声发射检测技术及应用

第1章声发射检测技术基础 　　1.1声发射的概念 　　材料中局域源能量快速释放而产生瞬态弹性波的现象称为声发射(acoustic emission，AE)。材料在应力作用下的变形与裂纹扩展，是结构失效的重要机制。这种直接与变形和断裂机制有关的源，被称为声发射源。近年来，流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等与变形和断裂机制无直接关系的另一类弹性波源，被称为其他或二次声发射源。 　　声发射是一种常见的物理现象，各种材料声发射信号的频率范围很宽，从几赫兹的次声频、20Hz~20kHz的声频到数兆赫兹的超声频;声发射信号幅度的变化范围也很大，从10—13m的微观位错运动到1m量级的地震波。如果声发射释放的应变能足够大，就可产生人耳听到见的声音。大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术，人们将声发射仪器形象地称为材料的听诊器。 　　1.2声发射技术发展历程和现状 　　声发射和微振动都是自然界中随时发生的自然现象，尽管无法考证人们在何时首次接收到声发射信号，但诸如折断树枝、岩石破碎和折断骨头等断裂过程无疑是人们*早观察到的声发射现象。可以推断，“锡呜”是人们首次观察到的金属材料的声发射现象，因为纯锡在塑性形变期间其机械孪晶产生可听得到的声发射，而铜和锡的冶炼可追溯到公元前3700年。 　　现代声发射技术的开始以Kaiser于20世纪50年代初在德国所做的研究工作为标志。Kaiser观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合金在形变过程中都有声发射现象。其*有意义的发现是材料形变声发射的不可逆效应，即“材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载*大应力之前不产生声发射信号”。材料的这种不可逆现象被称为“凯塞效应（Kaiser effect)。同时，Kaiser也提出了连续型和突发型声发射信号的概念。 　　20世纪50年代末，美国学者Schofield和Tatro经大量研究发现，金属塑性形变的声发射主要由大量的位错运动引起，而且还得到一个重要的结论，即声发射主要是体积效应而不是表面效应。Tatro进行了导致声发射现象发生的物理机制方面的研究工作，首次提出声发射可以作为研究工程材料行为疑难问题的工具，并预言声发射在无损检测方面具有独特的潜在优势。 　　20世纪60年代初，Green等首先开始了声发射技术在无损检测领域方面的应用，Dunegan首次将声发射技术应用于压力容器方面的研究。在整个60年代，美国和日本开始广泛地进行声发射的研究工作，除开展声发射现象的基础研究外，还将这一技术应用于材料工程和无损检测领域。美国于1967年成立了声发射工作组(AEWG)，日本于1969年成立了声发射学会。 　　20世纪70年代初，Dunegan等开展了现代声发射仪器的研制，他们把声发射信号的探测频率从声频提高到100kHz~lMHz的超声频率范围，这是声发射试验技术的重大进展。现代声发射仪器的成功研制为声发射技术从实验室的材料研究阶段走向在生产现场用于大型构件的结构完整性检测和监测阶段创造了条件。 　　随着现代声发射仪器的出现，整个70年代和80年代初人们从声发射源产生机制、波的传播到声发射信号分析方面开展了广泛和系统的研究工作。在生产现场也得到了广泛的应用，尤其在化工容器、核容器和焊接过程的控制方面取得了成功。Drouillani于1979年统计出版了1979年以前世界上发表的声发射论文目录，据其统计，到1986年年底世界上发表有关声发射的论文总数已超过5000篇。 　　