聲發(fā)射在港口設(shè)備安全評估中的應(yīng)用

摘要：本文介紹了當前我國港口起重機械的安全評估方法和使用現(xiàn)狀，以及對當前港口起重機械結(jié)構(gòu)主要失效模式進行了分析；裂紋類缺陷是導(dǎo)致港機結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一，所以基于斷裂力學(xué)的安全評估方法更為準確有效。聲發(fā)射技術(shù)作為檢測活動裂紋的有效手段被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，在港口機械結(jié)構(gòu)安全評估中也得到應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：港口機械 斷裂力學(xué) 安全性評估 聲發(fā)射技術(shù)

港口起重機械評估方法及現(xiàn)狀簡介

1. 港機結(jié)構(gòu)主要失效模式

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，我國各個港口也在不斷的提升其作業(yè)能力。作為世界上港口年吞吐量最大的國家，每年有大量的新港機要投入使用，同時這些設(shè)備也日趨大型化、系統(tǒng)化。這些大型設(shè)備的安全使用關(guān)乎國計民生，然而令人遺憾的事故還是時有發(fā)生，特別是港口大型設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)的失效事故，損失巨大，大部分事故均在正常作業(yè)狀態(tài)下發(fā)生。引起港口起重機金屬結(jié)構(gòu)失效的故障主要有裂紋、局部或整體變形、折斷、銹蝕、剛度不足等形式，對這些失效事故進行綜合分析發(fā)現(xiàn)，裂紋是目前港口起重機的主要故障形式。

2、港機結(jié)構(gòu)安全評估方法發(fā)展現(xiàn)狀

綜合國內(nèi)外的發(fā)展情況，目前的研究對象大多數(shù)是機械零件或機械傳動件，研究手段從理論上講多是用疲勞、振動和可靠性理論，在方法上是測試、數(shù)據(jù)分析與控制。對大型金屬結(jié)構(gòu)，尤其是受變載、重載的港口起重機械含缺陷鋼結(jié)構(gòu)的安全評估技術(shù)、維修及護理方面的研究尚未廣泛與深入開展，也未形成適合各港口機械特點的系統(tǒng)的安全性檢測、分析與評估方法。目前，國內(nèi)港口起重機械的安全評估，主要是進行結(jié)構(gòu)疲勞分析與壽命評估，采用名義應(yīng)力法，但有些因素嚴重影響了名義應(yīng)力法開展結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析與安全評估的準確性和可靠性。因此，以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的安全評估方法迅速發(fā)展并廣泛應(yīng)用在航空航天、壓力容器、汽車工業(yè)、橋梁檢測等行業(yè)。聲發(fā)射技術(shù)作為檢測活動裂紋類缺陷的先進手段也被廣泛的應(yīng)用。

聲發(fā)射技術(shù)

1、聲發(fā)射技術(shù)原理

材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(AE)，聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象，大多數(shù)材料變形和斷裂時有聲發(fā)射發(fā)生，但許多材料的聲發(fā)射信號強度很弱，人耳不能直接聽見，需要借助靈敏的電子儀器才能檢測出來，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)射技術(shù)。聲發(fā)射是以瞬態(tài)應(yīng)力波的形式迅速釋放其內(nèi)部積累的應(yīng)變能的過程，聲發(fā)射檢測技術(shù)就是利用材料的聲發(fā)射現(xiàn)象，對材料中動態(tài)活動缺陷進行推斷的無損檢測技術(shù)，它是一種動態(tài)無損檢測方法，可以長期連續(xù)地監(jiān)測在役工程結(jié)構(gòu)主要部位缺陷的發(fā)展變化，從而及時提供安全預(yù)警信息；并且它是一種“被動”探傷技術(shù)，即無需發(fā)射探測信號，而是利用傳感器監(jiān)聽結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)出的聲波信息，對服役的工程結(jié)構(gòu)幾乎不會造成影響和妨礙，因此，聲發(fā)射檢測技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。

2、聲發(fā)射檢測的優(yōu)點

聲發(fā)射檢測方法在許多方面不同于其它常規(guī)無損檢測方法，其優(yōu)點主要表現(xiàn)為：

（1）聲發(fā)射是一種動態(tài)檢驗方法，聲發(fā)射探測到的能量來自被測試物體本身，而不是象超聲或射線探傷方法一樣由無損檢測儀器提供；（2）聲發(fā)射檢測方法對線性缺陷較為敏感，它能探測到在外加結(jié)構(gòu)應(yīng)力下這些缺陷的活動情況，穩(wěn)定的缺陷不產(chǎn)生聲發(fā)射信號；（3）在一次試驗過程中，聲發(fā)射檢驗?zāi)軌蛘w探 測和評價整個結(jié)構(gòu)中活性缺陷的狀態(tài)；（4）可提供活性缺陷隨載荷、時間、溫度等外變量而變化的實時或連續(xù)信息，因而適用于工業(yè)過程在線監(jiān)控及早期或臨近破壞預(yù)報；（5）由于對被檢件的接近要求不高，而適于其它方法難于或不能接近環(huán)境下的檢測，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及極毒等環(huán)境；（6）對于在用設(shè)備的定期檢驗，聲發(fā)射檢驗方法可以縮短檢驗的停產(chǎn)時間或者不需要停產(chǎn)；（7）對于設(shè)備的加載試驗，聲發(fā)射檢驗方法可以預(yù)防由未知不連續(xù)缺陷引起系統(tǒng)的災(zāi)難性失效和限定系統(tǒng)的最高工作載荷；（8）由于對構(gòu)件的幾何形狀不敏感，而適于檢測其它方法受到限制的形狀復(fù)雜的構(gòu)件。

