聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種動態(tài)的檢測技術(shù),可提供缺陷隨荷載、時間、溫度等外變量而變化的實(shí)時或連續(xù)信息,適合于在線監(jiān)控及早期或臨近破壞預(yù)報(bào)?山鉀Q常規(guī)無損檢測方法所不能解決的問題。通過水利水電工程上的應(yīng)用實(shí)例證明,聲發(fā)射檢測技術(shù)是水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備在線監(jiān)控和安全評估的有效手段。
材料中由于能量從局部源快速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(acoustic emission,簡稱AE)。聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象,如地震波、巖石破碎、金屬開裂和折斷鉛芯等。各種材料聲發(fā)射信號的頻率范圍很寬,聲發(fā)射信號幅度的變化范圍也很大,以致于有些聲發(fā)射信號人耳可以聽到,而有些聲發(fā)射信號人耳聽不到。許多材料的聲發(fā)射信號強(qiáng)度很弱,需要借助專門的檢測儀器才能檢測出來。材料在應(yīng)力作用下的變形與開裂是結(jié)構(gòu)失效的重要機(jī)制。這種直接與變形和斷裂機(jī)制有關(guān)的源,稱為聲發(fā)射源。用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射檢測(acoustic emission testing 簡稱AET)技術(shù)。
AET技術(shù)在五十年代就開始應(yīng)用于材料研究。在六十年代開始應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域。我國則于七十年代開始應(yīng)用AET技術(shù)。AET技術(shù)已應(yīng)用的領(lǐng)域有:材料及力學(xué)方面的研究;汽車工業(yè)(汽車所有部件);土木工程(橋梁、巖石、混凝土及水工建筑物安全性檢測等);航空航天(機(jī)身各部件、引擎、衛(wèi)星太陽能板等);大型變壓器局部放電檢測;環(huán)境試驗(yàn);核反應(yīng)堆;模態(tài)測試;一般工業(yè)(管路、軸承、壓力容器、球罐等);焊接質(zhì)量檢測與監(jiān)控;吊車等空架結(jié)構(gòu)檢測;質(zhì)量管理(配合自動化生產(chǎn)線進(jìn)行在線質(zhì)量控制)等。AET技術(shù)作為無損檢測的一種手段,其主要目的是:①確定聲發(fā)射源的部位;②分析聲發(fā)射源的性質(zhì);③確定聲發(fā)射發(fā)生的時間或載荷;④按照有關(guān)的聲發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)評定聲發(fā)射源的嚴(yán)重性。另一方面,聲發(fā)射檢測技術(shù)也有一定的缺點(diǎn)和不足:聲發(fā)射檢測需要在特定荷載條件下進(jìn)行,聲發(fā)射檢測目前只能給出聲發(fā)射源的部位、活度和強(qiáng)度,不能給出聲發(fā)射源處缺陷的性質(zhì)和大小,對超標(biāo)聲發(fā)射源,需要使用其它常規(guī)無損檢測方法(如:超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測等)進(jìn)行局部復(fù)檢,以精確確定缺陷的性質(zhì)、位置和大小。
現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中規(guī)定的產(chǎn)品質(zhì)量(尤其是內(nèi)部質(zhì)量)要求,在很多情況下是根據(jù)常規(guī)無損檢測方法確定的。按常規(guī)無損檢測方法,只能檢測、顯示靜態(tài)的宏觀缺陷[也稱不連續(xù)性或不完整性,如裂紋、夾渣(雜)、氣(縮)孔、未融合、未焊透等],F(xiàn)行的一般做法是,按照標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和標(biāo)書文件的要求,對檢出的缺陷進(jìn)行定位、定量、定性(定性的方法目前尚不成熟,超聲檢測定性尤差)和等級評定,以確定是否合格和驗(yàn)收。這種靜態(tài)的檢測評定方法更多評價的是產(chǎn)品制造工藝和質(zhì)量控制的水平,而對于產(chǎn)品的安全性和可靠性往往沒有多少直接關(guān)系;事實(shí)上,只有擴(kuò)展的、尺寸增大的和最終導(dǎo)致破壞的不完整性(如裂紋的萌生和擴(kuò)展)才認(rèn)為是危險的。
AET技術(shù)具有以下特點(diǎn)(優(yōu)點(diǎn)),在很多情況下與其它無損檢測方法相比這些特點(diǎn)表明了它的優(yōu)越性。
1.聲發(fā)射法適用于實(shí)時動態(tài)監(jiān)控檢測,且只顯示和記錄擴(kuò)展的缺陷,這意味著與缺陷尺寸無關(guān)。而是顯示正在擴(kuò)展的最危險缺陷。這樣,應(yīng)用聲發(fā)射檢驗(yàn)方法時可以對缺陷不按尺寸分類,而按其危險程度分類。按這樣分類,構(gòu)件在承載時可能出現(xiàn)工件中應(yīng)力較小的部位尺寸大的缺陷不劃為危險缺陷,而應(yīng)力集中的部位按規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求允許存在的缺陷因擴(kuò)展而被判為危險缺陷。聲發(fā)射法的這一特點(diǎn)原則上可以按新的方式確定缺陷的危險性。因此,在壓力管道、壓力容器、起重機(jī)械等產(chǎn)品的荷載試驗(yàn)工程中,若使用聲發(fā)射檢測儀器進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控檢測,既可彌補(bǔ)常規(guī)無損檢測方法的不足,也可提高試驗(yàn)的安全性和可靠性。同時利用分析軟件可對以后的運(yùn)行安全做出評估。
