聲發射技術在電站鍋爐檢測中的應用

林 彤，汪文有，孔德連

（1.福建省特種設備檢測研究院，福州 350000；2.美國物理聲學公司（PAC）北京代表處，北京 100029）

超臨界鍋爐運行在高溫高壓環境下，對金屬管道的材質、性能等參數的要求高于通用條件下的金屬材料，由于運行狀態下對溫度、應力的控制難以把握，瞬時或短時超壓現象時常存在，溫度的升高使得管道的材質在極限工況下的微觀成分發生改變，強度降低，韌性變差，內部原有缺陷產生能量的累積，使得缺陷部位的應力集中程度不斷提高，導致新裂紋的萌生擴展。長期在該種高溫高壓工況下運行使得金屬材質微觀組織劣化，其特點是損傷萌生－累積－擴展持續發生的過程，最終導致裂紋的產生、發展與貫通，出現泄漏和爆管事故。

作者采用聲發射技術在鍋爐水壓試驗過程中對聯箱管座焊縫損傷的變化進行動態監測，在復雜的干擾噪聲中找到損傷活動信號，通過分析損傷產生聲發射的機理，得到表征焊縫裂紋活動過程的信號特征。

1 疲勞損傷與聲發射監測原理

1.1 聲發射機理

材料中局部區域快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象叫做聲發射，固體材料中內應力的變化產生聲發射信號，在材料加工、處理和使用過程中有很多因素能引起內應力的變化，如位錯運動、孿生、裂紋萌生與擴展、斷裂、相變、磁疇壁運動等變化。根據觀察到的聲發射信號進行分析與推斷從而了解材料產生聲發射的機制。聲發射是一種動態檢驗方法，對線性缺陷較為敏感，在一次試驗中，能夠整體探測和評價整個結構中缺陷的活動狀態。

基于以上機理，對于材料的微觀形變和開裂以及裂紋的發生和發展過程，可以利用聲發射監測技術來提供它們的動態信息。聲發射源往往是材料災難性破壞的發源地，由于聲發射現象往往在材料破壞之前就會出現，因此只要及時捕捉這些信息，根據其聲發射信號的特征及其信號強度，就可以推論得知聲發射源的目前狀態以及它形成的歷史并對其發展趨勢進行預報。

1.2 疲勞損傷聲發射監測原理

疲勞損傷是指材料或結構在交變載荷作用下由于機械、物理、化學等因素導致其力學性能、微觀結構產生劣化的結果。工程結構中焊縫連接處由于交變載荷作用容易產生疲勞損傷，其發生、發展歷程由位錯－滑移－微觀裂紋－裂紋擴展－斷裂等階段組成。根據損傷力學與斷裂力學原理可知，裂紋萌生、穩定、擴展直至最后斷裂的過程是一個能量累積和快速釋放的過程。能量的釋放包括表面能、熱能、彈性能等形式，其中的彈性能以應力波的形式釋放出來，產生聲發射。聲發射信號包含了信號源處的有效信息，通過監測分析裂紋損傷在疲勞載荷作用下的聲發射信號，有助于了解裂紋及結構的變化情況，進而對材料或結構件進行損傷評價。

鍋爐管道的運行過程中，承受著高溫、高壓的介質作用，在介質的運動過程中，使得管道處于連續的振動狀態，因此其內部不連續部位或原有缺陷在一定的溫度、應力和疲勞狀態下，開始擴展，釋放能量，產生應力波。聯箱管座由于其厚壁焊接結構，往往存在焊接殘余應力，其在高溫、高壓的環境條件下運行一段時間之后，便會在焊縫區內部萌生裂紋，并隨著工況的變化而不斷擴展－穩定－累積－擴展的循環過程。

2 傳感器布置與檢測概況

2.1 傳感器布置

將聯箱管座（結構如圖1所示）焊縫的結構簡化成錐體結構，采用8個傳感器進行同時監測，觀察椎體定位分布特征。1，2，3，4號4個傳感器位于焊縫上端聯箱管座支管管段，5，6，7，8位于焊縫所在直通管段，均布在焊縫周圍。聯箱管座平面圖如圖2所示，傳感器的分布如圖3所示。在水壓加載試驗前采用超聲波檢測方法，對圖2中支管與聯箱管座直角大焊縫區域進行100%掃查，利于將聲發射與超聲波兩種方法的優勢互補，提高檢測準確率。

2.2 檢測準備和加載過程

采用美國物理聲學公司的SAMOS 聲發射系統，搭配DT15I聲發射一體化探頭（響應帶寬為100kHz～400kHz），管座的外徑為404 mm，厚度為87mm，正常工作時內部流通介質為過熱蒸汽。

加載過程中，起始加載載荷為8.5MPa，加載到10 MPa開始保載進行人工點檢，由10 MPa加載到25.4 MPa保載，該載荷為系統的正常工作壓力，保載結束后更換水泵，由25.4 MPa 開始升壓至25.6 MPa，將水泵進行調整繼續加載至31.5 MPa，該載荷為本次試驗最高壓力，保載結束后開始降載，加載過程結束。

3 數據記錄與分析

3.1 試驗記錄

本次檢測的水壓試驗過程控制較好，試驗中間由于更換水泵過程產生了一段不連續的聲發射數據，但整體加載過程留有較好的記錄。根據以往數據處理結果，采用了8個傳感器構建椎面定位，同時采用兩種環向線性定位方法，對水壓試驗過程的數據進行定位比較分析。

