起重機金屬結構損傷聲發射檢測案例

張延兵

(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院南通分院 南通 226011)

起重機金屬結構損傷聲發射檢測案例

張延兵

(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院南通分院 南通 226011)

起重機械主要由金屬構件通過焊接或螺栓等方式聯接而成，其金屬構件在交變載荷作用下會發生變形、裂紋擴展甚至疲勞斷裂，進而引發嚴重的安全事故。聲發射技術憑借其對活性缺陷敏感、檢測覆蓋范圍廣等優勢可以很好地彌補常規方法的諸多不足。本文將利用前期研究成果，分別在實驗室和現場對起重機金屬結構損傷進行在線聲發射檢測。

起重機械 損傷 聲發射 檢測

按照金屬結構類型的不同,起重機可分為橋架類型起重機和臂架類型起重機,而不同的金屬結構則會對聲發射檢測產生一定的影響,如聲發射波傳播特性、聲發射傳感器的布置及源定位的可靠性等。基于前文對起重機典型結構中聲發射波傳播特性及Q235B材料和箱形梁結構損傷聲發射源特性的研究［1］,本文分別對實驗室一小型葫蘆門式起重機和某造船廠一臺已服役30年的門座式起重機進行聲發射檢測,以此開展起重機聲發射檢測的工程應用研究,從而為起重機現場聲發射檢測的應用積累經驗［2］。

1 實驗室某小型葫蘆門式起重機聲發射檢測

1.1 聲發射檢測方案

對圖1(a)中葫蘆門式起重機進行AE檢測,表1為該起重機的基本參數。測試過程中,分別在起重機主梁跨中和懸臂梁兩個位置起吊0.3t的標定塊,采用聲發射儀器采集起吊過程中所產生的AE信號,儀器采集參數參照表1進行設置。基于對箱形梁中AE波傳播特性及損傷源特性的研究,并結合門機承載過程中其金屬結構的應力分布狀態,分別在起重機支腿、主梁及懸臂梁上布置S1～S10傳感器進行AE監測,如圖1(b)所示,傳感器布置主要遵循以下幾個原則:

1)起重機承載時金屬結構中應力較大區域需要布置傳感器進行局部監測,如S1～S4。

2)箱形梁在承載過程中,其腹板更容易發生屈曲變形損傷,所以應優先在腹板中布置監測傳感器。

3)AE信號在起重機箱形梁中的傳播路徑比較復雜,且在AE源所在板件上傳播的信號攜帶了源信號的大部分能量,所以需要在各板件上同時布置傳感器以實現對不同板件的監測,如S6/S7和S9/S10。

4)由于AE信號在傳播過程中會發生一系列的反射、散射、相互干涉以及頻散現象,利用單一傳感器所采集的信號來分析AE源特性會存在一定偏差,為便于在后續數據分析時,通過綜合多個傳感器所采集的信號對損傷狀態做出初步的判斷,主梁監測所用傳感器應不少于3枚。

圖1 測試現場及傳感器布置

表1 葫蘆門式起重機參數

1.2 檢測結果分析

通過AE檢測數據分析發現,當起重機分別在主梁和懸臂梁兩個位置起吊0.3t重物時,僅在電動葫蘆啟動與制動瞬間有AE信號產生,AE撞擊數較少且信號幅值均低于60dB,與前文材料實驗和箱形梁損傷實驗中所獲得的信號相比,明顯屬于低幅值事件,另外,在起吊過程中幾乎沒有AE信號產生,圖2即為試驗過程AE信號幅值歷程圖。監測結果說明在起吊0.3t重物時,由于遠沒有達到起重機的額定起升重量,在起升重物的過程中,起重機金屬結構中基本沒有產生幅值高于40dB的AE信號,但在電動葫蘆啟動與制動瞬間,由于存在對起重機梁的載荷沖擊,此時聲發射儀采集到少量AE撞擊信號,但幅值均低于60dB。

圖2 試驗過程聲發射幅度歷程圖

提取試驗過程中典型AE信號波形進行分析［3-5］,圖3為在懸臂起吊重物時10#通道所采集到的典型信號波形頻譜。可以看出吊重0.3t時,啟動與制動時刻的AE信號為典型的突發型信號,頻譜分布范圍較寬,且在100～500kHz之間均有較強的譜峰出現,結合分析可知,這些信號并不是來自于起重機金屬結構中的活性缺陷,而是由啟動與制動瞬間起重機梁所受到的沖擊載荷產生。由于起吊過程中并未產生較高幅值的AE信號,所以可以判定此起重機金屬結構在0.3t載荷下并不存在活性缺陷的擴展。通過查閱此臺起重機使用歷史發現,其由2012年06月15日出廠,主要在實驗室中使用,使用頻率較低,所以判定其金屬結構不存在活性缺陷是合理的。另外,由于此次試驗載荷為0.3t,僅為額定載荷的60%,所以只能判定在此載荷下起重機不存在活性缺陷擴展,若需進一步評估該起重機的健康狀態,需將試驗載荷增加至額定載荷甚至以上進行聲發射監測試驗。

圖3 試驗過程典型聲發射信號波形頻譜

2 某造船廠門座式起重機聲發射檢測

2.1 門座式起重機基本信息

該門座式起重機型號為MQ1260-45,其主體為鋼桁架結構,主要采用T型材、角鋼通過螺栓或焊接的方式聯接而成,其基本結構由上至下包括人字架、臂架、機房駕駛室、轉柱、八桿及門座,其他附屬結構如梯子、門窗等為次要結構,并不承受載荷,如圖4所示。

