聲發射檢測技術在水利工程的應用

05-27

聲發射檢測技術在水利工程的應用

摘要：聲發射檢測技術是一種動態的檢測技術，可提供缺陷隨荷載、時間、溫度等外變數而變化的實時或連續信息，適合於在線監控及早期或臨近破壞預報。可解決常規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用實例證明，聲發射檢測技術是水利水電工程金屬結構、機電設備在線監控和安全評估的有效手段。

關鍵詞：聲發射檢測應用水利水電

材料中由於能量從局部源快速釋放而產生瞬態彈性波的現象稱為聲發射（acoustic emission，簡稱AE）。聲發射是一種常見的物理現象，如地震波、岩石破碎、金屬開裂和折斷鉛芯等。各種材料聲發射信號的頻率範圍很寬，聲發射信號幅度的變化範圍也很大，以致於有些聲發射信號人耳可以聽到，而有些聲發射信號人耳聽不到。許多材料的聲發射信號強度很弱，需要藉助專門的檢測儀器才能檢測出來。材料在應力作用下的變形與開裂是結構失效的重要機制。這種直接與變形和斷裂機制有關的源，稱為聲發射源。用儀器探測、記錄、分析聲發射信號和利用聲發射信號推斷聲發射源的技術稱為聲發射檢測（acoustic emission testing 簡稱AET）技術。

AET技術在五十年代就開始應用於材料研究。在六十年代開始應用於無損檢測領域。我國則於七十年代開始應用AET技術。AET技術已應用的領域有：材料及力學方面的研究；汽車工業（汽車所有部件）；土木工程（橋樑、岩石、混凝土及水工建築物安全性檢測等）；航空航天（機身各部件、引擎、衛星太陽能板等）；大型變壓器局部放電檢測；環境試驗；核反應堆；模態測試；一般工業（管路、軸承、壓力容器、球罐等）；焊接質量檢測與監控；吊車等空架結構檢測；質量管理（配合自動化生產線進行在線質量控制）等。AET技術作為無損檢測的一種手段，其主要目的是：①確定聲發射源的部位；②分析聲發射源的性質；③確定聲發射發生的時間或載荷；④按照有關的聲發射標準評定聲發射源的嚴重性。另一方面，聲發射檢測技術也有一定的缺點和不足：聲發射檢測需要在特定荷載條件下進行，聲發射檢測目前只能給出聲發射源的部位、活度和強度，不能給出聲發射源處缺陷的性質和大小，對超標聲發射源，需要使用其它常規無損檢測方法（如：超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測等）進行局部複檢，以精確確定缺陷的性質、位置和大小。

現行標準、規範中規定的產品質量（尤其是內部質量）要求，在很多情況下是根據常規無損檢測方法確定的。按常規無損檢測方法，只能檢測、顯示靜態的宏觀缺陷[也稱不連續性或不完整性，如裂紋、夾渣（雜）、氣（縮）孔、未融合、未焊透等]。現行的一般做法是，按照標準、規範和標書文件的要求，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。這種靜態的檢測評定方法更多評價的是產品製造工藝和質量控制的水平，而對於產品的安全性和可靠性往往沒有多少直接關係；事實上，只有擴展的、尺寸增大的和最終導致破壞的不完整性（如裂紋的萌生和擴展）才認為是危險的。

AET技術具有以下特點（優點），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越性。

1.聲發射法適用於實時動態監控檢測，且只顯示和記錄擴展的缺陷，這意味著與缺陷尺寸無關。而是顯示正在擴展的最危險缺陷。這樣，應用聲發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，構件在承載時可能出現工件中應力較小的部位尺寸大的缺陷不劃為危險缺陷，而應力集中的部位按規範和標準要求允許存在的缺陷因擴展而被判為危險缺陷。聲發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、起重機械等產品的荷載試驗工程中，若使用聲發射檢測儀器進行實時監控檢測，既可彌補常規無損檢測方法的不足，也可提高試驗的安全性和可靠性。同時利用分析軟體可對以後的運行安全做出評估。

2.AET技術對擴展的缺陷具有很高的靈敏度。其靈敏度大大高於其它方法，例如，聲發射法能在工作條件下檢測出零點幾毫米數量級的裂紋增量，而傳統的無損檢測方法則無法實現。

3.聲發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射感測器可以檢驗整個物體。缺陷定位時不需要使感測器在被檢物體表面掃描（而是利用軟體分析獲得），因此，檢驗及其結果與表面狀態和加工質量無關。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複雜的構件；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變化過程的檢測。聲發射法還提供了討論有關物體材料的應力—應變狀態的變化。所以，AET技術是探測焊接接頭焊後延遲裂紋的一種理想手段。同樣，象引水壓力鋼管的湊合節環焊縫，由於拘束度很大，在焊後冷卻過程中，焊接造成的拉應力和冷縮產生的拉應力，可能會使應力集中係數較大的缺陷（如：未融合、不規則的夾渣、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監測也是比較理想的手段。

5.對於大多數無損檢測方法來說，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直接關係到缺陷漏檢率。而對聲發射法來說，缺陷所處位置和方向並不重要，換句話說，缺陷所處位置和方向並不影響聲發射的檢測效果。

6.聲發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，而對聲發射法則無關緊要。因此，聲發射法的使用範圍較寬（按材料）。例如，可以成功地用以檢測複合材料，而用其它無損檢測方法則很困難或者不可能。

7.使用聲發射法比較簡單，現場聲發射檢測監控與試驗同步進行，不會因使用了聲發射檢測而延長試驗工期。檢測費用也較低，特別是對於大型構件整體檢測，其檢測費用遠低於射線或超聲檢測費用。且可以實時地進行檢測和結果評定。

聲發射法可以檢測缺陷、確定缺陷位置和評價結構的危險程度（安全性）。與其它常規無損檢測方法相結合，使用聲發射法將會取得最佳效果。

我國的水利水電工程金屬結構、機電設備方面也已開始應用聲發射檢測技術，並取得良好效果。如：1999年水利部質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射監控檢測和安全評定，對油缸缸底吊耳和活塞桿吊耳採用ZG310-570材料製造的可行性和安全性進行了比較科學的實驗鑒定。在2001年1月和3月，水利部質檢中心受中國長江三峽工程開發總公司的委託，由質檢中心無損檢測專業室和清華大學無損檢測技術工程中心的技術人員組成檢測組，先後對三峽水利樞紐工程左岸廠房1#、3#水輪發電機組座環和蝸殼在充水升壓和保壓階段進行了聲發射監控檢測，監控檢測取得了良好的效果。特別是1#水輪發電機組座環和蝸殼，通過聲發射實時監測，發現了蝸殼03管節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。這是常規無損檢測方法所不能發現的。

可以預計，在我國水利水電工程上，使用聲發射檢測技術對金屬結構、機電設備進行檢測和安全評定將得到進一步的推廣應用，所發揮的社會經濟效益將愈來愈顯著。