聲發射技術在壓力容器中的運用范文

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摘要：

聲發射技術在我國壓力容器檢測中得到了成功的應用和推廣，為廣大壓力容器用戶帶來了巨大的經濟效益。據此，探討了聲發射檢測技術的原理及其組成部分（聲發射源、傳感器、信號分析處理）的研究現狀與發展趨勢，其中聲發射傳感器在聲發射檢測系統中起著至關重要的作用，是聲發射故障診斷的關鍵裝置，而光纖光柵傳感技術在安全性、長期穩定性、可靠性和長壽命等方面具有獨特優點，其固有的優勢必會在不久的將來取代傳統的傳感技術，也必將會受到越來越多的重視。

關鍵詞：

聲發射；壓力容器；光纖光柵傳感器

0引言

聲發射，是在材料受外力或者內力作用發生變形或斷裂，以彈性波釋放出應力－應變的一種常見的物理現象。聲發射技術是借助于聲發射檢測系統對聲信號進行記錄、分析，并以此推斷聲發射源性質的技術，已經廣泛應用于各種結構或材料的穩定性評價。

1聲發射技術的原理及應用

聲發射檢測技術的基本原理如圖1所示：通過聲發射源釋放出的彈性波，經介質傳播到達被檢體表面，聲發射傳感器將攜帶的缺陷信息由彈性波轉變為電信號，再經放大、處理，記錄和顯示獲得的信號波形，分析評定材料特征參數或內部結構的缺陷情況。聲發射檢測技術在我國壓力容器檢測中成功的推廣和應用的具體原因在于：一方面在不損傷構件的條件下在線監測缺陷動態信息，及時提供構件的疲勞與損傷程度，確保了這些壓力容器的安全運行；另一方面，聲發射檢測技術可以用于復雜環境中的檢測，對被測構件幾何形狀尺寸不敏感，對構件的線性缺陷較為敏感，可以提供缺陷隨著載荷、時間、溫度等變量變化的實施連續信息，大大縮短了壓力容器的檢驗周期。聲發射技術廣泛應用在國防和國民經濟的各領域，汪鼎對氨制冷設備中檢測問題的研究，采用聲發射技術可以正確檢驗氨制冷設備、對氨制冷容器進行在線檢驗，保障制冷設備的正常運行提供了可靠的依據；張宏把聲發射技術用于鍋爐泄露的實時監測問題，利用聲發射泄漏檢測技術定位缺陷部位，進行監測泄漏；M．B．Bakirov等人對核電站設備高級別金屬老齡化進行檢測和診斷。總之，隨著新一代全數字化聲發射儀器和功能強大的信號處理軟件的問世，以及人們對聲發射檢測技術更深層次的認識，聲發射技術在未來將經歷一個新的更高層次發展的階段。下面對聲發射檢測技術的每個環節進行簡單的介紹。

2聲發射源

聲發射源，具體是指聲發射試件的物理源點或者出現聲發射波的機制源。研究聲發射的微觀起源有助于人們決定產生聲發射的可能性，并以此去檢測聲發射的參數以區別它們。構件因在外力的作用下產生變形，在變形的過程中外力所做的功轉變為儲存于構件的應變能，其在釋放的過程中產生彈性波是材料產生聲發射的源；另外，構件內部各部分之間因相對位置發生變化而引起的相互作用時產生塑性變形也會導致聲發射。例如，壓力容器碰撞外部腳手架、支撐平臺等可以形成機械摩擦聲發射信號；此外，容器殼體利用焊縫焊接，在加壓過程中，殼體膨脹造成各部分的摩擦以及壓力容器焊縫表面裂紋與內部深埋裂紋的尖端塑性形變極有可能形成大規模的聲發射信號；氣孔、夾渣、未熔合與未焊透問題導致的開裂和擴展以及斷裂非金屬渣物出現在壓力容器焊縫內進而形成了聲發射信號；針對新制壓力容器第一次加壓或者正在使用的壓力容器，焊縫修理位置容易產生焊接殘余應力進而形成聲發射信號。

