定位集中度對TC4鈦合金環(huán)形壓力容器聲發(fā)射嚴重性評價的影響

劉哲軍,張志超,葛　麗,伍　頌

(航天材料及工藝研究所， 北京 100076)

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定位集中度對TC4鈦合金環(huán)形壓力容器聲發(fā)射嚴重性評價的影響

劉哲軍,張志超,葛麗,伍頌

(航天材料及工藝研究所， 北京 100076)

摘要：通過對TC4鈦合金環(huán)形壓力容器聲發(fā)射數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，結(jié)合容器自身的形狀特點和定位方式，探討了定位結(jié)果對聲發(fā)射嚴重性級別評價的影響規(guī)律，總結(jié)了定位集中度級別劃分的依據(jù)和原則。通過例證說明了在對環(huán)形容器進行聲發(fā)射嚴重性評價時，需根據(jù)定位集中度級別靈活應(yīng)用相關(guān)判據(jù)。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射;定位集中度;TC4鈦合金;環(huán)形壓力容器;嚴重性評價

材料或結(jié)構(gòu)在應(yīng)力作用下釋放出彈性應(yīng)力波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。在液壓驗收試驗過程中對容器整體進行實時聲發(fā)射監(jiān)測并評價聲發(fā)射嚴重性級別，已經(jīng)成為鈦合金壓力容器質(zhì)量評價的重要規(guī)范之一[1]。

受材料制備和加工工藝的影響，鈦合金壓力容器的母材易出現(xiàn)夾雜，成份偏析等缺陷，而焊縫和熱影響區(qū)則容易產(chǎn)生裂紋，夾渣，未熔合，未焊透、成份偏析等缺陷。為盡可能避免缺陷對容器性能的影響，從原材料、半成品再到成品的整個成型過程中，一般要經(jīng)過多次的無損檢測和理化檢驗。在成品交付前配合液壓強度考核逐一進行的聲發(fā)射檢測試驗，是確保鈦合金壓力容器具有足夠的剩余強度和安全余量的重要保證措施之一[2-3]。

檢測標準GJB 2044-94《鈦合金壓力容器聲發(fā)射檢測方法》以保壓延續(xù)時間為主的判據(jù)可以將TC4鈦合金小型(不大于20 L)球形容器(以下簡稱球形容器)的聲發(fā)射嚴重性級別劃分為5個等級。在實際應(yīng)用過程中，由于TC4鈦合金環(huán)形容器(以下簡稱環(huán)形容器)具有焊縫長、定位疊加等特點，其保壓延續(xù)時間較球形容器顯著延長，而易引起環(huán)形容器聲發(fā)射嚴重性級別的誤判。相關(guān)檢測實踐和研究表明[4]，聲發(fā)射定位結(jié)果可以綜合反映容器工藝狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)變化帶來的影響，結(jié)合定位集中度情況對鈦合金壓力容器進行聲發(fā)射嚴重性級別評價更為有效和科學。

筆者在對大量環(huán)形容器聲發(fā)射檢測數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合爆破驗證和其他無損檢測驗證技術(shù)，將環(huán)形容器的定位集中度，按照由輕到重分為A、B、C三級。通過不同定位集中度級別的環(huán)形容器的典型事例來說明：在對環(huán)形容器進行聲發(fā)射嚴重性評價時，不應(yīng)簡單照搬球形容器以保壓聲發(fā)射延續(xù)時間為主的評價方法，還應(yīng)結(jié)合定位集中度情況進行綜合判斷。

1環(huán)形容器結(jié)構(gòu)

環(huán)形容器外觀呈圓環(huán)狀(見圖1)，壁厚僅有幾毫米，使用壓力從十幾兆帕到幾十兆帕不等。環(huán)形容器的一側(cè)環(huán)面上焊有數(shù)量不等的管接頭，管接頭法線與環(huán)形容器的水平面成固定夾角。環(huán)形容器的母材由TC4鈦合金軋制板材經(jīng)沖壓或超塑工藝成型，再經(jīng)機械加工達到設(shè)計尺寸和精度。對原材料及其半成品的嚴格檢測及其較高的成型工藝水平，保證了母材在壓力試驗中基本不會出現(xiàn)危害性活動缺陷。

環(huán)形容器采用激光或電子束等先進焊接技術(shù)進行焊接后最終成型。焊縫為普通對接形式，包括一條內(nèi)環(huán)焊縫、一條外環(huán)焊縫和兩條管口焊縫(見圖1)。無損檢測結(jié)果表明，受焊接應(yīng)力和焊接順序的影響，管接頭焊縫以及內(nèi)環(huán)焊縫更容易產(chǎn)生未焊透、咬邊、錯邊等危害性強的活動缺陷。

