聲發(fā)射技術(shù)在電站鍋爐檢測中的應(yīng)用

林 彤，汪文有，孔德連

（1.福建省特種設(shè)備檢測研究院，福州 350000；2.美國物理聲學(xué)公司（PAC）北京代表處，北京 100029）

超臨界鍋爐運行在高溫高壓環(huán)境下，對金屬管道的材質(zhì)、性能等參數(shù)的要求高于通用條件下的金屬材料，由于運行狀態(tài)下對溫度、應(yīng)力的控制難以把握，瞬時或短時超壓現(xiàn)象時常存在，溫度的升高使得管道的材質(zhì)在極限工況下的微觀成分發(fā)生改變，強(qiáng)度降低，韌性變差，內(nèi)部原有缺陷產(chǎn)生能量的累積，使得缺陷部位的應(yīng)力集中程度不斷提高，導(dǎo)致新裂紋的萌生擴(kuò)展。長期在該種高溫高壓工況下運行使得金屬材質(zhì)微觀組織劣化，其特點是損傷萌生－累積－擴(kuò)展持續(xù)發(fā)生的過程，最終導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展與貫通，出現(xiàn)泄漏和爆管事故。

作者采用聲發(fā)射技術(shù)在鍋爐水壓試驗過程中對聯(lián)箱管座焊縫損傷的變化進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，在復(fù)雜的干擾噪聲中找到損傷活動信號，通過分析損傷產(chǎn)生聲發(fā)射的機(jī)理，得到表征焊縫裂紋活動過程的信號特征。

1 疲勞損傷與聲發(fā)射監(jiān)測原理

1.1 聲發(fā)射機(jī)理

材料中局部區(qū)域快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象叫做聲發(fā)射，固體材料中內(nèi)應(yīng)力的變化產(chǎn)生聲發(fā)射信號，在材料加工、處理和使用過程中有很多因素能引起內(nèi)應(yīng)力的變化，如位錯運動、孿生、裂紋萌生與擴(kuò)展、斷裂、相變、磁疇壁運動等變化。根據(jù)觀察到的聲發(fā)射信號進(jìn)行分析與推斷從而了解材料產(chǎn)生聲發(fā)射的機(jī)制。聲發(fā)射是一種動態(tài)檢驗方法，對線性缺陷較為敏感，在一次試驗中，能夠整體探測和評價整個結(jié)構(gòu)中缺陷的活動狀態(tài)。

基于以上機(jī)理，對于材料的微觀形變和開裂以及裂紋的發(fā)生和發(fā)展過程，可以利用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)來提供它們的動態(tài)信息。聲發(fā)射源往往是材料災(zāi)難性破壞的發(fā)源地，由于聲發(fā)射現(xiàn)象往往在材料破壞之前就會出現(xiàn)，因此只要及時捕捉這些信息，根據(jù)其聲發(fā)射信號的特征及其信號強(qiáng)度，就可以推論得知聲發(fā)射源的目前狀態(tài)以及它形成的歷史并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)報。

1.2 疲勞損傷聲發(fā)射監(jiān)測原理

疲勞損傷是指材料或結(jié)構(gòu)在交變載荷作用下由于機(jī)械、物理、化學(xué)等因素導(dǎo)致其力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劣化的結(jié)果。工程結(jié)構(gòu)中焊縫連接處由于交變載荷作用容易產(chǎn)生疲勞損傷，其發(fā)生、發(fā)展歷程由位錯－滑移－微觀裂紋－裂紋擴(kuò)展－斷裂等階段組成。根據(jù)損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)原理可知，裂紋萌生、穩(wěn)定、擴(kuò)展直至最后斷裂的過程是一個能量累積和快速釋放的過程。能量的釋放包括表面能、熱能、彈性能等形式，其中的彈性能以應(yīng)力波的形式釋放出來，產(chǎn)生聲發(fā)射。聲發(fā)射信號包含了信號源處的有效信息，通過監(jiān)測分析裂紋損傷在疲勞載荷作用下的聲發(fā)射信號，有助于了解裂紋及結(jié)構(gòu)的變化情況，進(jìn)而對材料或結(jié)構(gòu)件進(jìn)行損傷評價。

鍋爐管道的運行過程中，承受著高溫、高壓的介質(zhì)作用，在介質(zhì)的運動過程中，使得管道處于連續(xù)的振動狀態(tài)，因此其內(nèi)部不連續(xù)部位或原有缺陷在一定的溫度、應(yīng)力和疲勞狀態(tài)下，開始擴(kuò)展，釋放能量，產(chǎn)生應(yīng)力波。聯(lián)箱管座由于其厚壁焊接結(jié)構(gòu)，往往存在焊接殘余應(yīng)力，其在高溫、高壓的環(huán)境條件下運行一段時間之后，便會在焊縫區(qū)內(nèi)部萌生裂紋，并隨著工況的變化而不斷擴(kuò)展－穩(wěn)定－累積－擴(kuò)展的循環(huán)過程。

