聲發(fā)射技術(shù)在壓力容器中的應(yīng)用與發(fā)展

霍俊杰++譚昕++孟麗君

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

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射；壓力容器；光纖光柵傳感器

中圖分類號：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.25.091

0引言

聲發(fā)射（Acoustic emission，AE），是在材料受外力或者內(nèi)力作用發(fā)生變形或斷裂，以彈性波釋放出應(yīng)力-應(yīng)變的一種常見的物理現(xiàn)象。聲發(fā)射技術(shù)是借助于聲發(fā)射檢測系統(tǒng)對聲信號進(jìn)行記錄、分析，并以此推斷聲發(fā)射源性質(zhì)的技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)或材料的穩(wěn)定性評價。

1聲發(fā)射技術(shù)的原理及應(yīng)用

聲發(fā)射檢測技術(shù)的基本原理如圖1所示：通過聲發(fā)射源釋放出的彈性波，經(jīng)介質(zhì)傳播到達(dá)被檢體表面，聲發(fā)射傳感器將攜帶的缺陷信息由彈性波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺俳?jīng)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(shù)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷情況。

聲發(fā)射檢測技術(shù)在我國壓力容器檢測中成功的推廣和應(yīng)用的具體原因在于：一方面在不損傷構(gòu)件的條件下在線監(jiān)測缺陷動態(tài)信息，及時提供構(gòu)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(fā)射檢測技術(shù)可以用于復(fù)雜環(huán)境中的檢測，對被測構(gòu)件幾何形狀尺寸不敏感，對構(gòu)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(xù)信息，大大縮短了壓力容器的檢驗周期。

聲發(fā)射技術(shù)廣泛應(yīng)用在國防和國民經(jīng)濟(jì)的各領(lǐng)域，汪鼎對氨制冷設(shè)備中檢測問題的研究，采用聲發(fā)射技術(shù)可以正確檢驗氨制冷設(shè)備、對氨制冷容器進(jìn)行在線檢驗，保障制冷設(shè)備的正常運行提供了可靠的依據(jù)；張宏把聲發(fā)射技術(shù)用于鍋爐泄露的實時監(jiān)測問題，利用聲發(fā)射泄漏檢測技術(shù)定位缺陷部位，進(jìn)行監(jiān)測泄漏；M.B. Bakirov等人對核電站設(shè)備高級別金屬老齡化進(jìn)行檢測和診斷?？傊S著新一代全數(shù)字化聲發(fā)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(fā)射檢測技術(shù)更深層次的認(rèn)識，聲發(fā)射技術(shù)在未來將經(jīng)歷一個新的更高層次發(fā)展的階段。下面對聲發(fā)射檢測技術(shù)的每個環(huán)節(jié)進(jìn)行簡單的介紹。

2聲發(fā)射源

聲發(fā)射源，具體是指聲發(fā)射試件的物理源點或者出現(xiàn)聲發(fā)射波的機制源。研究聲發(fā)射的微觀起源有助于人們決定產(chǎn)生聲發(fā)射的可能性，并以此去檢測聲發(fā)射的參數(shù)以區(qū)別它們。

構(gòu)件因在外力的作用下產(chǎn)生變形，在變形的過程中外力所做的功轉(zhuǎn)變?yōu)閮Υ嬗跇?gòu)件的應(yīng)變能，其在釋放的過程中產(chǎn)生彈性波是材料產(chǎn)生聲發(fā)射的源；另外，構(gòu)件內(nèi)部各部分之間因相對位置發(fā)生變化而引起的相互作用時產(chǎn)生塑性變形也會導(dǎo)致聲發(fā)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(fā)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(nèi)部深埋裂紋的尖端塑性形變極有可能形成大規(guī)模的聲發(fā)射信號；氣孔、夾渣、未熔合與未焊透問題導(dǎo)致的開裂和擴展以及斷裂非金屬渣物出現(xiàn)在壓力容器焊縫內(nèi)進(jìn)而形成了聲發(fā)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(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力進(jìn)而形成聲發(fā)射信號。

3聲發(fā)射傳感器

聲發(fā)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(chǎn)生的彈性波轉(zhuǎn)換成易于檢測、處理的電信號傳輸給測試系統(tǒng)，以便得到聲發(fā)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(biāo)，要根據(jù)所測材料的聲發(fā)射頻率選擇靈敏度高的傳感器，爭取接收到聲發(fā)射發(fā)生過程中產(chǎn)生的所有聲發(fā)射信號。目前廣泛采用的聲發(fā)射傳感器主要有壓電式和電容式。

壓電式聲發(fā)射傳感器如圖2所示，主要由殼體、壓電元件、阻尼劑、保護(hù)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(wěn)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(huán)境、易受電磁干擾等缺點。

