聲發(fā)射檢測技術(shù)在水利水電工程上的應(yīng)用

聲發(fā)射檢測技術(shù)在水利水電工程上的應(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?？山鉀Q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(jī)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(qiáng)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(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、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)。
????? A ET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(jī)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(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(jìn)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(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(kuò)展的缺陷，這意味著與缺陷尺寸無關(guān)。而是顯示正在擴(kuò)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(kuò)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(jī)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(jìn)行實時監(jiān)控檢測，既可彌補(bǔ)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(yùn)行安全做出評估。
????? 2.AET技術(shù)對擴(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(jī)梁、高架門機(jī)等），這種特性更明顯。
????? 4.聲發(fā)射法一個重要特性是能進(jìn)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(jìn)行，不會因使用了聲發(fā)射檢測而延長試驗工期。檢測費(fèi)用也較低，特別是對于大型構(gòu)件整體檢測，其檢測費(fèi)用遠(yuǎn)低于射線或超聲檢測費(fèi)用。且可以實時地進(jìn)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(jī)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(jī)油缸荷載試驗進(jìn)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(jìn)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(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。監(jiān)控檢測取得了良好的效果。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(kuò)展的裂紋。這是常規(guī)無損檢測方法所不能發(fā)現(xiàn)的。該裂紋做的磁粉檢測顯示的磁痕見照片1。
????? 可以預(yù)計，在我國水利水電工程上，使用聲發(fā)射檢測技術(shù)對金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備進(jìn)行檢測和安全評定將得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用，所發(fā)揮的社會經(jīng)濟(jì)效益將愈來愈顯著。