圖1　環(huán)形容器外觀以及焊縫分類

2定位方式

聲發(fā)射定位技術(shù)可以提供活動性損傷在被檢對象上的準確位置或區(qū)域信息，可為后續(xù)綜合質(zhì)量評價或產(chǎn)品返修提供重要參考依據(jù)。定位方式選擇的一般原則是：在保證檢測靈敏度的前提下，應(yīng)盡可能選擇適合容器外觀形狀且定位精度較高的定位技術(shù)。

在環(huán)形容器上嘗試進行圓柱面定位和平面定位等二維定位技術(shù)，均因定位偏差太大(不小于15%)、所需傳感器數(shù)量多(不少于8)、操作復雜等原因而失敗。為了適應(yīng)環(huán)形容器這種閉環(huán)結(jié)構(gòu)，經(jīng)反復比較試驗，最終選擇采用環(huán)繞線性定位技術(shù)。

區(qū)別于一般線定位技術(shù)的是，環(huán)繞線性定位算法會默認將定位陣列中的首尾兩個傳感器設(shè)定為相鄰傳感器，從而可以自動關(guān)聯(lián)分析這兩個傳感器所得到的聲發(fā)射撞擊信號，使定位事件自動形成閉環(huán)，從而滿足環(huán)形容器閉環(huán)結(jié)構(gòu)的定位需求。利用環(huán)繞線性定位技術(shù)可以得到聲發(fā)射事件在環(huán)形容器周向上的位置距離。盡管環(huán)繞線性定位技術(shù)在環(huán)形容器的聲發(fā)射檢測應(yīng)用中存在定位信息少，定位重疊等不足，但同時也具有定位精度高(不大于5%)、所需傳感器數(shù)量少(3個)、操作簡單等優(yōu)點。綜合分析后認為，環(huán)繞線性定位技術(shù)是適合于環(huán)形容器結(jié)構(gòu)特點的優(yōu)選定位方式。

為了能夠兼顧內(nèi)環(huán)焊縫和外環(huán)焊縫聲發(fā)射信號的采集，將3個聲發(fā)射傳感器在環(huán)形容器水平面上沿容器周向長度方向均勻布置(見圖2)。為減少管口對聲發(fā)射信號傳播的影響，傳感器不應(yīng)緊靠容器管口進行布置。

圖2　環(huán)形容器環(huán)繞線性定位時的聲發(fā)射傳感器布置實例

設(shè)置檢測門檻為40 dB，調(diào)整所有聲發(fā)射傳感器的耦合靈敏度不低于95 dB。為鑒別管口噪聲，在定位校核時應(yīng)著重在管口焊縫及管口上進行校核，并在定位圖上進行相應(yīng)標記(見圖3)。

圖3　管口位置聲發(fā)射定位校核結(jié)果實例

3定位集中分析

從多年的檢測經(jīng)驗來看，對鈦合金壓力容器聲發(fā)射集中定位在焊縫或熱影響區(qū)、高應(yīng)力區(qū)位置時，其對應(yīng)的爆破強度一般較低，且強度失效的起始位置往往與聲發(fā)射定位集中位置相關(guān)。由于環(huán)形容器的形狀結(jié)構(gòu)以及采用的定位技術(shù)等因素的影響，使得環(huán)形容器比同體積的球形容器更加容易出現(xiàn)聲發(fā)射定位集中。

首先，環(huán)繞線性定位技術(shù)歸根結(jié)底是一種一維定位技術(shù)。該技術(shù)僅能給出一維方向(各聲發(fā)射傳感器連線方向)上的信息，而在垂直于傳感器連線的方向上則無能為力。也即，在定位圖上的一個聲發(fā)射事件所對應(yīng)的X軸坐標近似為該活動性缺陷在環(huán)形容器周向上的坐標值，但不能給出該缺陷在環(huán)形容器徑向和軸向的坐標位置(見圖4)。從一維定位的基本原理可知，相同時差的所有聲發(fā)射事件都會在定位圖的同一個位置進行累積疊加顯示。這也是造成線定位技術(shù)相較二維定位技術(shù)更容易出現(xiàn)定位集中的原因。