3聲發射傳感器

聲發射檢測中的傳感器屬于接收換能器，它的作用是將材料塑性變形或裂紋產生的彈性波轉換成易于檢測、處理的電信號傳輸給測試系統，以便得到聲發射源的實時信息。靈敏度與工作頻率是傳感器最重要的兩大性能指標，要根據所測材料的聲發射頻率選擇靈敏度高的傳感器，爭取接收到聲發射發生過程中產生的所有聲發射信號。目前廣泛采用的聲發射傳感器主要有壓電式和電容式。壓電式聲發射傳感器如圖2所示，主要由殼體、壓電元件、阻尼劑、保護膜和電纜組成，最常見的壓電元件為陶瓷晶體，壓電陶瓷晶體本身阻抗低、波形穩定、介電損耗低，做成的壓電陶瓷傳感器可以精確完成對力、振動、加速度、速度等非電量的測量。但是壓電式傳感器也存在工作頻率較窄、不能接觸腐燭環境、易受電磁干擾等缺點。電容式聲發射傳感器如圖3所示。聲發射檢測中，將被測構件表面作為電容器旳一塊極板，當聲發射波傳至電容器時，構件相應表面的振動位移變化導致電容器的電容發生變化，電容器將有相應于聲波頻率的交變信號輸出。電容式聲發射傳感器有較高靈敏度強、適應性強、精度高，缺點是價格比較高，操作比較復雜，靈敏度低。伴隨著光纖光柵傳感技術的迅速發展，基于光纖光柵傳感原理的聲發射傳感器是最近研究較多的新型傳感器之一。如圖4所示，光纖光柵傳感器是借助某種裝置把被參量的變化轉換為作用于光纖光柵上的應變與溫度的變化，引起諧振波長的變化，光纖布拉格光柵的諧振方程可表示為：λB＝2n•Λ其中λB為光纖光柵的波長；n為有效折射率；Λ為光柵周期。可見，波長取決于光柵周期和纖芯膜的有效折射率，而引起這兩個參量改變的常見原因是溫度和應變。當光柵受到拉伸或者擠壓時，光柵的周期也會隨之改變，纖芯膜的有效折射率也會發生相應的改變；而材料本身會熱脹冷縮，溫度的變化在任何情況下都難以避免，溫度的變化便引起周期和有效折射率的變化，因此，無論應變還是溫度發生變化，光柵的周期或纖芯折射率將發生變化，從而引起反射光的波長發生變化，通過測量變化前后反射光波長的變化，就可以獲得待測物理量的變化情況。如圖5所示，利用光纖光柵傳感器檢測化壓力容器的聲發射信號，并對測量信號進行理論建模和仿真分析處理；同時根據檢測參數的信號解調，對聲發射條件下的試驗研究、檢測模型進行分析，根據得到不同的結果調整參數改進檢測模型，多次進行實驗研究，總結相關規律得出相應的結論，最終實現壓力容器裂紋有無和程度的檢測。光纖光柵傳感器具有本質安全、穩定性好、環境適應性強、抗電磁干擾、可以在一根光纖上布置多個光柵實現多點多參數測量，以及尺寸小、重量輕、體積小，易于實現嵌入安裝等特點，非常適合對處在惡劣環境中構件進行長期實時在線安全監測。楊斌、段鵬基于電阻應變法和光纖光柵傳感技術，開展了針對水電站壓力鋼管運行全過程的應變形變特點的比對試驗研究，有利于水電站壩內壓力鋼管明管段等潮濕腐蝕環境下的長期健康性能監測；劉豐年、李娜提出利用光纖光柵傳感技術對管道腐蝕進行實時在線監測，通過試驗和建模分析驗證了可行性；Roberts，Damon等也提出利用光纖在立管，油管完整性監測。但是光纖光柵傳感器在傳感信號的解調、可復用光柵的數目受到限制、如何實現大范圍且快速準確實時測量、如何正確地分辨光柵波長變化的原因等問題都有待發展。

