SA508低合金鋼焊縫疲勞裂紋聲發(fā)射信號特征識別研究

葉亮 李權(quán)彰 路廣遙

摘? ?要： 利用聲發(fā)射（AE）檢測技術(shù)，對核電主設(shè)備SA508低合金鋼焊縫疲勞裂紋的萌生、擴展和斷裂階段進行特征識別研究。對SA508低合金鋼焊縫試樣進行循環(huán)加載，模擬焊縫疲勞裂紋產(chǎn)生過程;采用DSP信號采集系統(tǒng)，采集得到不同階段的聲發(fā)射特征。研究發(fā)現(xiàn)：1）裂紋在不同階段下聲發(fā)射信號的時域特征與理論研究相符;2）在頻域下，裂紋萌生、擴展階段的聲發(fā)射信號頻率成分主要集中在430 kHz以內(nèi)，斷裂階段出現(xiàn)更高的頻率成分;3）幅度、持續(xù)時間、上升時間、振鈴計數(shù)、能量這五個特征參數(shù)在不同階段變化顯著，可用于不同階段下聲發(fā)射信號的識別。

關(guān)鍵詞： 聲發(fā)射信號特征識別;SA508低合金鋼;焊縫疲勞裂紋;特征參數(shù);頻率成分

中圖分類號：TB52? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 05-112-06

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.021

引言

聲發(fā)射（AE）檢測技術(shù)區(qū)別于超聲波、X-射線等常規(guī)技術(shù)，是融合了無損檢測[1]、動態(tài)無損檢測優(yōu)勢的技術(shù)，可以實時監(jiān)測缺陷的萌生、擴展及斷裂過程，通過對聲特征信號進行處理分析來判斷缺陷的活動性和嚴(yán)重性。聲發(fā)射檢測技術(shù)已在液化石油瓶等壓力容器的焊縫品質(zhì)檢測、柴油發(fā)動機等設(shè)備中滾動接觸元件的疲勞裂紋檢測中得到了廣泛應(yīng)用[2]。

核電主設(shè)備一般選用SA508低合金鋼作為承壓容器材料。雖然材料在制造過程中經(jīng)過了嚴(yán)格的檢驗，但由于長期受高溫、高輻照、壓力波動等嚴(yán)苛環(huán)境的影響，其出現(xiàn)焊縫疲勞裂紋等缺陷的風(fēng)險加大，將影響壓力邊界的完整性，因此非常有必要引入監(jiān)測手段對重要部位的焊縫進行實時監(jiān)測。

聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于核電主設(shè)備焊縫疲勞裂紋檢測，可以對設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)測和評價。本文利用實驗室現(xiàn)有設(shè)備，搭建焊縫疲勞裂紋聲發(fā)射監(jiān)測平臺，捕捉和采集裂紋萌生、擴展及斷裂等階段的信號特征，對不同階段信號的特征參數(shù)進行時域、頻域分析，找出相互間的特征差別，為核電主設(shè)備焊縫疲勞裂紋聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的成功研制提供理論與試驗支持。

1? 聲發(fā)射檢測技術(shù)基本原理

當(dāng)材料、零部件內(nèi)部局部區(qū)域受到外力或內(nèi)力作用時，該區(qū)域所承受的應(yīng)力高度集中，使材料缺陷部位產(chǎn)生塑性變形、裂紋及相變，并通過滑移、位錯、開裂、晶界突然改變?nèi)∠騕3]等方式迅速釋放出能量。聲發(fā)射檢測技術(shù)就是對上述異常進行探測的。

聲發(fā)射檢測技術(shù)基本原理是利用耦合在材料表面上的壓電陶瓷探頭，將材料內(nèi)聲發(fā)射源產(chǎn)生的彈性波轉(zhuǎn)化為電信號，對電信號進行放大和處理，使之特性化，并予以顯示和記錄，從而獲得來自材料內(nèi)與裂紋等缺陷相關(guān)的聲信息;通過對聲發(fā)射源波形及特征參數(shù)進行分析，可以推演出材料內(nèi)部的缺陷情況[4]。