圖4　線定位中聲發(fā)射事件與位置對應(yīng)關(guān)系示意

其次，由于環(huán)形容器的特殊形狀，使得相同體積的環(huán)形容器與球形容器相比，焊縫長度會成倍增加。以相同體積的20 L球形容器與環(huán)形容器的焊縫長度進行對比發(fā)現(xiàn)，環(huán)形容器內(nèi)外環(huán)焊縫的總長度約為球形容器的3.3倍，而管口焊縫長度相當。焊縫長度的成倍增加使得活動性缺陷出現(xiàn)的幾率和數(shù)量也會相應(yīng)地成倍增加。表1列出了對62個20 L球形容器和42個20 L環(huán)形容器聲發(fā)射數(shù)據(jù)的均值統(tǒng)計結(jié)果。從表1可直觀看出，環(huán)形容器在事件總數(shù)、80 dB以上高幅度事件數(shù)(以下簡稱高幅度事件數(shù))、保壓事件數(shù)、保壓延續(xù)時間等多個指標上均遠超過球形容器。因此，環(huán)形容器聲發(fā)射事件數(shù)量顯著增加是造成定位集中的另一個原因。

表1　多個20 L球形容器和環(huán)形容器聲發(fā)射

4定位集中度分級

聲發(fā)射集中定位的程度可用定位集中度來衡量。定位集中度是指聲發(fā)射事件數(shù)量在定位圖上分布的不均勻程度，分布越不平均則定位集中度越高。研究認為，定位集中度可由聲發(fā)射事件所在的位置、數(shù)量、特征參數(shù)以及產(chǎn)生壓力等多個因素來綜合表征?？紤]到環(huán)形容器聲發(fā)射事件主要來自焊縫及其熱影響區(qū)，且不同焊縫在聲發(fā)射定位圖上會相互疊加，因而對環(huán)形容器的聲發(fā)射定位集中度的表征應(yīng)重點關(guān)注集中區(qū)內(nèi)的事件累積數(shù)量、幅度以及產(chǎn)生壓力等因素。

經(jīng)過對42件環(huán)形容器聲發(fā)射數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和驗證，制定了一種環(huán)形容器定位集中度級別的表征方法。這種方法主要依據(jù)定位集中區(qū)內(nèi)的最大累積計數(shù)值、高幅度事件數(shù)、保壓事件數(shù)等三個判據(jù)，將定位集中度按照由輕到重的順序劃分為A、B、C三級，詳見表2。

表2　環(huán)形容器定位集中度劃分

根據(jù)表2進行定位集中度級別劃分應(yīng)遵循如下原則：① 判定為A級定位集中度的，需要同時滿足三個判據(jù)。② 判定為B級或C級定位集中度的，只要同時滿足任意兩個判據(jù)即可。③ 若發(fā)生級別判斷沖突時，應(yīng)結(jié)合驗證試驗或其他無損檢測技術(shù)手段進行綜合判斷。

5定位集中度級別對嚴重性判據(jù)的影響

從表1的統(tǒng)計數(shù)據(jù)還可發(fā)現(xiàn)，與同體積的球形容器相比，環(huán)形容器在保壓延續(xù)時間上超出約25倍，保壓事件數(shù)上超出約163倍，高幅度事件數(shù)上超出約76倍。檢測實踐和研究表明，標準GJB 2044-94中對球形容器聲發(fā)射嚴重性進行評價的判據(jù)和原則，對A級定位集中度可完全適用，而對于B級或C級容器則應(yīng)作適當?shù)恼{(diào)整。

5.1　A級定位集中度

圖5為編號A-005環(huán)形容器的聲發(fā)射結(jié)果。從圖中可以看出，在容器整個加壓過程中聲發(fā)射事件數(shù)量較少，信號幅度均不超過80 dB，且保壓過程沒有聲發(fā)射出現(xiàn)。聲發(fā)射隨壓力變化的趨勢為收斂狀態(tài)。從定位圖上可以看出，在整個定位區(qū)域內(nèi)零星分布著幾個定位事件，最大累計計數(shù)值為1。按照表2判斷該容器的定位集中度等級為A級。

圖5　A-005環(huán)形容器聲發(fā)射結(jié)果

圖6為編號A-032環(huán)形容器的聲發(fā)射結(jié)果。從圖可見，定位圖上的最大累積計數(shù)為2，整個試驗過程均無 80 dB以上高幅度事件出現(xiàn)，但在保壓結(jié)束時出現(xiàn)了兩個事件，其位置見定位圖中畫圈處。進一步分析該事件的持續(xù)時間特征參數(shù)(圖6)，發(fā)現(xiàn)該事件的持續(xù)時間特征參數(shù)達到了儀器記錄的上限值。對比試驗前的定位校核結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該事件位置與泄壓管口位置一致，且出現(xiàn)在保壓結(jié)束的泄壓瞬間，因此認定該事件與管口摩擦或震動類機械噪聲相關(guān)，而與管口部位損傷無關(guān)。因此，將該信號排除后，定位累積計數(shù)就不會超標，因此該環(huán)形容器的定位集中度等級還是A級。