聲發(fā)射技術(shù)在結(jié)構(gòu)安全評估中的應(yīng)用

1、聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用

目前聲發(fā)射技術(shù)作為一種成熟的無損檢測方法，已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，主要包括：

（1）石油化工工業(yè)；（2）電力工業(yè)；（3）材料試驗；（4） 民用工程；（5） 航天和航空工業(yè)；（6） 金屬加工；（7） 交通運輸業(yè)。

2、聲發(fā)射技術(shù)在港口機械安全評估中的應(yīng)用概況

港口起重機是一種頻繁作業(yè)的起重機，它的小時循環(huán)作業(yè)次數(shù)可以說是起重機中之最，其連續(xù)作業(yè)時間通常為3～5天。因此，停機檢測獲取結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)會帶來諸多不便，聲發(fā)射技術(shù)可以在不停機的狀態(tài)下對設(shè)備進行檢測。目前，聲發(fā)射技術(shù)也大量應(yīng)用于港口大型機械的缺陷檢測。國際上發(fā)達國家港口設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)的檢測和檢測已經(jīng)開始使用攝發(fā)射技術(shù)。

在我國自2003年開始，北京航空航天大學(xué)鐘群鵬院士課題組就展開了聲發(fā)射技術(shù)在港口設(shè)備安全評估中的應(yīng)用研究，對港口常用起重設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)進行聲發(fā)射檢測和評估，構(gòu)建了一套對大型港口機械設(shè)備安全檢測和安全評估的思路和方法。

3、聲發(fā)射技術(shù)在港口機械安全評估試驗中的應(yīng)用

3.1試驗概況

本次試驗檢測的裝船設(shè)備全長28米，門架高7.5米，寬4.2米。根據(jù)總圖確定測點及位置，選擇11個測點進行布置。主要檢測車輛擋板處的主要焊縫。本次試驗所用檢測設(shè)備為美國PAC公司全數(shù)字式24通道μSAMOS聲發(fā)射系統(tǒng)，聲發(fā)射檢測門檻40dB，頻率帶寬100～400KHz。傳感器的類型為R15I，內(nèi)置40db的前放。傳感器采用磁性吸座方式固定在被檢件上。

3.2加載工況

該設(shè)備中受力集中處為門架底部車輛擋板處，每當載荷車倒車入位到引橋門架處對該處結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用力。加載工況：載荷車滿載停在接近引橋位置，試驗開始重車按照設(shè)計時速倒車形勢通過引橋，到達門架下位置，停車將物料傾瀉至滑板，回到原出發(fā)位置。

3.3數(shù)據(jù)分析

本次試驗按照加載工況共進行8次，每次載荷車運行狀態(tài)改變時都加有時間標簽，有利于按階段分析數(shù)據(jù)。下圖是test001中典型通道的幅值對時間變化圖。從圖中可以看出有很多聲發(fā)射信號。但是幅值超過80db的較少。根據(jù)分析這些信號大多是車輛移動及撞擊和傾瀉產(chǎn)生的噪聲信號。并且，在定位數(shù)采集圖中，僅水平焊縫處采集到較少的定位信息，但是采集到的信號也比較分散。

通過對8次試驗數(shù)據(jù)的分析可以看出，在工作載荷下該設(shè)備關(guān)鍵位置處焊縫存在缺陷概率較低，根據(jù)定位信息，進一步使用超聲波進行詳細探傷試驗，得出結(jié)論與聲發(fā)射結(jié)論一致。整個被測結(jié)構(gòu)聲發(fā)射信號活性和強度均沒有達到活動缺陷產(chǎn)生的數(shù)值，該設(shè)備門架下位置未產(chǎn)生裂紋類嚴重缺陷。

結(jié)束語

根據(jù)國內(nèi)外港機技術(shù)的發(fā)展，以及國際航運技術(shù)發(fā)展的新特點，今后一個時期，港口起重機械主要發(fā)展趨勢是發(fā)展大型、專用的裝卸機械。標準化、系列化、規(guī)范化等。聲發(fā)射技術(shù)在大型港口機械結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測中是不可或缺的重要部分。在此研究方向上還有很多需要開展的工作，例如，在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的挖掘和現(xiàn)場噪聲等干擾信號的濾除和分析等。

（作者單位：交通運輸部水運科學(xué)研究院）