4信號放大、分析、處理

目前，小波分析和人工神經網絡等新型的信息處理技術，已經發展成為當代科學技術發展的重要組成部分。因此如何結合聲發射信號的特點，將這些新型信息處理技術引入聲發射信號處理領域，充分利用這些信號處理手段，研究具有更高性能的聲發射信號處理系統和更有效的聲發射源識別方法，對于提高聲發射源定性、定量和定位的精確程度，加快我國聲發射技術的研究和聲發射儀器性能的提升，具有重要理論意義和實際應用價值。

4．1小波分析小波分析

可以描述某一頻譜信息對應的時域信息，在聲發射信號去噪、特征提取、聲發射源的定位和識別研究中被廣泛采用，由于聲發射信號與噪聲在小波變換下的行為各不相同，二者可以被分離出來，并利用這種方法對聲發射信號進行有效的信噪分離，得到人們真正感興趣的聲發射信號。張萬嶺等通過結合不同的探頭、改造標準試塊，檢測出厚壁壓力容器的缺陷，并總結出探頭的適用厚度范圍；張海燕、郭建平等將小波包去噪法成功應用于超聲波缺陷信號的降噪處理，降噪效果良好；FairouzBettayeb等成功將小波包分析法應用于超聲檢測中干擾信號的處理，同時解決了壓力容器缺陷的精確定位問題；Fedi、Bacchelli對多小波降噪進行了具體研究，并取得了不錯的效果。但是，由于聲發射檢測技術是一門實用性技術，現有的很多聲發射小波分析研究仍處于初級階段，諸如小波譜、小波相干性等新方法、新技術，因此把小波分析引入到聲發射檢測工程中，解決實際工程問題需要進行更深層次的研究。

4．2人工神經網絡

人工神經網絡具有自主學習的能力、聯想存儲的能力、高速尋找并且尋找優化方式的能力。作為一門活躍的邊緣性交叉學科，神經網絡的研究與應用正成為人工智能、認識科學、神經生理學、非線性動力學等相關專業的熱點。近十幾年來，針對神經網絡的學術研究非常活躍，黃新民把神經網絡技術用到聲發射源定位當中，準確地推斷出結構損傷位置，且精度有較大的提高；阮羚、謝齊家等提出了一種基于人工神經網絡和信息融合技術的變壓器狀態評估方法，提高變壓器狀態評估的時效性和準確性。在對人工神經網絡進行優化的研究中，首當其沖的問題就是要尋找一個合適的優化算法解決最優化問題，人門面提出上百種的神經網絡模型，涉及模式識別、聯想記憶、信號處理、自動控制、組合優化、故障診斷及計算機視覺等眾多方面，取得了引人注目的進展。但是，人工神經網絡的適用范圍有限，難于精確分析神經網絡的各項性能指標；是對數字計算機的補充，不能保證絕對的準確性；結構單一，體系不夠簡潔，通用性差等缺點。

5結論

聲發射技術作為一種新型動態監測方法，在無損檢測技術中占有重要地位，雖然經過多年的發展，已經有了比較成型的理論系統，并且在一些工程檢測中得到了較為有效的應用，但聲發射技術在實際工程檢測中仍存在著許多不足之處有待完善。尋求探索新的更完善、更有效的信號處理方法可有力的推動聲發射檢測技術的發展與進步，而將光纖光柵傳感器技術與信息融合技術、嵌入式技術、故障診斷技術和可靠性技術、網絡技術等學科結合起來，提出聲發射－光纖光柵分布傳感損傷檢測的新方法，基于創建的嵌入式動態監測方法，建立適于大型動力裝置狀態監測與故障診斷的理論與技術，開展聲發射條件下的損傷分布動態檢測原理和方法的研究，具有鮮明的特色和創新，必將得到廣泛的應用。

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作者:霍俊杰 譚昕 孟麗君 單位:江漢大學機電與建筑工程學院