基于時(shí)頻熵特征的2.25Cr-1Mo損傷開裂聲發(fā)射識(shí)別方法研究*

邱 楓，白永忠，單廣斌，屈定榮，李明駿

(中國(guó)石化青島安全工程研究院，山東青島 266104)

0 前言

加氫反應(yīng)器是現(xiàn)代石油化工行業(yè)的典型設(shè)備，該設(shè)備的特點(diǎn)是處于高溫、高壓和臨氫環(huán)境，目前國(guó)內(nèi)加氫反應(yīng)器采用的結(jié)構(gòu)為板焊式和鍛焊式[1]，2.25Cr-1Mo是加氫反應(yīng)器的常用材料之一?；谄浼託浞磻?yīng)器運(yùn)行環(huán)境和損傷機(jī)理，焊縫形成應(yīng)力腐蝕裂紋是其主要的損傷問(wèn)題。一旦裂紋發(fā)生開裂，將造成嚴(yán)重的安全事故，因此，對(duì)加氫反應(yīng)器進(jìn)行損傷裂紋擴(kuò)展在線監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義[2]。聲發(fā)射作為一種無(wú)需停產(chǎn)、在線監(jiān)測(cè)裂紋活性的技術(shù)手段，可以作為加氫反應(yīng)器的安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)方法，而損傷裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射信號(hào)的有效識(shí)別是加氫反應(yīng)器聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵。

時(shí)頻分布是時(shí)間和頻率的聯(lián)合分布函數(shù)，有利于提取信號(hào)的局部特征，是非平穩(wěn)信號(hào)分析的有效方法。HHT(Hilbert-Huang Transform)是先對(duì)信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，得出本征模態(tài)函數(shù)，再對(duì)本征模態(tài)函數(shù)進(jìn)行希爾伯特變換，從而進(jìn)一步得到該信號(hào)的希爾伯特譜、時(shí)頻能量譜等，對(duì)非線性及非平穩(wěn)信號(hào)有較好的分析和處理效果[3]。

裂紋擴(kuò)展聲發(fā)射信號(hào)具有時(shí)域、頻域的特征，但是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)僅僅從時(shí)域、頻域進(jìn)行特征提取并不能將有效信號(hào)與噪聲信號(hào)區(qū)分。裂紋擴(kuò)展聲發(fā)射信號(hào)具有隨機(jī)性并具有復(fù)雜多樣性，而背景噪聲、電磁干擾信號(hào)往往具有一定的周期性和重復(fù)性，信息熵可以描述信號(hào)的復(fù)雜性，因此將其引入用于表征損傷裂紋擴(kuò)展信號(hào)。信號(hào)的時(shí)頻分布是描述信號(hào)在采樣時(shí)間內(nèi)各個(gè)頻率處的能量變化，裂紋擴(kuò)展時(shí)的時(shí)頻分布往往發(fā)生變化，采用信息熵理論結(jié)合時(shí)頻分布可以定量描述這種變化程度。在識(shí)別方面，支持向量機(jī)(Support Vector Machine, SVM)是建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論VC維(Vapnik-Chervonenkis dimension, VC dimension)和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原理基礎(chǔ)上的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，在解決小樣本、非線性和高維模式識(shí)別問(wèn)題中表現(xiàn)出特有優(yōu)勢(shì)[4]，可以用于對(duì)損傷擴(kuò)展監(jiān)測(cè)試驗(yàn)聲發(fā)射信號(hào)的分類識(shí)別。

本文開展基于時(shí)頻熵特征的2.25Cr-1Mo損傷開裂聲發(fā)射識(shí)別方法研究，采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)進(jìn)行試樣損傷受力情況模擬，采集監(jiān)測(cè)過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)，基于HHT提取聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻熵特征，以支持向量機(jī)構(gòu)造識(shí)別模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)2.25Cr-1Mo材料損傷開裂過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)的有效識(shí)別，為現(xiàn)場(chǎng)加氫反應(yīng)器等壓力容器損傷開裂聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 2.25Cr-1Mo材料三點(diǎn)彎曲聲發(fā)射監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

試件采用加氫反應(yīng)器常用材料2.25Cr-1Mo，材料化學(xué)成分和機(jī)械性能見表1。實(shí)驗(yàn)裝置由試件、WD傳感器、2/4/6前置放大器、PCI-2全數(shù)字聲發(fā)射儀等，SANS萬(wàn)能電子拉伸機(jī)組成。監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)中裝置連接見圖1，傳感器布置如圖2。

