聲發射在港口設備安全評估中的應用

摘要：本文介紹了當前我國港口起重機械的安全評估方法和使用現狀，以及對當前港口起重機械結構主要失效模式進行了分析；裂紋類缺陷是導致港機結構失效的主要原因之一，所以基于斷裂力學的安全評估方法更為準確有效。聲發射技術作為檢測活動裂紋的有效手段被廣泛應用于工業領域，在港口機械結構安全評估中也得到應用。

關鍵詞：港口機械 斷裂力學 安全性評估 聲發射技術

港口起重機械評估方法及現狀簡介

1. 港機結構主要失效模式

隨著我國經濟的發展，我國各個港口也在不斷的提升其作業能力。作為世界上港口年吞吐量最大的國家，每年有大量的新港機要投入使用，同時這些設備也日趨大型化、系統化。這些大型設備的安全使用關乎國計民生，然而令人遺憾的事故還是時有發生，特別是港口大型設備金屬結構的失效事故，損失巨大，大部分事故均在正常作業狀態下發生。引起港口起重機金屬結構失效的故障主要有裂紋、局部或整體變形、折斷、銹蝕、剛度不足等形式，對這些失效事故進行綜合分析發現，裂紋是目前港口起重機的主要故障形式。

2、港機結構安全評估方法發展現狀

綜合國內外的發展情況，目前的研究對象大多數是機械零件或機械傳動件，研究手段從理論上講多是用疲勞、振動和可靠性理論，在方法上是測試、數據分析與控制。對大型金屬結構，尤其是受變載、重載的港口起重機械含缺陷鋼結構的安全評估技術、維修及護理方面的研究尚未廣泛與深入開展，也未形成適合各港口機械特點的系統的安全性檢測、分析與評估方法。目前，國內港口起重機械的安全評估，主要是進行結構疲勞分析與壽命評估，采用名義應力法，但有些因素嚴重影響了名義應力法開展結構疲勞壽命分析與安全評估的準確性和可靠性。因此，以斷裂力學為基礎的安全評估方法迅速發展并廣泛應用在航空航天、壓力容器、汽車工業、橋梁檢測等行業。聲發射技術作為檢測活動裂紋類缺陷的先進手段也被廣泛的應用。

聲發射技術

1、聲發射技術原理

材料中局域源快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象稱為聲發射(AE)，聲發射是一種常見的物理現象，大多數材料變形和斷裂時有聲發射發生，但許多材料的聲發射信號強度很弱，人耳不能直接聽見，需要借助靈敏的電子儀器才能檢測出來，用儀器探測、記錄、分析聲發射信號和利用聲發射信號推斷聲發射源的技術稱為聲發射技術。聲發射是以瞬態應力波的形式迅速釋放其內部積累的應變能的過程，聲發射檢測技術就是利用材料的聲發射現象，對材料中動態活動缺陷進行推斷的無損檢測技術，它是一種動態無損檢測方法，可以長期連續地監測在役工程結構主要部位缺陷的發展變化，從而及時提供安全預警信息；并且它是一種“被動”探傷技術，即無需發射探測信號，而是利用傳感器監聽結構內部發出的聲波信息，對服役的工程結構幾乎不會造成影響和妨礙，因此，聲發射檢測技術有著廣闊的應用前景。

2、聲發射檢測的優點

聲發射檢測方法在許多方面不同于其它常規無損檢測方法，其優點主要表現為：

（1）聲發射是一種動態檢驗方法，聲發射探測到的能量來自被測試物體本身，而不是象超聲或射線探傷方法一樣由無損檢測儀器提供；（2）聲發射檢測方法對線性缺陷較為敏感，它能探測到在外加結構應力下這些缺陷的活動情況，穩定的缺陷不產生聲發射信號；（3）在一次試驗過程中，聲發射檢驗能夠整體探 測和評價整個結構中活性缺陷的狀態；（4）可提供活性缺陷隨載荷、時間、溫度等外變量而變化的實時或連續信息，因而適用于工業過程在線監控及早期或臨近破壞預報；（5）由于對被檢件的接近要求不高，而適于其它方法難于或不能接近環境下的檢測，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及極毒等環境；（6）對于在用設備的定期檢驗，聲發射檢驗方法可以縮短檢驗的停產時間或者不需要停產；（7）對于設備的加載試驗，聲發射檢驗方法可以預防由未知不連續缺陷引起系統的災難性失效和限定系統的最高工作載荷；（8）由于對構件的幾何形狀不敏感，而適于檢測其它方法受到限制的形狀復雜的構件。