2 傳感器布置與檢測概況

2.1 傳感器布置

將聯(lián)箱管座（結(jié)構(gòu)如圖1所示）焊縫的結(jié)構(gòu)簡化成錐體結(jié)構(gòu)，采用8個傳感器進(jìn)行同時監(jiān)測，觀察椎體定位分布特征。1，2，3，4號4個傳感器位于焊縫上端聯(lián)箱管座支管管段，5，6，7，8位于焊縫所在直通管段，均布在焊縫周圍。聯(lián)箱管座平面圖如圖2所示，傳感器的分布如圖3所示。在水壓加載試驗前采用超聲波檢測方法，對圖2中支管與聯(lián)箱管座直角大焊縫區(qū)域進(jìn)行100%掃查，利于將聲發(fā)射與超聲波兩種方法的優(yōu)勢互補(bǔ)，提高檢測準(zhǔn)確率。

2.2 檢測準(zhǔn)備和加載過程

采用美國物理聲學(xué)公司的SAMOS 聲發(fā)射系統(tǒng)，搭配DT15I聲發(fā)射一體化探頭（響應(yīng)帶寬為100kHz～400kHz），管座的外徑為404 mm，厚度為87mm，正常工作時內(nèi)部流通介質(zhì)為過熱蒸汽。

加載過程中，起始加載載荷為8.5MPa，加載到10 MPa開始保載進(jìn)行人工點檢，由10 MPa加載到25.4 MPa保載，該載荷為系統(tǒng)的正常工作壓力，保載結(jié)束后更換水泵，由25.4 MPa 開始升壓至25.6 MPa，將水泵進(jìn)行調(diào)整繼續(xù)加載至31.5 MPa，該載荷為本次試驗最高壓力，保載結(jié)束后開始降載，加載過程結(jié)束。

3 數(shù)據(jù)記錄與分析

3.1 試驗記錄

本次檢測的水壓試驗過程控制較好，試驗中間由于更換水泵過程產(chǎn)生了一段不連續(xù)的聲發(fā)射數(shù)據(jù)，但整體加載過程留有較好的記錄。根據(jù)以往數(shù)據(jù)處理結(jié)果，采用了8個傳感器構(gòu)建椎面定位，同時采用兩種環(huán)向線性定位方法，對水壓試驗過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位比較分析。

由幅值隨時間變化的散點圖（圖4）可知，升壓過程信號撞擊數(shù)較多，信號幅值位于40～55dB 之間。開始加壓過程中，由于焊接在管座底管上的支管開始膨脹（支管和焊縫處的氧化皮開裂、摩擦），產(chǎn)生大量的信號，此脆性發(fā)展過程的信號隨著壓力的升高和管體塑性變形的增加，趨于穩(wěn)定和減少。當(dāng)壓力繼續(xù)升高，開始出現(xiàn)間隔性的幅值高達(dá)65dB以上的信號，同時信號的撞擊數(shù)顯著增多，可以表征穩(wěn)定加壓過程的信號，因此濾除掉前期噪聲信號，得到了噪聲干擾較少的聲發(fā)射信號。

圖4 水壓試驗加載過程信號幅值變化

3.2 數(shù)據(jù)分析

由定位圖中的聚類分析，根據(jù)相同大小區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的定位點集中度進(jìn)行聚類等級區(qū)分，在某一區(qū)域出現(xiàn)的定位點越多，表明該處的聚類級別越高，有利于區(qū)分各位置的信號活性情況。由圖5中的聚類分析可知，焊縫處信號源聚類程度較高。圖中數(shù)字1～8代表8個傳感器的位置，字母代表不同聚類區(qū)域，字母順序以z～a倒序排列，且每個聚類所包含的定位事件點數(shù)也在圖中顯示了出來。

圖5 定位和聚類分析圖

聲發(fā)射是一種動態(tài)監(jiān)測方法，可實時在線監(jiān)測焊縫內(nèi)部損傷在外載荷作用下的萌生－擴(kuò)展－破壞等過程。對于已有的損傷在該工況下處于不活動狀態(tài)，則不產(chǎn)生聲發(fā)射信號。一定工況下?lián)p傷的活動程度能夠真實地反映構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的完整性和健康狀態(tài)。

超聲波檢測方法是一種離線檢測，具有精度高的特點，根據(jù)經(jīng)驗可以直觀地判斷內(nèi)部存在的損傷類型與尺寸，但無法判斷該損傷在現(xiàn)有工況下是否繼續(xù)擴(kuò)展。如果按照標(biāo)準(zhǔn)要求，該種管座的超聲波檢測報告可能要求該管座判廢，而實際上，該種結(jié)構(gòu)的厚壁管座仍然具有一定的使用壽命，如果草率地進(jìn)行更換，將造成不必要損失。