由幅值隨時間變化的散點圖（圖4）可知，升壓過程信號撞擊數較多，信號幅值位于40～55dB 之間。開始加壓過程中，由于焊接在管座底管上的支管開始膨脹（支管和焊縫處的氧化皮開裂、摩擦），產生大量的信號，此脆性發展過程的信號隨著壓力的升高和管體塑性變形的增加，趨于穩定和減少。當壓力繼續升高，開始出現間隔性的幅值高達65dB以上的信號，同時信號的撞擊數顯著增多，可以表征穩定加壓過程的信號，因此濾除掉前期噪聲信號，得到了噪聲干擾較少的聲發射信號。

圖4 水壓試驗加載過程信號幅值變化

3.2 數據分析

由定位圖中的聚類分析，根據相同大小區間內出現的定位點集中度進行聚類等級區分，在某一區域出現的定位點越多，表明該處的聚類級別越高，有利于區分各位置的信號活性情況。由圖5中的聚類分析可知，焊縫處信號源聚類程度較高。圖中數字1～8代表8個傳感器的位置，字母代表不同聚類區域，字母順序以z～a倒序排列，且每個聚類所包含的定位事件點數也在圖中顯示了出來。

圖5 定位和聚類分析圖

聲發射是一種動態監測方法，可實時在線監測焊縫內部損傷在外載荷作用下的萌生－擴展－破壞等過程。對于已有的損傷在該工況下處于不活動狀態，則不產生聲發射信號。一定工況下損傷的活動程度能夠真實地反映構件或結構的完整性和健康狀態。

超聲波檢測方法是一種離線檢測，具有精度高的特點，根據經驗可以直觀地判斷內部存在的損傷類型與尺寸，但無法判斷該損傷在現有工況下是否繼續擴展。如果按照標準要求，該種管座的超聲波檢測報告可能要求該管座判廢，而實際上，該種結構的厚壁管座仍然具有一定的使用壽命，如果草率地進行更換，將造成不必要損失。

此次對聲發射與超聲波的綜合檢測對比發現，超聲波檢測出的超規缺陷具有兩種活動狀態，一部分缺陷在加壓過程中處于活動狀態，一部分處于不活動狀態。通過聲發射數據分析發現，信號活躍的區域位于圖6中所示的四個部位，其形成的椎面定位如圖5所示。圖7 和圖8 分別為水壓前和水壓后，采用相控陣方法進行檢測的結果，該結果表明，水壓前后的焊縫缺陷分布部位變化較大，水壓后出現了幾處新的損傷位置，原有缺陷也有擴展的跡象。綜合對比分析，超聲波可以發現靜態地損傷區域位置及損傷的量化信息，聲發射可以動態地監測損傷在該工況下是否處于活動狀態，采用超聲波對于活動狀態下的損傷將進行重點復查，有利于對損傷程度進行進一步判斷和識別。

圖5和圖6為此次檢測數據的錐面定位與環向線性定位圖。線性定位比較容易理解，環向線性定位是針對于環向結構（兩端相連的封閉環結構）檢測時，線性定位的首尾傳感器之間聲波傳播路徑相通，組成了環向的定位結構。由于焊縫的縱深在80mm以上，錐面定位算法將會引起較大的誤差，且焊縫的展開結構類似于不規則橢圓，增大了誤差產生的可能性。因此，錐面定位可以作為定位點的廣域參考范圍進行復查。為了對比需要，將1，2，3，4通道和5，6，7，8通道編成兩組，組成環向線性定位，針對焊縫在加載過程產生的信號進行定位。

4 結論及建議

（1）將聲發射實時動態監測與超聲波靜態檢測方法綜合對比分析，可以有效檢測到水壓過程中焊縫裂紋活動的時間歷程和動態變化位置，同時可以定量判斷水壓前后損傷變化的嚴重程度。兩種方法的組合以及相互驗證提高了結果判斷的可靠性。聲發射可以實時、動態地反映構件內部損傷的變化過程，可以有效地甄別已有損傷的活性狀態，有利于判別損傷對結構完整性的影響。

（2）聯箱管座處于高溫、高壓條件下運行，且由于其大范圍、復雜的焊接工藝會產生較多的焊接缺陷和較大的殘余應力，是運行過程裂紋產生和擴展的源頭，因此，聯箱管座內部往往具有較多的裂紋損傷。

（3）損傷在一定的應力載荷條件下往往具有萌生－累積－擴展的循環過程，因此對于厚壁構件，不同應力狀態下的損傷變化會交替進行，裂紋的擴展代表著該處能量的釋放和應力集中度的重新分布，當滿足下一次擴展條件，才會發生損傷的進一步變化。采用聲發射與超聲波檢測對比分析有利于綜合判斷結構內損傷的嚴重程度和分布狀態，同時得到損傷的活性狀態。

（4）聲發射和超聲波的檢測結果的整理和存檔有利于對該種類型聯箱管座進行累計分析，根據其使用工況和檢測歷史結果，有利于判斷其內部損傷的發展變化和預測其使用壽命，對于工廠安排生產過程具有重要指導意義。

（5）通過本次水壓試驗過程的聲發射監測，對于噪聲的排除以及有效信號的處理積累了經驗，通過多種事件提取方法的對比分析，實現對信號的快速濾波處理和有效事件的識別。

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