圖6　A-032環(huán)形容器聲發(fā)射結(jié)果

對于A級定位集中度的環(huán)形容器進行了爆破驗證，其實際爆破壓力均遠超過設(shè)計爆破壓力，有的安全系數(shù)達到了2.6左右。因此,對于A級定位集中度的環(huán)形容器可直接套用GJB 2044-94標準的小型球形容器聲發(fā)射嚴重性等級判據(jù)進行判定即可。

5.2　B級定位集中度

圖7為B-003環(huán)形容器兩次加壓過程的累積聲發(fā)射結(jié)果。從圖7(a)可以看出，聲發(fā)射最大累計計數(shù)為2，無80 dB以上高幅度聲發(fā)射事件，但保壓過程聲發(fā)射事件計數(shù)達到15個。按照表2，該容器的定位集中度既可判為B級，也可判為C級。為準確判斷定位集中度等級，降壓約1 MPa對該環(huán)形容器進行二次加壓。觀察圖7可發(fā)現(xiàn)，在二次加壓早期出現(xiàn)大量的聲發(fā)射事件，隨著壓力逐漸升高后聲發(fā)射事件消失，二次保壓也沒有聲發(fā)射事件出現(xiàn)，降壓時有一個聲發(fā)射事件，而該事件經(jīng)過驗證分析認為與管口摩擦相關(guān)，可作為噪聲排除。

圖7　B-003環(huán)形容器聲發(fā)射結(jié)果

再對首次保壓過程的事件分布位置與二次加壓聲發(fā)射事件的分布位置進行分析后發(fā)現(xiàn)，這些事件均較為均勻地分布在整個定位區(qū)域內(nèi)，并沒有出現(xiàn)明顯的定位集中。對二次加壓升壓早期出現(xiàn)的大量聲發(fā)射事件分析認為，這些聲發(fā)射事件與低壓下的某種摩擦機制相關(guān)；壓力升高后這種摩擦機制消失，也從側(cè)面說明該摩擦機制聲發(fā)射源的活性較弱。

因此綜合分析認為，盡管該環(huán)形容器的保壓聲發(fā)射事件數(shù)超標，但其定位集中度級別仍為B級。因此參考相關(guān)標準判據(jù)，盡管該環(huán)形容器的保壓延續(xù)時間超過了5 min，但還是將容器的聲發(fā)射嚴重性級別判定為Ⅱa級。事后對該容器進行了爆破驗證，其爆破壓力為36.8 MPa，超過設(shè)計壓力6.8 MPa，安全系數(shù)約為2.4左右。

因此，對于定位集中度為B級的環(huán)形容器在進行聲發(fā)射嚴重性評價時，可適當放寬有關(guān)保壓延續(xù)時間的限定要求，但不宜判為Ⅰ級。

5.3　C級定位集中度

編號為A-002的環(huán)形容器在試驗中兩次發(fā)生管口密封泄漏，因此在前兩次的加壓中均直接泄壓而未進行保壓，第3次加壓時因考慮到前兩次壓力試驗失敗而適當提高了試驗壓力。同時在試驗中觀察到豐富的保壓聲發(fā)射事件，因擔心低壓破壞損傷檢測設(shè)備而提前中止保壓。為進一步明確所發(fā)現(xiàn)缺陷的聲發(fā)射的嚴重性，后續(xù)又進行了三次驗證性加壓試驗。所有加壓過程的試驗壓力和保壓時間見表3。

表3　A-002環(huán)形容器各次加壓最大壓力和

圖8為A-002環(huán)形容器多次加壓過程的累積聲發(fā)射結(jié)果。

圖8　A-002環(huán)形容器聲發(fā)射結(jié)果

觀察圖8(a)可以發(fā)現(xiàn)，在3號傳感器至1號傳感器之間的區(qū)域產(chǎn)生了十分明顯的定位集中(見圖8中黑框)。集中區(qū)內(nèi)最大累積計數(shù)達到8個，集中區(qū)在環(huán)形容器周向長度上的分布距離約為100 mm左右。對各加壓階段的高幅度事件以及四次保壓過程的聲發(fā)射事件位置進行分析發(fā)現(xiàn)，幾乎所有高幅度事件和保壓事件均定位在該集中區(qū)域內(nèi)(見圖9圓圈處)。