20世纪80年代初，美国物理声学公司（PAC)将现代微处理计算机技术引入声发射检测系统，设计出了体积和重量较小的第二代源定位声发射检测仪器，并开发了一系列多功能检测和数据分析软件，通过微处理计算机控制，可以对被检测构件进行实时声发射源定位监测和数据分析显示。由于第二代声发射仪器体积和重量/J、，易携带，从而推动了80年代声发射技术进行现场检测的广泛应用；同时，由于采用286及更高级的微处理计算机和多功能检测分析软件，仪器采集和处理声发射信号的速度大幅度提高，仪器的信息存储量巨大，从而提高了声发射检测技术的声发射源位功能和缺陷监测准确率。 　　20世纪90年代，美国PAC和德国Vallen公司先后开发生产了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声发射检测分析系统。这些系统除了能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外，还可直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。 　　目前声发射技术作为一种成熟的无损检测方法，在世界上已被广泛应用于许多领域，主要包括以下方面。 　　(1)石油化工工业：各种压力容器、压力管道和海洋石油平台的检测和结构完整性评价，常压储罐底部、各种阀门和埋地管道的泄漏检测等。 　　(2)电力工业：高压蒸汽汽包、管道和阀门的检测和泄漏监测，汽轮机叶片的检测，汽轮机轴承运行状况的监测，变压器局部放电的检测。 　　(3)航空航天工业：航空器壳体和主要构件的检测和结构完整性评价，航空器的时效试验、疲劳试验检测和运行过程中的在线连续监测等。 　　(4)交通运输业：长管拖车、公路和铁路槽车的检测，铁路材料和结构的裂纹探测，桥梁和隧道的监测和结构完整性评价，卡车、火车滚珠轴承和轴径轴承的状态监测，火车车轮和轴承的断裂探测等。 　　(5)机械制造业：工具磨损和断裂的探测，打磨轮或整形装置与工件接触的探测，修理整形的验证，金属加工过程的质量控制，焊接过程监测，振动探测，锻压测试，加工过程的碰撞探测和预防等。 　　(6)民用工程行业：楼房、桥梁、起重机、大型游乐设施、客运索道、隧道、大坝的检测、监测和结构完整性评价，水泥结构裂纹开裂和扩展的连续监测等。 　　(7)科研和材料测试行业：各种材料的性能测试、断裂试验、疲劳试验、腐蚀监测和摩擦测试，铁磁性材料的磁声发射测试等。 　　(8)其他：硬盘的干扰探测，庄稼和树木的干旱应力监测，磨损摩擦监测，岩石探测，地质和地震上的应用，发动机的状态监测，转动机械的在线过程监测，钢轧辊的裂纹探测，汽车轴承强化过程的监测，铸造过程监测，电池的充放电监测，人骨头的摩擦、受力和破坏特性试验，骨关节状况的监测等。 　　1.3中国声发射技术发展历程 　　声发射技术于20世纪70年代初开始引入我国，当时正是我国断裂力学发展的高峰，人们希望利用声发射预报和测量裂纹的开裂点，随后中国科学院沈阳金属研究所、航空621所、原合肥通用机械研究所、武汉大学等一些科研院所和大学主要开展了金属和复合材料的声发射特性研究。 　　20世纪80年代初期，人们开始尝试采用声发射技术进行压力容器的检测等工程应用，然而鉴于当时声发射仪器的性能和声发射信号处理方面的能力限制，以及人们对声发射源性质和声发射波产生后到达传感器过程中的传输特性等认识缺少应有的深度，在试验结果的重复性和可靠性等方面存在不少问题，因此声发射技术的应用曾陷入低谷。 　　20世纪80年代中期，原劳动部锅炉压力容器检测研究中心率先从美国PAC引进当时世界上*先进的采用Z80微处理计算机技术制造的SPARTAN源定位声发射检测与信号处理分析系统，并在全国一些石化和煤气公司开展了大量球形储罐和卧罐等压力容器的检测研究工作，取得了成功的应用案例，得到了用户的认可。随后，武汉安全环保研究院、大庆石油学院(现为东北石油大学)、航天44所和中国石油大学等许多单位相继从美国PAC引进先进的SPARTAN和LOCAN等型号的声发射仪器，开展了压力容器、飞机、金属材料、复合材料和岩石的检测和应用。