表1 2.25Cr-1Mo化學(xué)成分和機(jī)械性能

圖1 三點(diǎn)彎曲聲發(fā)射監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置

圖2 傳感器布置

將傳感器固定在試件上，再將試件放置在材料試驗(yàn)機(jī)上，并在支點(diǎn)和壓頭處放橡膠墊，然后對(duì)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)。材料試驗(yàn)機(jī)具體加載過(guò)程：①利用材料試驗(yàn)機(jī)以10 N/s的速度緩慢加載至3 kN，并保持載荷5 min；②以10 N/s的速度緩慢卸載到0.1 kN，并在當(dāng)前載荷下保載5 min；③重復(fù)第①和第②步2次；④將力控制改為位移控制，以0.1 mm/min的速度緩慢加載至試件產(chǎn)生明顯塑性變形。

采集整個(gè)加載過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)。2.25Cr-1Mo試件的加載載荷曲線及聲發(fā)射信號(hào)幅值歷程見圖3、圖4。對(duì)比兩圖可以發(fā)現(xiàn)在前3次加載過(guò)程中，聲發(fā)射撞擊數(shù)逐漸減少：第1次加載階段撞擊數(shù)最多且最高幅值達(dá)到67 dB，這主要是由于壓頭、支架、橡膠墊片和試件初次接觸時(shí)表面不平造成的，為噪聲信號(hào)；第2次加載階段信號(hào)明顯減少，僅出現(xiàn)5個(gè)信號(hào)；第3次加載階段沒(méi)有信號(hào)產(chǎn)生。這一現(xiàn)象符合聲發(fā)射理論中的Kaiser效應(yīng)，即重復(fù)載荷到達(dá)先前所加最大載荷以前不發(fā)生明顯聲發(fā)射。

圖3 試件加載過(guò)程載荷-時(shí)間曲線

圖4 聲發(fā)射信號(hào)幅值歷程

2 2.25Cr-1Mo材料損傷開裂聲發(fā)射信號(hào)識(shí)別

2.1 基于Hilbert-Huang變換的時(shí)頻熵

不同信號(hào)在時(shí)頻分布上的差異表現(xiàn)為時(shí)頻平面上不同的小塊時(shí)頻段的能量分布的差異，各時(shí)頻區(qū)能量分布的均勻性則反映了損傷狀態(tài)的差別，信息熵是概率分布均勻程度的度量。若P(p1，p2，…，pn)是一個(gè)不確定的概率分布，k為任意常數(shù)，那么這個(gè)分布的信息熵[5]為：

(1)

由式(1)可知，最不確定的概率分布具有最大的熵值，越接近等概率分布熵值也就越大，換言之，信息熵值反映了概率分布的均勻性，因此可以對(duì)系統(tǒng)的不確定程度進(jìn)行描述。

HHT譜反映了信號(hào)的能量隨頻率和時(shí)間變化的情況，不同階段下試件聲發(fā)射信號(hào)在時(shí)頻面上的分布也不同，具體表現(xiàn)在時(shí)頻平面上不同區(qū)域所包含的能量大小的差別，每個(gè)區(qū)域能量分布的均勻性可以反映試件所處階段的不同，為定量描述這種差異，可將信息熵和HHT譜相結(jié)合。將Hilbert譜的時(shí)-頻平面劃分為N個(gè)面積相等的時(shí)-頻塊，每塊內(nèi)的能量為W(i)(i=1,2,…,N)，整個(gè)時(shí)-頻平面的能量為A，對(duì)每塊進(jìn)行能量歸一化，得到qi=Wi/A，仿照信息熵的計(jì)算公式，基于Hilbert-Huang變換的時(shí)頻計(jì)算公式為：

(2)

2.2 時(shí)頻熵特性提取

由圖3、圖4可以明顯看出試件在彎曲過(guò)程中分為3個(gè)階段，即彈性階段、塑性階段和斷裂分離階段。根據(jù)這一特點(diǎn)，分別提取該3個(gè)階段的聲發(fā)射特征參數(shù)，基于Hilbert-Huang變換求得時(shí)-頻平面的能量譜，又因各階段的HHT譜是不同的，這種差異反映了信號(hào)的內(nèi)在特征，故可以對(duì)各階段聲發(fā)射信號(hào)的HHT譜進(jìn)行時(shí)-頻熵分析，提取出信號(hào)的特征。根據(jù)時(shí)頻熵的大小，可以判斷出聲發(fā)射信號(hào)所處的階段，以此可以有效地對(duì)材料所處的階段進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)。

在彈性階段、塑性階段和斷裂分離階段分別選取10組聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)作為樣本，T1～T10為T樣本、S1～S10為S樣本，D1～D10為D樣本，其各自的特征參數(shù)如表2～表4所示。

表2 彈性階段聲信號(hào)特征參數(shù)