2.AET技術(shù)對擴(kuò)展的缺陷具有很高的靈敏度。其靈敏度大大高于其它方法,例如,聲發(fā)射法能在工作條件下檢測出零點(diǎn)幾毫米數(shù)量級的裂紋增量,而傳統(tǒng)的無損檢測方法則無法實(shí)現(xiàn)。
3.聲發(fā)射法的特點(diǎn)是整體性。用一個或若干個固定安裝在物體表面上的聲發(fā)射傳感器可以檢驗(yàn)整個物體。缺陷定位時不需要使傳感器在被檢物體表面掃描(而是利用軟件分析獲得),因此,檢驗(yàn)及其結(jié)果與表面狀態(tài)和加工質(zhì)量無關(guān)。假如難以接觸被檢物體表面或不可能完全接觸時,整體性特別有用。例如:絕熱管道、容器、蝸殼;埋入地下的物體和形狀復(fù)雜的構(gòu)件;檢驗(yàn)大型的和較長物體的焊縫時(如:橋機(jī)梁、高架門機(jī)等),這種特性更明顯。
4.聲發(fā)射法一個重要特性是能進(jìn)行不同工藝過程和材料性能及狀態(tài)變化過程的檢測。聲發(fā)射法還提供了討論有關(guān)物體材料的應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)的變化。所以,AET技術(shù)是探測焊接接頭焊后延遲裂紋的一種理想手段。同樣,象引水壓力鋼管的湊合節(jié)環(huán)焊縫,由于拘束度很大,在焊后冷卻過程中,焊接造成的拉應(yīng)力和冷縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力,可能會使應(yīng)力集中系數(shù)較大的缺陷(如:未融合、不規(guī)則的夾渣、咬邊等)萌生裂紋,這是不允許存在的。為了找出和避免這種隱患,用AET監(jiān)測也是比較理想的手段。5.對于大多數(shù)無損檢測方法來說,缺陷的形狀和大小、所處位置和方向都是很重要的,因?yàn)檫@些缺陷特性參數(shù)直接關(guān)系到缺陷漏檢率。而對聲發(fā)射法來說,缺陷所處位置和方向并不重要,換句話說,缺陷所處位置和方向并不影響聲發(fā)射的檢測效果。
6.聲發(fā)射法受材料的性能和組織的影響要小些。例如:材料的不均勻性對射線照相和超聲波檢測影響很大,而對聲發(fā)射法則無關(guān)緊要。因此,聲發(fā)射法的使用范圍較寬(按材料)。例如,可以成功地用以檢測復(fù)合材料,而用其它無損檢測方法則很困難或者不可能。
7.使用聲發(fā)射法比較簡單,現(xiàn)場聲發(fā)射檢測監(jiān)控與試驗(yàn)同步進(jìn)行,不會因使用了聲發(fā)射檢測而延長試驗(yàn)工期。檢測費(fèi)用也較低,特別是對于大型構(gòu)件整體檢測,其檢測費(fèi)用遠(yuǎn)低于射線或超聲檢測費(fèi)用。且可以實(shí)時地進(jìn)行檢測和結(jié)果評定。
聲發(fā)射法可以檢測缺陷、確定缺陷位置和評價結(jié)構(gòu)的危險程度(安全性)。與其它常規(guī)無損檢測方法相結(jié)合,使用聲發(fā)射法將會取得最佳效果。
我國的水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備方面也已開始應(yīng)用聲發(fā)射檢測技術(shù),并取得良好效果。如:1999年水利部質(zhì)檢中心對湘江大源渡航電樞紐工程的液壓啟閉機(jī)油缸荷載試驗(yàn)進(jìn)行了聲發(fā)射監(jiān)控檢測和安全評定,對油缸缸底吊耳和活塞桿吊耳采用ZG310-570材料制造的可行性和安全性進(jìn)行了比較科學(xué)的實(shí)驗(yàn)鑒定。在2001年1月和3月,水利部質(zhì)檢中心受中國長江三峽工程開發(fā)總公司的委托,由質(zhì)檢中心無損檢測專業(yè)室和清華大學(xué)無損檢測技術(shù)工程中心的技術(shù)人員組成檢測組,先后對三峽水利樞紐工程左岸廠房1#、3#水輪發(fā)電機(jī)組座環(huán)和蝸殼在充水升壓和保壓階段進(jìn)行了聲發(fā)射監(jiān)控檢測,1#水輪發(fā)電機(jī)組座環(huán)和蝸殼聲發(fā)射傳感器布置示意圖見圖1。監(jiān)控檢測取得了良好的效果。特別是1#水輪發(fā)電機(jī)組座環(huán)和蝸殼,通過聲發(fā)射實(shí)時監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)了蝸殼03管節(jié)與大舌板對接焊縫的咬邊在充水升壓和保壓階段萌生、擴(kuò)展的裂紋,該缺陷的聲發(fā)射波形圖見圖2。這是常規(guī)無損檢測方法所不能發(fā)現(xiàn)的。該裂紋做的磁粉檢測顯示的磁痕見照片1。
可以預(yù)計(jì),在我國水利水電工程上,使用聲發(fā)射檢測技術(shù)對金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備進(jìn)行檢測和安全評定將得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用,所發(fā)揮的社會經(jīng)濟(jì)效益將愈來愈顯著。