電容式聲發(fā)射傳感器如圖3所示。聲發(fā)射檢測中，將被測構(gòu)件表面作為電容器旳一塊極板，當(dāng)聲發(fā)射波傳至電容器時，構(gòu)件相應(yīng)表面的振動位移變化導(dǎo)致電容器的電容發(fā)生變化，電容器將有相應(yīng)于聲波頻率的交變信號輸出。電容式聲發(fā)射傳感器有較高靈敏度強、適應(yīng)性強、精度高，缺點是價格比較高，操作比較復(fù)雜，靈敏度低。

伴隨著光纖光柵傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，基于光纖光柵傳感原理的聲發(fā)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(zhuǎn)換為作用于光纖光柵上的應(yīng)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(yīng)變。當(dāng)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(fā)生相應(yīng)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(yīng)變還是溫度發(fā)生變化，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而引起反射光的波長發(fā)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(fā)射信號，并對測量信號進(jìn)行理論建模和仿真分析處理；同時根據(jù)檢測參數(shù)的信號解調(diào)，對聲發(fā)射條件下的試驗研究、檢測模型進(jìn)行分析，根據(jù)得到不同的結(jié)果調(diào)整參數(shù)改進(jìn)檢測模型，多次進(jìn)行實驗研究，總結(jié)相關(guān)規(guī)律得出相應(yīng)的結(jié)論，最終實現(xiàn)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(zhì)安全、穩(wěn)定性好、環(huán)境適應(yīng)性強、抗電磁干擾、可以在一根光纖上布置多個光柵實現(xiàn)多點多參數(shù)測量，以及尺寸小、重量輕、體積小，易于實現(xiàn)嵌入安裝等特點，非常適合對處在惡劣環(huán)境中構(gòu)件進(jìn)行長期實時在線安全監(jiān)測。楊斌、段鵬基于電阻應(yīng)變法和光纖光柵傳感技術(shù)，開展了針對水電站壓力鋼管運行全過程的應(yīng)變形變特點的比對試驗研究，有利于水電站壩內(nèi)壓力鋼管明管段等潮濕腐蝕環(huán)境下的長期健康性能監(jiān)測；劉豐年、李娜提出利用光纖光柵傳感技術(shù)對管道腐蝕進(jìn)行實時在線監(jiān)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(jiān)測。但是光纖光柵傳感器在傳感信號的解調(diào)、可復(fù)用光柵的數(shù)目受到限制、如何實現(xiàn)大范圍且快速準(zhǔn)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(fā)展。

4信號放大、分析、處理

目前，小波分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新型的信息處理技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展成為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要組成部分。因此如何結(jié)合聲發(fā)射信號的特點，將這些新型信息處理技術(shù)引入聲發(fā)射信號處理領(lǐng)域，充分利用這些信號處理手段，研究具有更高性能的聲發(fā)射信號處理系統(tǒng)和更有效的聲發(fā)射源識別方法，對于提高聲發(fā)射源定性、定量和定位的精確程度，加快我國聲發(fā)射技術(shù)的研究和聲發(fā)射儀器性能的提升，具有重要理論意義和實際應(yīng)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(yīng)的時域信息，在聲發(fā)射信號去噪、特征提取、聲發(fā)射源的定位和識別研究中被廣泛采用，由于聲發(fā)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(fā)射信號進(jìn)行有效的信噪分離，得到人們真正感興趣的聲發(fā)射信號。張萬嶺等通過結(jié)合不同的探頭、改造標(biāo)準(zhǔn)試塊，檢測出厚壁壓力容器的缺陷，并總結(jié)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(yīng)用于超聲波缺陷信號的降噪處理，降噪效果良好；Fairouz Bettayeb等成功將小波包分析法應(yīng)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(jìn)行了具體研究，并取得了不錯的效果。但是，由于聲發(fā)射檢測技術(shù)是一門實用性技術(shù)，現(xiàn)有的很多聲發(fā)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(shù)，因此把小波分析引入到聲發(fā)射檢測工程中，解決實際工程問題需要進(jìn)行更深層次的研究。

4.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自主學(xué)習(xí)的能力、聯(lián)想存儲的能力、高速尋找并且尋找優(yōu)化方式的能力。作為一門活躍的邊緣性交叉學(xué)科，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用正成為人工智能、認(rèn)識科學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、非線性動力學(xué)等相關(guān)專業(yè)的熱點。近十幾年來，針對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)術(shù)研究非?；钴S，黃新民把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用到聲發(fā)射源定位當(dāng)中，準(zhǔn)確地推斷出結(jié)構(gòu)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)和信息融合技術(shù)的變壓器狀態(tài)評估方法，提高變壓器狀態(tài)評估的時效性和準(zhǔn)確性。在對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化的研究中，首當(dāng)其沖的問題就是要尋找一個合適的優(yōu)化算法解決最優(yōu)化問題，人門面提出上百種的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，涉及模式識別、聯(lián)想記憶、信號處理、自動控制、組合優(yōu)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(jìn)展。但是，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的適用范圍有限，難于精確分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各項性能指標(biāo)；是對數(shù)字計算機的補充，不能保證絕對的準(zhǔn)確性；結(jié)構(gòu)單一，體系不夠簡潔，通用性差等缺點。