大量的研究表明，金屬缺陷的聲發(fā)射信號幅度范圍可從數(shù)微伏到上百伏，頻率范圍主要集中在400 kHz以內(nèi)。

2? 試驗臺設(shè)計和聲發(fā)射信號噪聲處理

2.1? 試驗臺設(shè)計

圖1為試驗臺構(gòu)架示意圖。試驗系統(tǒng)包括：

（1）10噸INSTRON試驗機;

（2）中心頻率為150 kHz（帶寬20 kHz～400 kHz）的聲發(fā)射傳感器;

（3）增益為40 dB的前置放大器;

（4）北京軟島科技有限公司DS5-8A/B 8通道DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，2.5 M采樣頻率;

（5）焊縫試樣：材料SA-508 Gr.3 Cl.2，試樣尺寸200 mm×50 mm×5 mm，試樣1/2處預(yù)制20 mm×0.5 mm裂紋。

2.2? 循環(huán)加載曲線

為更好地模擬焊縫疲勞裂紋產(chǎn)生過程，對焊縫試樣施加平均拉力為30 kN、幅度為10 kN、加載頻率為10 Hz的拉—拉循環(huán)載荷。圖2為循環(huán)加載曲線。

2.3? 聲發(fā)射信號噪聲處理

由于聲發(fā)射源在實際檢測中具有復(fù)雜性和不確定性，為獲取有效的聲源信息，試驗中采取接地和提高采集門檻（門檻值設(shè)置為200 mV）的方式，降低疲勞試驗機產(chǎn)生的電磁波干擾、振動干擾等。

3? 焊縫疲勞裂紋在不同階段下聲發(fā)射信號的時域、頻域特征分析

3.1? 時域特征分析

理論研究發(fā)現(xiàn)，裂紋萌生階段的聲發(fā)射信號幅值發(fā)生較大突變，意味著材料開始出現(xiàn)損傷;裂紋擴展階段，聲發(fā)射信號出現(xiàn)異常，信號幅值大幅增加，表明裂紋繼續(xù)擴展，出現(xiàn)明顯的宏觀裂紋;裂紋斷裂階段，出現(xiàn)極大幅值的聲發(fā)射信號[5]。

在第22 957次循環(huán)時，聲發(fā)射信號幅值發(fā)生較大突變。如圖3a所示，預(yù)制裂紋尖端處出現(xiàn)明顯的“痕跡”，產(chǎn)生塑性變形區(qū)，結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)損傷，伴隨裂紋萌生現(xiàn)象。由圖3b可知，裂紋萌生時，聲發(fā)射信號幅值確實出現(xiàn)了較大突變，最大峰值達322 mV。

當(dāng)循環(huán)數(shù)達到30 727時，聲發(fā)射信號突然發(fā)生異常。如圖4a所示，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的裂痕，裂紋呈現(xiàn)不斷擴展趨勢。由圖4b可知，當(dāng)裂紋擴展時，聲發(fā)射信號幅值大幅增加，最大峰值達526 mV。

當(dāng)循環(huán)數(shù)在30 727～43 227時，裂紋繼續(xù)產(chǎn)生且快速擴展，出現(xiàn)明顯的宏觀裂紋。本文將這一階段稱作裂紋再擴展階段。

如圖5a所示，當(dāng)循環(huán)數(shù)達到44 077時，裂紋瞬間斷裂。由圖5b可知，裂紋斷裂時出現(xiàn)極大幅值聲發(fā)射信號，最小峰值達-2.8 V，最大峰值達3.79 V，且持續(xù)時間極短，為典型的突發(fā)型信號。

綜上，焊縫疲勞裂紋在三個階段下的聲發(fā)射信號特征與理論研究吻合。

3.2? 頻域特征分析

從理論上講，時域信號并不能反映出所有的信號特征信息，而頻域信號可以對時域信號所不能識別的信息加以反映[6]。為進一步了解焊縫疲勞裂紋三個階段下的聲發(fā)射信號差別，對三個階段下的時域信號進行頻域分析。圖6a、6b、6c分別為裂紋萌生、裂紋擴展及裂紋再擴展階段的聲發(fā)射信號頻譜圖，信號頻率成分集中在0～430 kHz范圍內(nèi)，峰值頻率在150 kHz左右。裂紋萌生階段，90 kHz～180 kHz頻率下的信號成分較為活躍;裂紋擴展階段，110 kHz～190 kHz頻率下的信號成分較為活躍。圖6d為裂紋斷裂階段的頻譜圖，聲發(fā)射信號的幅值大幅增加，最大幅值接近0.18 V。此外，裂紋斷裂信號與裂紋萌生、擴展、再擴展信號相比具有更高的頻率成分，在430 kHz～800 kHz范圍內(nèi)，頻率成分增加明顯，說明材料內(nèi)部釋放出更多的應(yīng)變能。