表3 塑性階段聲信號(hào)特征參數(shù)

表4 斷裂分離階段聲信號(hào)特征參數(shù)

基于Hilbert-Huang變換，分別提取的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)樣本在彈性階段、塑性階段和斷裂分離階段的聲信號(hào)時(shí)頻熵特征參數(shù)，如表5～表7所示。

2.3 識(shí)別結(jié)果與分析

a) 彈性階段所采集到的10個(gè)樣本的時(shí)頻熵特征集中在6.92～7.19之間，平均值為7.05，均方差為0.097，可見該試件在彈性階段聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻特征的能量分布是較均勻的，這是因?yàn)樵趶椥噪A段，金屬原子之間隨著原子間距的改變，原子間的相互作用力將產(chǎn)生作用，即電荷間的庫(kù)侖力，在試件受到較小壓力時(shí)即達(dá)到屈服應(yīng)力之前，原子受力是穩(wěn)定的，能量分布均勻，仍做無(wú)序熱運(yùn)動(dòng)，故采集到的聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻熵的值較大。

表5 彈性階段聲信號(hào)的時(shí)頻熵特征

表6 塑性階段聲信號(hào)的時(shí)頻熵特征

表7 斷裂分離階段聲信號(hào)的時(shí)頻熵特征

b) 塑性階段所采集到的10個(gè)樣本的時(shí)頻熵特征集中在6.59～6.84之間，平均值為6.72，均方差為0.084，可見該試件在塑性階段聲發(fā)射信號(hào)時(shí)頻特征的分布發(fā)生了不均勻的變化，這是因?yàn)樵谒苄噪A段，受到了更大應(yīng)力，金屬材料晶體在外力作用下發(fā)生一致性的改變，在晶軸方向的應(yīng)力破壞了金屬原子間的金屬鍵，受到破壞的金屬原子與相鄰的原子結(jié)合成新的金屬鍵，晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的永久變形，這時(shí)，材料內(nèi)部不斷發(fā)生錯(cuò)位滑移，出現(xiàn)多個(gè)位錯(cuò)堆積，材料間原子之間的穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，能量分布不均勻，故采集到的聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻熵的值比較小。

c) 斷裂分離階段所采集到的10個(gè)樣本的時(shí)頻熵特征集中在6.87～7.28之間，平均值為7.04，均方差為0.116，可見該試件在斷裂分離階段聲發(fā)射信號(hào)視頻特征的能量分布又向均勻轉(zhuǎn)變，因?yàn)樵跀嗔逊蛛x階段前期，金屬內(nèi)部位錯(cuò)已積累到很高的程度，這時(shí)的位錯(cuò)塞積很嚴(yán)重，金屬晶體所受到的外力破壞之間的金屬鍵，從而晶體之間出現(xiàn)裂縫，隨著外力的增加發(fā)生斷裂分離，裂縫自由擴(kuò)展，直到試件完全斷裂，此時(shí)，金屬材料原子突破束縛、向穩(wěn)定狀態(tài)改變，故采集到的聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻熵的值比較大。

采用SVM對(duì)不同階段聲發(fā)射信號(hào)提取的時(shí)頻熵特征進(jìn)行識(shí)別。為了保證分類器具有較好的推廣能力，采用交叉驗(yàn)證法，5折樣本訓(xùn)練法，即把樣本分成5份，在每份上訓(xùn)練，在其他份上測(cè)試。識(shí)別結(jié)果如圖5所示：識(shí)別精度為96.7%，30個(gè)樣本中只有1個(gè)識(shí)別錯(cuò)誤，第2類1個(gè)樣本被識(shí)別為第1類。表明采用時(shí)頻熵作為聲發(fā)射信號(hào)特征向量，以支持向量機(jī)作為識(shí)別分類器的損傷開裂識(shí)別方法具有較高的準(zhǔn)確度。

圖5 SVM識(shí)別結(jié)果

3 結(jié)論

a) 提出了基于HHT時(shí)頻熵的聲發(fā)射識(shí)別方法，該方法將聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行HHT變換，求取信號(hào)的時(shí)頻熵，通過(guò)對(duì)比時(shí)頻熵的大小來(lái)判斷試件所處的階段。

b) 基于HHT的時(shí)頻熵變換，獲得試樣在各階段的時(shí)頻熵特征，可知該試件在經(jīng)歷彈性階段-塑性階段-斷裂分離的過(guò)程中，聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻能量分布是由大變小再轉(zhuǎn)為大。

c) 在時(shí)頻特征的基礎(chǔ)上，加入熵的特征提取方法，即使是小樣本，也達(dá)到了較好的識(shí)別效果。