声发射技术及其在锅炉四管检测中的应用

声发射技术及其在锅炉四管检测中的应用

吉林省第四届科学技术学术年会６４５

声发射技术及其在锅炉“四管”检测中的应用

赵勇

长春１３００３１）（大唐长春第二热电有限责任公司

摘要：介绍了声发射检测的基本原理，综述了近年来声发射技术的发展状况。在对“四管”失效机理分析的基础上，对比分析了声发射技术－９常规无损探伤技术的差异，最后介绍了声发射技术在锅炉“四管”检测中的应用。

关键词：声发射锅炉“四管’’检测

锅炉的主要承压部件是水冷壁、过热器、再热器、省煤器，简称锅炉“四管”。是电厂锅炉的主要受热面。由于锅炉“四管”既要承受工质的高压力作用，又处于很高的温度环境下，同时又受燃料的硫份、灰份等的侵蚀，其工作条件较为恶劣，因此，随着电站锅炉的大型化及运行参数的提高，导致锅炉“四管”爆破及泄漏事故发生。目前，锅炉“四管”的爆破泄漏事故是火力发电厂最频发的事故，是影响机组稳定可靠运行的关键因素。据统计，２００１～２００５年问，全国２００ＭＷ以上机组机炉电事故总次数为３００４次，其中锅炉事故１９７６次，而锅炉中的爆管事故为１４１７次，占总事故次数的４７％，占锅炉事故的７２％；锅炉“四管”泄漏引起非计划停运时间约占机组整个非计划停运时间的４０％，少发电量占机组全部事故少发电量的５０％左右。常规的无损探伤方法只能检出锅炉管中的气孔、夹杂、裂纹等静态缺陷，没有考虑受力状态下的动态变化因素，不能判断构件是否安全。同时由于探伤方法的限制，容易导致漏检。由于锅炉“四管”长期工作在高温高压下，很容易因材料疲劳、腐蚀等产生裂纹。在裂纹成核、扩展直至开裂之前的应力集中阶段，金属内部的晶粒都将发生重新排列，产生微弱声发射信号；当金属应力集中达到一定程度时，材料开裂同时释放大量应变能，因此产生很大的声发射信号；如果发生泄露，则管内的高压流体由裂缝处向外喷射，形成高速射流，高速流体对壁面产生激励作用和摩擦，产生声发射波，此弹性波沿金属表面传播，遇到界面后发生反射和折射。利用上述声信号可以很好地对管道损伤和泄漏进行监测。因此，声发射技术的研究显得非常的必要。近年来，声发射技术取得了较大进展，其克服了常规无损检测的缺点，可以得到检测部件在运行时缺陷的动态信息。在无损检测中的地位越来越重要。用声发射对承载设备的监听，对结构材料中的“动态”缺陷进行检测和定位，以评定结构的完整性。声发射检测不必像其他常规探伤方法“必须充分接近缺陷位置”和“逐一扫描”才能进行检验，而是靠有限的几个“固定不动的”传感器就有可能对整个设备的完整性做出评定。可判断是否有裂纹产生、是否有泄漏，并获知泄漏程度。具有劳动强度低，易于操作，结果可靠等优点。

１声发射检测原理

当材料或结构受外力或内力作用时，由于其微观结构的不均匀，内部缺陷的存在，导致了局部应力集中，造成不稳定的应力分布。当这种不稳定应力分布状态下的应变能积累到一定程度时，不稳定的高能状态一定要向稳定的低能状态过渡，这种过渡是以塑性变形、快速相变、裂纹的产生、发展直至断裂等形式来完成。在此过程中，应变能被释放，其中一部分是以应力波的形式快速释放出来的弹性能，这种以弹性波形式释放出应变能的现象叫做声发射。由于这种声发射弹性波能反映出材料的一些性质，故采用检测声发射信号的方法，可以判断材料或设备的某种状态，即声发射监测。