1989年召开的全国第四届声发射会议指出，“我国声发射技术的研究、应用和仪器队伍不断扩大，技术水平不断提高，表明我国声发射技术发展已经走出低谷，开始向新的高峰攀登”。 　　自20世纪90年代至今，声发射技术在我国的研究和应用呈快速发展的趋势。90年代初，燕山石化、天津石化、大庆油田、胜利油田、辽河油田和原深圳锅炉压力容器检验所等石油、石化企业检验单位和专业检验所相继进口大型声发射仪器广泛开展压力容器的检验。90年代中期，原空军**研究所和航天703所从美国PAC引进了第三代可以存储声发射信号波形的Mistras2000多通道声发射仪，从而开展了以波形分析为基础的航空航天设备的声发射检测与信号处理分析。2002年，原国家质量监督检验检疫总局锅炉压力容器检测研究中心从德国Vallen公司引进了该公司当时的*新型号——ASM5型36通道声发射仪，该仪器既可对声发射信号进行基于波形的模式识别分析，又具有大型常压油罐底板腐蚀的检测能力。目前声发射技术已在我国石油、石化、电力、航空航天、冶金、铁路、交通、煤炭、建筑、机械制造与加工等领域开展了广泛的研究和应用工作。 　　在声发射检测人员培训和资格认证方面，原航空航天工业无损检测人员资格考试委员会于1998年率先开展了声发射检测Ⅱ级人员的培训和认证工作，国家质量监督检验检疫总局特种设备无损检测人员资格考试委员会于2002年首次开展了声发射检测"级人员的培训和认证工作。到目前为止，国防科技无损检测人员资格考试委员会已培训和考核声发射检测Ⅱ级人员300多人、Ⅲ级人员10多人，特种设备无损检测人员资格考试委员会已培训和考核声发射检测Ⅱ级人员800多人、Ⅲ级人员23人。 　　在声发射仪器的研制和生产方面，我国的起步并不算太晚，原沈阳电子研究所于20世纪70年代末即研制出单通道声发射仪，原长春试验机研究所于80年代中期研制出采用微处理计算机控制的32通道声发射定位分析系统，原劳动部锅炉压力容器检测研究中心于1995年成功研制出世界上首台硬件采用PC-AT总线、软件采用Wrndows界面的多通道(2~64)声发射检测分析系统，2000年声华公司研制出基于大规模可编程集成电路(FPGA)技术的全波形全数字化多通道声发射检测分析系统，2002年原国家质量监督检验检疫总局锅炉压力容器检测研究中心研制出基于信号处理集成电路(DSP)技术的全数字化多通道声发射检测分析系统，2008年声华兴业公司研制出基于USB技术的全波形全数字化多通道声发射检测分析系统，同年声华兴业公司和中国特种设备检测研究院合作研制出基于GPS时钟、CDMA无线和网络的无线声发射泄漏检测仪，2012年声华兴业公司和中国特种设备检测研究院合作研制出基于GPS时钟和WiFi技术的多通道无线声发射检测仪。 　　在学术交流活动方面，1978年随着全国无损检测学会的建立，成立了声发射专业委员会，并于1979年在黄山召开了**届全国声发射会议。近二十年来，已固定每年召开一次声发射专业委员全体会议;每两年召开一次全国学术会议进行大规模的学术交流活动和仪器演示活动，到目前为止学术会议已召开了14届，且每届均有论文集出版，收集论文40~50篇，*近几次与会代表多达80~130人。 　　1.4中国声发射技术主要研究和应用领域 　　1.4.1压力容器的声发射检测 　　压力容器检测是目前声发射技术在我国开展应用*成功和普遍的领域之一，有关科研人员及机构已经对现场压力容器的声发射源进行了系统研究，通过大量的试验和现场应用，这一方法已达到成熟，制定了国家和行业标准，并编写了声发射检测Ⅱ级人员培训教材，对800多人进行了培训和Ⅱ级资格认证。目前国内有60多家专业检验机构从事压力容器的声发射检测，国内的大部分多通道声发射仪由这些单位拥有。据粗略统计，这些单位每年采用声发射技术检测大型压力容器1000。