圖9　高幅度聲發(fā)射事件定位圖

由圖8(b)可見，受聲發(fā)射凱賽效應(yīng)影響，在后續(xù)的多次加壓過程的升壓階段幾乎都沒有聲發(fā)射事件出現(xiàn)。觀察后四次加壓過程還可以發(fā)現(xiàn)，除第5次加壓外，其余三個加壓過程在接近保壓和保壓全過程均有不同程度、數(shù)量可觀的聲發(fā)射事件出現(xiàn)。將A-002環(huán)形容器聲發(fā)射數(shù)據(jù)與42個環(huán)形容器聲發(fā)射數(shù)據(jù)的均值進行統(tǒng)計與對比分析發(fā)現(xiàn)(見表4)：A-002環(huán)形容器在事件總數(shù)、高幅度事件數(shù)、保壓事件數(shù)、保壓延續(xù)時間等多個指標上均遠遠超過環(huán)形容器的相應(yīng)參數(shù)平均值。以上事實說明，在環(huán)形容器上存在一個強活性、高強度的聲發(fā)射源，且該聲發(fā)射源就位于聲發(fā)射集中區(qū)內(nèi)。

再觀察聲發(fā)射事件與后續(xù)四次重復加壓壓力的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，當壓力不大于22 MPa時，該聲發(fā)射源表現(xiàn)為“安靜”狀態(tài)；而一旦壓力超過22 MPa，則該聲發(fā)射源立刻變得“活躍”。這表明該聲發(fā)射源對試驗壓力較為敏感，當壓力一旦超過22 MPa，則表現(xiàn)出聲發(fā)射恒速增加的趨勢。綜上分析認為，編號為A-002的環(huán)形容器存在嚴重的定位集中，定位集中度等級為C級。

表4　A-002號環(huán)形容器與42個環(huán)形容器

壓力試驗后，在環(huán)形容器上畫出了聲發(fā)射集中定位的區(qū)域。隨后對標畫區(qū)域進行了射線檢測驗證，經(jīng)過多個部門的相互驗證，最終在標畫區(qū)域的內(nèi)環(huán)焊縫相應(yīng)位置上發(fā)現(xiàn)一段長約100 mm的未焊透缺陷(見圖10方框內(nèi)區(qū)域)。

圖10　射線驗證結(jié)果

由以上分析可知，對于具有C級定位集中度的環(huán)形容器，應(yīng)采取必要的二次加壓或無損檢測等驗證措施，對聲發(fā)射嚴重性級別判定應(yīng)從嚴掌握判據(jù)并適宜降級判定。

6結(jié)論

聲發(fā)射定位集中度對環(huán)形容器的聲發(fā)射嚴重性級別判斷具有重要參考意義。依據(jù)定位集中區(qū)內(nèi)的累積事件計數(shù)值、高幅度事件計數(shù)值和保壓事件計數(shù)值,可以將環(huán)形容器的定位集中度按照由輕到重的順序分為A、B、C三級。在引入定位集中度對環(huán)形容器聲發(fā)射嚴重性進行判別時，應(yīng)遵循以下原則：對于A級定位集中度可直接引用相關(guān)標準判據(jù)進行判斷；對于B級定位集中度的容器，則可適當放寬有關(guān)保壓延續(xù)時間的限定要求，但不宜判為I級；而對于C級定位集中度的容器，應(yīng)從嚴掌握相關(guān)標準判據(jù)，且宜降級判定；必要時還應(yīng)采取二次加壓、無損檢測等驗證措施后再綜合分析判定。

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Effect of Concentrate Location on Acoustic Emission Severity Estimation

for TC4 Titanium Alloy Ring Pressure Vessels

LIU Zhe-jun, ZHANG Zhi-chao, GE Li, WU Song

(Aerospace Research Institute of Material & Processing Technology, Beijing 100076, China)

Abstract：According to analyzing acoustic emission data of TC4 Titanium Alloy Ring Pressure Vessels, combined with the structural characteristics and types of location, the effect of concentrate location on acoustic emission severity estimation was addressed and the way to distinguish concentrate location level was summarized. The paper brings some examples to show that the flexible application of correlative verification is needed while estimating acoustic emission severity according to the level of concentrate location.

Key words:Acoustic emission; Concentrate location; TC4 titanium alloy; Ring pressure vessel; Severity estimation

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)02-0018-06

DOI:10.11973/wsjc201602005

作者簡介：劉哲軍(1971-)，男，高工，主要從事鈦合金、鋁合金、復合材料等無損檢測工作。

收稿日期：2015-06-15