5結(jié)論

聲發(fā)射技術(shù)作為一種新型動態(tài)監(jiān)測方法，在無損檢測技術(shù)中占有重要地位，雖然經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)有了比較成型的理論系統(tǒng)，并且在一些工程檢測中得到了較為有效的應(yīng)用，但聲發(fā)射技術(shù)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(fā)射檢測技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，而將光纖光柵傳感器技術(shù)與信息融合技術(shù)、嵌入式技術(shù)、故障診斷技術(shù)和可靠性技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等學(xué)科結(jié)合起來，提出聲發(fā)射-光纖光柵分布傳感損傷檢測的新方法，基于創(chuàng)建的嵌入式動態(tài)監(jiān)測方法，建立適于大型動力裝置狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的理論與技術(shù)，開展聲發(fā)射條件下的損傷分布動態(tài)檢測原理和方法的研究，具有鮮明的特色和創(chuàng)新，必將得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]李孟源，尚振東等.聲發(fā)射檢測及信號處理[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[2]Naoya Kasai，Kentaro Utatsu.Correlation between corrosion rate and AE signal in an acidic environment for mild steel[J].Corros Sci，2009，51（8）：1679.

[3]Carpinteri Ai，Lacidogna G，Pugno N.Structural damage diagnosis and life-time assessment by acoustic emission monito—ring[J].Eng Fract Mechanics，2007，（74）：273.

[4]許中林，李國祿，董天順等.聲發(fā)射信號分析與處理方法研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報A：綜述篇，2014，28（5）：5659.

[5]胡新東，廖旭東，張宇等.壓力容器聲發(fā)射檢測技術(shù)概述[J].中國材料科技與設(shè)備：材料綜述，2011，（4）：2627.

[6]汪鼎.聲發(fā)射檢測技術(shù)在氨制冷容器中的應(yīng)用[J].化工管理，2016：123124.

[7]張宏.聲發(fā)射技術(shù)在鍋爐泄漏檢測中的應(yīng)用[J].科技與力量：質(zhì)量管理，2016：189.

[8]M.B. Bakirov，V.P.Povarov，A.F.Gromov，V.I.Levchuk[J].Nuclear Energy and Technology，2015，1（1）：27.

[9]耿雪峰.壓力容器聲發(fā)射檢測技術(shù)論述[J].工藝設(shè)計改造及檢測檢修，2015，（3）：5052.

[10]馬廣春，曹玉強.光纖光柵聲發(fā)射傳感系統(tǒng)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

[11]張白莉.電容式傳感器的應(yīng)用和發(fā)展[J].忻州師范學(xué)院學(xué)報，2005，21（2）：2426.

[12]楊斌，段鵬.光纖光柵傳感技術(shù)在水電站壓力鋼管應(yīng)變監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].水電與抽水蓄能，2015，1（2）：7981.

[13]李娜，劉豐年.光纖光柵傳感技術(shù)及其在油氣管道腐蝕監(jiān)測的應(yīng)用研究[D].長沙：湖南工業(yè)大學(xué)，2012.

[14]阮羚等.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和信息融合技術(shù)在變壓器狀態(tài)評估中的應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2014，40（3）：822828.

[15]張萬嶺，祁永剛等.壓力容器對接焊縫超聲波檢測[J].煤礦機械，2013，34（2）：241243.

[16]郭奇，陳小哲.超聲波技術(shù)在壓力容器焊縫檢測中應(yīng)用試驗研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2015.

[17]張海燕，周全等.超聲缺陷回波信號的小波包降噪及特征提取[J].儀器儀表學(xué)報，2006，27（1）：9497.

[18]徐火力.智能超聲檢測技術(shù)在三類壓力容器中的應(yīng)用[J].中國特種設(shè)備安全：無損檢測，2013，29（9）：4649.

[19]Fairouz Bettayeb.Improving the time resolution and signal noise ratio of ultrasonic testing of welds by the wavelet packet[J].NDT&E International，2005，38（6）：478484.

[20]Fedi M.Localized denoising filtering using the wavelet transform[J].Pure and Applied Geophysics，2000，157（9）：14631469.

[21]S Bacchelli.Statistically based multiwavelet denoising[J].Journal of Computational and Application Mathematics，2006：19.

[22]黃新民.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在聲發(fā)射定位中的應(yīng)用[J].邵陽學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，4（2）：2629.