聲發射技術在結構安全評估中的應用

1、聲發射技術的應用

目前聲發射技術作為一種成熟的無損檢測方法，已被廣泛應用于許多領域，主要包括：

（1）石油化工工業；（2）電力工業；（3）材料試驗；（4） 民用工程；（5） 航天和航空工業；（6） 金屬加工；（7） 交通運輸業。

2、聲發射技術在港口機械安全評估中的應用概況

港口起重機是一種頻繁作業的起重機，它的小時循環作業次數可以說是起重機中之最，其連續作業時間通常為3～5天。因此，停機檢測獲取結構相關數據會帶來諸多不便，聲發射技術可以在不停機的狀態下對設備進行檢測。目前，聲發射技術也大量應用于港口大型機械的缺陷檢測。國際上發達國家港口設備鋼結構的檢測和檢測已經開始使用攝發射技術。

在我國自2003年開始，北京航空航天大學鐘群鵬院士課題組就展開了聲發射技術在港口設備安全評估中的應用研究，對港口常用起重設備鋼結構進行聲發射檢測和評估，構建了一套對大型港口機械設備安全檢測和安全評估的思路和方法。

3、聲發射技術在港口機械安全評估試驗中的應用

3.1試驗概況

本次試驗檢測的裝船設備全長28米，門架高7.5米，寬4.2米。根據總圖確定測點及位置，選擇11個測點進行布置。主要檢測車輛擋板處的主要焊縫。本次試驗所用檢測設備為美國PAC公司全數字式24通道μSAMOS聲發射系統，聲發射檢測門檻40dB，頻率帶寬100～400KHz。傳感器的類型為R15I，內置40db的前放。傳感器采用磁性吸座方式固定在被檢件上。

3.2加載工況

該設備中受力集中處為門架底部車輛擋板處，每當載荷車倒車入位到引橋門架處對該處結構產生作用力。加載工況：載荷車滿載停在接近引橋位置，試驗開始重車按照設計時速倒車形勢通過引橋，到達門架下位置，停車將物料傾瀉至滑板，回到原出發位置。

3.3數據分析

本次試驗按照加載工況共進行8次，每次載荷車運行狀態改變時都加有時間標簽，有利于按階段分析數據。下圖是test001中典型通道的幅值對時間變化圖。從圖中可以看出有很多聲發射信號。但是幅值超過80db的較少。根據分析這些信號大多是車輛移動及撞擊和傾瀉產生的噪聲信號。并且，在定位數采集圖中，僅水平焊縫處采集到較少的定位信息，但是采集到的信號也比較分散。

通過對8次試驗數據的分析可以看出，在工作載荷下該設備關鍵位置處焊縫存在缺陷概率較低，根據定位信息，進一步使用超聲波進行詳細探傷試驗，得出結論與聲發射結論一致。整個被測結構聲發射信號活性和強度均沒有達到活動缺陷產生的數值，該設備門架下位置未產生裂紋類嚴重缺陷。

結束語

根據國內外港機技術的發展，以及國際航運技術發展的新特點，今后一個時期，港口起重機械主要發展趨勢是發展大型、專用的裝卸機械。標準化、系列化、規范化等。聲發射技術在大型港口機械結構在線監測中是不可或缺的重要部分。在此研究方向上還有很多需要開展的工作，例如，在線監測數據的挖掘和現場噪聲等干擾信號的濾除和分析等。

（作者單位：交通運輸部水運科學研究院）