此次對聲發(fā)射與超聲波的綜合檢測對比發(fā)現(xiàn)，超聲波檢測出的超規(guī)缺陷具有兩種活動狀態(tài)，一部分缺陷在加壓過程中處于活動狀態(tài)，一部分處于不活動狀態(tài)。通過聲發(fā)射數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，信號活躍的區(qū)域位于圖6中所示的四個部位，其形成的椎面定位如圖5所示。圖7 和圖8 分別為水壓前和水壓后，采用相控陣方法進(jìn)行檢測的結(jié)果，該結(jié)果表明，水壓前后的焊縫缺陷分布部位變化較大，水壓后出現(xiàn)了幾處新的損傷位置，原有缺陷也有擴(kuò)展的跡象。綜合對比分析，超聲波可以發(fā)現(xiàn)靜態(tài)地?fù)p傷區(qū)域位置及損傷的量化信息，聲發(fā)射可以動態(tài)地監(jiān)測損傷在該工況下是否處于活動狀態(tài)，采用超聲波對于活動狀態(tài)下的損傷將進(jìn)行重點復(fù)查，有利于對損傷程度進(jìn)行進(jìn)一步判斷和識別。

圖5和圖6為此次檢測數(shù)據(jù)的錐面定位與環(huán)向線性定位圖。線性定位比較容易理解，環(huán)向線性定位是針對于環(huán)向結(jié)構(gòu)（兩端相連的封閉環(huán)結(jié)構(gòu)）檢測時，線性定位的首尾傳感器之間聲波傳播路徑相通，組成了環(huán)向的定位結(jié)構(gòu)。由于焊縫的縱深在80mm以上，錐面定位算法將會引起較大的誤差，且焊縫的展開結(jié)構(gòu)類似于不規(guī)則橢圓，增大了誤差產(chǎn)生的可能性。因此，錐面定位可以作為定位點的廣域參考范圍進(jìn)行復(fù)查。為了對比需要，將1，2，3，4通道和5，6，7，8通道編成兩組，組成環(huán)向線性定位，針對焊縫在加載過程產(chǎn)生的信號進(jìn)行定位。

4 結(jié)論及建議

（1）將聲發(fā)射實時動態(tài)監(jiān)測與超聲波靜態(tài)檢測方法綜合對比分析，可以有效檢測到水壓過程中焊縫裂紋活動的時間歷程和動態(tài)變化位置，同時可以定量判斷水壓前后損傷變化的嚴(yán)重程度。兩種方法的組合以及相互驗證提高了結(jié)果判斷的可靠性。聲發(fā)射可以實時、動態(tài)地反映構(gòu)件內(nèi)部損傷的變化過程，可以有效地甄別已有損傷的活性狀態(tài)，有利于判別損傷對結(jié)構(gòu)完整性的影響。

（2）聯(lián)箱管座處于高溫、高壓條件下運行，且由于其大范圍、復(fù)雜的焊接工藝會產(chǎn)生較多的焊接缺陷和較大的殘余應(yīng)力，是運行過程裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的源頭，因此，聯(lián)箱管座內(nèi)部往往具有較多的裂紋損傷。

（3）損傷在一定的應(yīng)力載荷條件下往往具有萌生－累積－擴(kuò)展的循環(huán)過程，因此對于厚壁構(gòu)件，不同應(yīng)力狀態(tài)下的損傷變化會交替進(jìn)行，裂紋的擴(kuò)展代表著該處能量的釋放和應(yīng)力集中度的重新分布，當(dāng)滿足下一次擴(kuò)展條件，才會發(fā)生損傷的進(jìn)一步變化。采用聲發(fā)射與超聲波檢測對比分析有利于綜合判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)損傷的嚴(yán)重程度和分布狀態(tài)，同時得到損傷的活性狀態(tài)。

（4）聲發(fā)射和超聲波的檢測結(jié)果的整理和存檔有利于對該種類型聯(lián)箱管座進(jìn)行累計分析，根據(jù)其使用工況和檢測歷史結(jié)果，有利于判斷其內(nèi)部損傷的發(fā)展變化和預(yù)測其使用壽命，對于工廠安排生產(chǎn)過程具有重要指導(dǎo)意義。

（5）通過本次水壓試驗過程的聲發(fā)射監(jiān)測，對于噪聲的排除以及有效信號的處理積累了經(jīng)驗，通過多種事件提取方法的對比分析，實現(xiàn)對信號的快速濾波處理和有效事件的識別。

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