4? 焊縫疲勞裂紋聲發(fā)射信號特征參數(shù)

通過DS5-8A/B 8通道DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集得到裂紋在不同階段下的聲發(fā)射特征參數(shù)：幅度（a1）、持續(xù)時間（a2）、上升時間（a3）、振鈴計數(shù)（a4）、上升計數(shù)（a5）、能量（a6）、有效電壓（a7）、平均信號電平（a8）、質(zhì)心頻率（a9）、峰值頻率（a10）。選取裂紋不同階段下典型的36組采樣數(shù)據(jù)，如表1所示。其中，序號1～13為裂紋萌生階段、14～25為裂紋擴展（再擴展）階段、26～36為裂紋斷裂階段。對數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)幅度、持續(xù)時間、上升時間、振鈴計數(shù)及能量這五個參數(shù)變化較為顯著，可用作裂紋萌生、擴展及斷裂的趨勢表征參數(shù)。

5? 結(jié)論

（1）時域特征分析結(jié)果表明：裂紋萌生階段，聲發(fā)射信號幅值發(fā)生較大突變;裂紋擴展階段，聲發(fā)射信號出現(xiàn)異常，信號幅值大幅增加;裂紋斷裂階段，出現(xiàn)極大幅值的聲發(fā)射信號。試驗得到的時域特征與理論吻合。

（2）頻域特征分析結(jié)果表明：裂紋萌生、擴展及斷裂三個階段下的聲發(fā)射信號頻率成分不同。裂紋萌生和擴展階段的頻率成分主要集中在430 kHz以內(nèi);裂紋斷裂階段出現(xiàn)更高的頻率成分，430～800kHz范圍內(nèi)的頻率成分更為顯著。

（3）聲發(fā)射信號特征參數(shù)對比分析表明：幅度、持續(xù)時間、上升時間、振鈴計數(shù)、能量這五個參數(shù)在不同階段變化較為顯著，可用作裂紋在不同階段下的趨勢表征參數(shù)。

致謝

感謝課題牽頭單位中國特種設(shè)備檢測研究院的大力支持，感謝北京化工大學(xué)馬波教授的技術(shù)支持，感謝審稿專家的辛勤勞動及細(xì)致審查！

基金項目

“國家重點研發(fā)計劃”（The National Key Research and Development Program of China）資助，課題編號：2018YFF0214702。）

參考文獻

[1] 崔衛(wèi)東， 焦昌峰， 高慶偉. 聲發(fā)射檢測技術(shù)在壓力容器檢驗中的應(yīng)用 [J]. 廣州化工， 2012， 40（4）： 78-80.

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[6] 李光海， 劉時風(fēng). 聲發(fā)射信號分析技術(shù)及進展[C]//哈爾濱： 中國第十屆聲發(fā)射學(xué)術(shù)研討會， 2004.

作者簡介：

葉亮（1988—），男，廣東深圳人，工程師。研究方向：核電主設(shè)備設(shè)計，核電設(shè)備監(jiān)測技術(shù)研究。

E-mail： yeliang2013@cgnpc.com

李權(quán)彰（1993—），通信作者，男，廣東深圳人，工程師。研究方向：核電主設(shè)備設(shè)計，核電設(shè)備監(jiān)測技術(shù)研究。

E-mail： liquanzhang@cgnpc.com

路廣遙（1978—），男，廣東深圳人，研究員。研究方向：核電主設(shè)備設(shè)計，工程熱物理研究。

E-mail： luguangyao@cgnpc.com

（收稿日期：2020-07-29）