通過聲發射實現對鋼瓶的檢測

2010-10-16 03:55:40馬永輝楊大志

河北工程大學學報(自然科學版) 2010年4期

馬永輝,劉康,楊大志

(四川理工學院機械工程學院,四川自貢643000)

CNG氣瓶在使用過程中時有爆炸事故產生,嚴重威脅著人們的生命財產安全,通過事故分析主要為鋼瓶質量缺陷所致,而對于使用過程中的質量缺陷通常是依據相應法定標準對CNG鋼瓶作定期檢測,每2年檢驗一次[1],但是氣瓶在拉伸應力和濕硫化氫的共同作用下,可能導致氣瓶在下次檢驗之前就破壞。因此,如果在每次加氣過程中對CNG鋼瓶進行在線式的缺陷快速檢測,就可以在很短的周期內發現氣瓶內在缺陷,降低不安全事故的發生。

1 鋼瓶檢測

1.1 鋼瓶檢測步驟

鋼瓶檢測通常是針對不同的環境條件采用合適的方法對鋼瓶所處狀態的信息進行采集,再針對這些信息通過合適的分析方法進行分析,進而確定鋼瓶的狀態即內部結構異常或缺陷的程度。

1.2 鋼瓶檢測方法

要對鋼瓶做到快速檢測,顯然不能采用傳統的水壓試驗方法,而應該引入效率更高的超聲、磁粉及聲發射等多種無損檢測技術。無損檢測技術[2]是一門新興的綜合性應用科學,它是在不破壞和損壞被檢測對象的前提下,利用材料內部結構異常或缺陷存在所引起的對熱、光、聲、電以及磁等反應的變化,來探測各種工程材料、零部件和結構件等內部和表面缺陷,并對缺陷的類型、性質、數量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化做出判斷和評價。最常用的無損檢測方法有超聲波檢測法、磁粉檢測法、滲透檢測法、管材渦流檢測法、射線檢測法、聲發射檢測法等。

超聲波檢測[3]是利用超聲波在介質中傳播時產生衰減,遇到界面會產生發射的性質來檢測缺陷的無損檢測方法。該方法具有高靈敏度、指向性好、穿透能力強以及檢測速度快等優點。超聲波探傷儀體積小,重量輕,便于攜帶和操作,對人無傷害。但是超聲波檢測無法檢測到與表面和近表面延伸方向平行于表面的缺陷,表面粗糙以及形狀復雜的試件也無法檢測,對缺陷的定性、定量表征常常不準確,適合測量壓力容器的厚度。

磁粉檢測[4]是基于缺陷處漏磁場與磁粉的相互作用而顯示鐵磁性材料在表面和近表面缺陷的無損檢測方法。磁粉檢測只能發現表面和近表面裂紋缺陷,而且檢測時需要表面打磨,僅適合壓力容器在停產時的檢測。

滲透法檢測[5]是將滲透液滲入工件表面開口缺陷中,用去除劑清除多余滲透液后,再用顯像劑表示出缺陷,只能檢測零件表面開口的缺陷,而且對零件和環境有污染。

管材渦流檢測[6]是基于電磁感應原理來揭示導電材料表面和近表面缺陷的無損檢測方法,對于表面和近表面缺陷有較高的靈敏度,可對大小不同的缺陷進行評價,能在高溫狀態下進行探傷,可用于異形材和小零件的檢測,但只能檢測導電材料,常常難以判斷缺陷的種類。

射線檢測[7]是基于被檢測件對入射線的不同吸收來檢測零件內部缺陷的無損檢測方法。檢測對象不受零件材料、形狀的限制,但射線的輻射可對人體造成傷害。

聲發射檢測[8]是指借助受應力材料中局部能量的快速釋放的瞬態彈性波進行檢測的動態無損檢測方法。它對缺陷的變化極為敏感,可以檢測到微米數量級的顯微裂紋發生、擴展的相關信息,檢測靈敏度很高,比較適合在線式的檢測。

2 聲發射技術

由于受鋼瓶檢測環境與檢測條件的限制,聲發射檢測方法與其它無損檢測方法比較而言,聲發射檢測可以實現整體和大范圍的快速檢測,能實現連續的在線檢測,可用于復雜的檢測環境,檢測形狀復雜的構件,幾乎不受材料的限制。聲發射技術是一種動態無損檢測技術,高壓氣瓶在加壓的過程中完成檢測,涉及聲發射源,波的傳播,聲電轉換,信號處理,數據分析等幾個步驟,鋼瓶內部有缺陷,在外部壓力的作用下會產生聲波,被布置在表面的傳感器接收轉換成電信號,再經過信號處理系統的分析與處理得出鋼瓶缺陷的狀態,其基本原理如圖1所示。