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根据声发射信号的特点，可以把声发射信号分为突发型和连续型两种。连续型信号由一系列低幅值和连续信号组成，这种信号对应变速率敏感，主要与材料的位错和交叉滑移等塑性变形有关。突然型信号是由高幅值、不连贯、持续时问为微秒级的信号组成，主要与材料中的堆跺层错的形成和机械孪晶以及裂纹的形成和断裂过程有关。

从总体上来说，声发射的产生是材料中局部区域快速卸载，弹性能得到释放的结果，声发射快速卸载的时间决定了声发射信号的频谱。卸载时间越短，能量释放越快，声发射信号的频率越高。对于不同的材料和不同的声发射产生形式，声发射信号的频率范围是不一样的，从次声、音频信号，直到数十兆赫兹的超声信号，幅度范围可从几微伏到上百伏。从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射换能器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。固体介质中局部变形时，不仅产生体积变形，而且产生剪切变形，因此将激起两种波，即压缩波和切变波，它们以不同的速度在介质中传播，当遇到不同介质的界面时会产生反射和折射。因此，声发射波的传播规律与固体介质的弹性性质和几何形状密切相关。实际情况下，波在固体介质中的传播都伴随有衰减现象发生。波传播的几种主要衰减因素为：几何衰减、色散衰减、散射和衍射衰减、由能量损耗机制引起的衰减等。在实际结构中，上述所有机制都使声发射信号得到衰减，但衰减最终只能通过实验来测得在外力或内力作用下，材料内局部源迅速释放能量而产生瞬态弹性波的现象称为声发射。

声发射检测技术的基本原理就是利用耦合在试样或结构表面上的压电晶体换能器，将材料内声发射源产生的弹性波转变为电信号，然后应用灵敏的电子仪器将这些电信号加以放大和处理使之特性化，并加以显示和记录，从而获得材料内声发射源的动态信息。反之，通过分析检测过程中声发射仪所获得的声发射信号的特征和各种统计参量数据，可以推知材料内部的缺陷状态及严重程度。若考虑背景噪声和其它辅助信息则声发射检测原理见图１。

图１声发射检测原理图

２声发射仪器的进展

自１９６５年美国的Ｄｕｎｅｇａｎ公司首次推出声发射商业仪器发来。声发射的硬件技术已经历三十多年的更新发展。从具有代表性的技术更新来看，这三十多年主要分为三个阶段。第一阶段１９６５～１９８３年，这一阶段主要是参数式声发射仪器的发展。这其中包括声发射传感器、前置放大器、模拟滤波技术以及特征提取硬件技术的完善与发展。然而由于硬件技术本身存在的缺陷，如增益过大易于导致前置和后置放大器阻塞；模拟滤波难以处理一些噪声信号；由于各个通道的信号采集、传递、计算、存储和显示都要占中央处理单元的时间，不但速度慢而且系统极易出现闭锁状态等。

自１９８３。１９９４年是声发射仪器发展的第二阶段，以美国物理声学公司（ＰＡＣ）１９８３年开发的国际上第一套参数型数字式声发射系统ＳＰＡＲＴＡＮＴ为代表。该系统采用专用模块组合式，第一次引进了计算机技术，把采集功能和存储及计算功能分离，并且利用ＩＥＥＥ４８８标准总线和利用并行处理技术解决实时采集和

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处理。该仪器是模拟和数字结合的模式，使得声发射仪的可靠性大大提高，由此也推动了声发射应用技术的发展，使得在国际上声发射许多领域的应用也由初期发展到完善，形成了数个国家的某些相应标准。

１９９４年至今，波形式声发射仪器的问世可以说是声发射仪器发展的第三个阶段。该波形式声发射仪的主要特点是：由ＡＥ传感器接受到的声发射信号经过放大器放大后，直接经高速刖Ｄ变换器转换为数字信号后，再提取各种相应的特征量，而不象早期的“准 …… 此处隐藏：4152字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……