(fā)射法一個(gè)重要特性是能進(jìn)行不同工藝過(guò)程和材料性能及狀態(tài)變化過(guò)程的檢測(cè)。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(cè)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(guò)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(huì)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(cè)也是比較理想的手段。
5.對(duì)于大多數(shù)無(wú)損檢測(cè)方法來(lái)說(shuō)，缺陷的形狀和大小、所處位置和方向都是很重要的，因?yàn)檫@些缺陷特性參數(shù)直接關(guān)系到缺陷漏檢率。而對(duì)聲發(fā)射法來(lái)說(shuō)，缺陷所處位置和方向并不重要，換句話說(shuō)，缺陷所處位置和方向并不影響聲發(fā)射的檢測(cè)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(duì)射線照相和超聲波檢測(cè)影響很大，而對(duì)聲發(fā)射法則無(wú)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(cè)復(fù)合材料，而用其它無(wú)損檢測(cè)方法則很困難或者不可能。
7.使用聲發(fā)射法比較簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)聲發(fā)射檢測(cè)監(jiān)控與試驗(yàn)同步進(jìn)行，不會(huì)因使用了聲發(fā)射檢測(cè)而延長(zhǎng)試驗(yàn)工期。檢測(cè)費(fèi)用也較低，特別是對(duì)于大型構(gòu)件整體檢測(cè)，其檢測(cè)費(fèi)用遠(yuǎn)低于射線或超聲檢測(cè)費(fèi)用。且可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行檢測(cè)和結(jié)果評(píng)定。
聲發(fā)射法可以檢測(cè)缺陷、確定缺陷位置和評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)程度（安全性）。與其它常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法相結(jié)合，使用聲發(fā)射法將會(huì)取得最佳效果。
我國(guó)的水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備方面也已開(kāi)始應(yīng)用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)，并取得良好效果。如：1999年水利部質(zhì)檢中心對(duì)湘江大源渡航電樞紐工程的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油缸荷載試驗(yàn)進(jìn)行了聲發(fā)射監(jiān)控檢測(cè)和安全評(píng)定，對(duì)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(jìn)行了比較科學(xué)的實(shí)驗(yàn)鑒定。在2001年1月和3月，水利部質(zhì)檢中心受中國(guó)長(zhǎng)江三峽工程開(kāi)發(fā)總公司的委托，由質(zhì)檢中心無(wú)損檢測(cè)專業(yè)室和清華大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)工程中心的技術(shù)人員組成檢測(cè)組，先后對(duì)三峽水利樞紐工程左岸廠房1#、3#水輪發(fā)電機(jī)組座環(huán)和蝸殼在充水升壓和保壓階段進(jìn)行了聲發(fā)射監(jiān)控檢測(cè)，1#水輪發(fā)電機(jī)組座環(huán)和蝸殼聲發(fā)射傳感器布置示意圖見(jiàn)圖1。監(jiān)控檢測(cè)取得了良好的效果。特別是1#水輪發(fā)電機(jī)組座環(huán)和蝸殼，通過(guò)聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)了蝸殼03管節(jié)與大舌板對(duì)接焊縫的咬邊在充水升壓和保壓階段萌生、擴(kuò)展的裂紋，該缺陷的聲發(fā)射波形圖見(jiàn)圖2。這是常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法所不能發(fā)現(xiàn)