3 聲發射在鋼瓶中的檢測

對鋼制氣瓶而言,氣瓶瓶壁材料在加壓時產生應變并儲存應力應變能,若產生變形或有缺陷擴展,則變形或缺陷處會以彈性波形式釋放出應力應變能,該彈性波即為聲發射信號。聲發射信號來自缺陷本身,因此,通過專門的聲發射傳感器和儀器,可采集和分析聲發射信號,從而檢出缺陷的位置和參數,判斷缺陷的活性和嚴重性。對缺陷的程度進行預判斷,及時對鋼瓶狀態進行評估。

3.1 信號采集

信號的采集一般是利用信號預處理裝置,傳感器,多通道聲發射儀等設備配合來實現,其中信號預處理裝置包括前置放大器、濾波器,前置放大器可以實現阻抗匹配,提高信噪比與對微弱信號檢測的抗干擾能力。傳感器將鋼瓶的振動信號轉化成電信號,多通道聲發射儀完成對電信號的記錄與顯示。檢測時傳感器應均勻布置在鋼瓶表面,可用磁性夾等進行固定,在傳感器與鋼瓶的接觸面涂抹耦合劑以減少摩擦,如圖2所示。

3.2 除噪

由于檢測時所處的環境的復雜性,采集到的信號中摻雜著許多的背景噪音,這些干擾信號嚴重影響聲發射檢測的準確性,因此需要除去這些噪音,采取的除噪的方法如下:

1)選擇合適的工作頻率,典型的聲發射波的頻率范圍是100kHz～400kHz,利用濾波器在這個范圍內設置檢測頻率窗口,抑制機器噪聲。

2)調整適合的門檻電壓值,低的門檻電壓對除噪起不到作用,高的門檻電壓又會濾掉有用的信號,為了得到更多的有用信號,一般采取折中的辦法,采用門檻為35dB～55dB的中靈敏度,最常用門檻值為40dB。

3)對于一些常見的非缺陷干擾信號如電磁干擾,機械振動,結構摩擦等,可以通過分析信號特征對信號進行區分。如電磁干擾信號主要來自聲發射儀器系統內部,不同通道的電子噪音信號是互不相關的,所以不會形成穩定的聲發射源。機械振動信號中心頻率遠低于一般缺陷信號的頻率范圍100kHz～400kHz,可以根據其頻率特性來排除。結構摩擦信號不滿足Kaiser效應,即在第二次加壓時仍有大量聲發射信號產生。

也可通過聲發射信號的特征參數的分布規律來區分[9],聲發射信號的特征參數包括幅度,能量,振鈴計數,持續時間,上升時間,均方根電壓,頻率等如圖3所示。

在這些特征參數中聲發射信號的能量,振鈴計數,上升時間與其它參數有明顯的差異。

4)利用小波分析的方法進行除噪,小波分析可以由給定的小波基對采集到的波形在其低頻范圍內進行多尺度的分解,將高頻的信號變為零(干擾信號主要集中在高頻信號中),然后再將所有的低頻信號反向合成就可以達到對干擾信號的剔除[10]。

3.3 信號分析處理

采集到信號后,需要對采集到的信號進行分析,以確定信號的各項特征。目前常用的分析方法有頻譜分析技術、人工神經網絡識別和小波分析法。這些方法各有各的特點,針對不同的情況應用不同的方法可以對信號進行處理和分析,以下為各種方法的簡介。

頻譜分析是一種傳統的分析方法,主要利用傅立葉變換把信號從時域映射到頻域加以分析,在頻域中研究聲發射信號的各種特征,如對聲發射信號在時域分析中的幅值特性,頻域分析中的相位譜顯示,幅值譜分析及功率譜顯示來對信號進行分析。

人工神經網絡技術是一種既能并行處理數據又能完成非線性映射的方法,它有自組織,自適應和自學習的能力,具有很高的容錯性和魯棒性,因此可以很好解決聲發射檢測中存在的噪聲干擾,但是它的應用都是針對一個具體的對象,缺乏普遍指導意義,在其網絡結構上也缺乏對聲發射信號的針對性,所以還需要很深入的研究,但是它已經成為聲發射檢測中信號處理的重要方法之一。

小波分析有同時在時域和頻域表征信號局部特征的能力,能夠刻畫某個局部時間段信號的頻譜信息,又可以描述某一頻譜信息對應的時域信息,這對于分析含有瞬態現象的聲發射信號比較適合。在信號處理方面主要是利用其信噪分離和時頻變化特性來提取聲發射信號的特征,從而識別出聲發射源。

3.4 鋼瓶狀態確定

疲勞破壞是鋼瓶最主要的破壞方式,約占失效結構的百分之九十以上。根據斷裂力學的知識,在彈性固體中,裂紋在擴展時受裂紋尖端的應力強度因子控制,當應力強度因子到達臨界值時,裂紋會快速擴展,聲發射一些特征參數如振鈴總計數與應力強度因子有一定的關系,將兩種方法進行結合可以預測裂紋擴展情況進而去預測鋼瓶的壽命,確定鋼瓶的狀態。