圖4 門座式起重機

2.2 聲發射檢測方案

該門座式起重機為桁架式結構,AE信號在該類結構中傳播非常復雜,一般的AE源定位方法如線性定位、平面定位等已不再適用。因此,此次檢測不進行AE源定位,而是采用聲發射逐點監測法實現對特定區域的檢測,其基本原理是在起重機中受力較大以及存在應力集中的關鍵結構區域,如人字架兩側拉桿、臂架根部弦桿、轉臺大梁等位置分別布置傳感器,以實現對特定區域的損傷監測。

基于以上檢測方法,在該起重機金屬結構上7個可能出現損傷的位置分別布置AE傳感器進行檢測,各個檢測位置對應的通道見表2,圖5為現場各個位置的傳感器布置圖。

表2 聲發射檢測測點位置

圖5 現場檢測傳感器布置圖

本次現場檢測工況參考GB/T 18182《金屬壓力容器聲發射檢測及結果評價方法》制定,僅在起重機起吊重物和制動的過程中(主要模擬起重機械在升載和降載過程),采用聲發射儀對其金屬結構狀態進行檢測。如圖6所示,檢測程序分三個階段進行:

圖6 門座式起重機聲發射檢測程序

1)第一階段為起吊重物一定高度后制動,保持10min后結束;

2)第二階段為繼續起吊重物一定高度后制動,保持5min后結束;

3)第三階段為卸載后,重新起吊重物一定高度后制動,保持1min后結束。

上述過程均以1.1倍額定載荷起吊重物,AE信號采集參數參照相關要求進行設置。

2.3 信號分析處理

圖7 為第一階段各AE通道所采集信號的幅值歷程圖,圖中黑色虛線為測試過程中記錄的時間標志,依時間順序分別表示開始起吊重物時刻和制動時刻。從圖中可以看出:

1)在開始起吊重物前,各通道基本沒有采集到AE信號,說明通過設置40dB的采集閾值,環境噪聲以及由于風載等引起的起重機金屬結構的振動與摩擦噪聲得到了很好的屏蔽。

2)起重機在起吊重物時,各通道AE信號撞擊數及幅值迅速增加,在制動之前各通道所監測位置均表現出較強的AE活性和強度。其中,轉柱中部主弦桿(3#)、門架支腿底部(7#)及機房內轉臺大梁(4#)三個區域AE信號最高幅值分別達到了78dB、85d B和84dB,而其他通道所監測區域的AE活性和強度相對較弱,說明3#、4#、7#傳感器監測區域受起升重物載荷沖擊影響較大。

3)制動以后的10min保載過程中,僅4#通道仍保持較強的AE活性和強度,且存在不少幅值高達60～80dB的AE撞擊,而其他通道均只出現少量幅值低于60dB的AE撞擊。

圖7 第一階段各AE通道信號幅度歷程散點圖

圖8 為檢測程序中第二、第三階段各AE通道所采集信號的幅值歷程圖。

可以看出,在第二階段起吊過程中,由于不存在載荷的沖擊,此時各通道采集到的AE信號很少。第三階段是在卸載重物后重新起吊,由于存在載荷的沖擊,此時各通道采集到的AE信號明顯多于第二階段,但由于材料聲發射現象所遵循的Kaiser效應,此階段所產生的AE信號相比與首次加載(即第一階段)顯著減少。

在第二、第三階段載荷保持過程中,各通道AE信號歷程規律與第一階段類似,僅4#通道保持較強的AE活性和強度。

圖8 第二、第三階段各AE通道信號幅度歷程散點圖

通過以上分析可知,起重機在起吊重物時,包括啟動和制動時刻,AE傳感器會采集到較多的AE信號,這些信號的可能來源包括實際結構損傷源、機械振動及電氣噪聲等,而在起重機載荷保持過程中,AE信號源僅剩下起重機金屬結構損傷。在三個階段的載荷保持過程中,僅4#通道始終保持較強的AE活性和強度,說明此處可能存在損傷源。

為研究各通道所采集的信號的來源與性質,同時確定采集的信號中是否存在起重機運行過程中所產生的電氣噪聲的干擾,分別提取各通道典型信號波形頻譜進行分析,如圖9、圖10所示。基于前文［1］4.3.2和5.4.2節中對起重機材料及結構損傷典型AE信號波形的分析,并結合起重機在起吊重物和載荷保持過程中可能存在的AE源,可以判斷圖9(a)和圖10信號均來自于起重機結構材料內部局部的塑性變形或是微裂紋擴展,而圖9(b)所示信號僅出現于起吊重物過程中,且與材料損傷AE信號差異很大,故推測其來自于起重機運行過程中的電氣噪聲干擾。

圖9 起吊重物過程典型AE信號波形頻譜

圖10 載荷保持過程典型AE信號波形頻譜

該門座式起重機已服役30年,此次檢測的目的在于對其進行安全評估。通過以上AE檢測數據分析,可以判定該起重機轉臺大梁中被4#通道監測的區域存在較為活躍的AE源,因此推測該區域結構材料內部可能存在一定的損傷,但暫時還無法評估該損傷的嚴重程度,故建議采用其他常規檢測方法對該區域進行復檢。

3 結論

本文分別對實驗室一小型葫蘆門式起重機和某造船廠一臺已服役30年的門座式起重機進行聲發射檢測,以此開展起重機聲發射檢測的工程應用研究,主要得到以下結論:

1)對實驗室一葫蘆門式起重機進行AE檢測,在電動葫蘆啟動與制動瞬間,由于存在載荷沖擊,出現了少量幅值低于60dB的AE撞擊信號,但在起吊重物過程中并未出現AE信號。綜合AE信號幅值參數歷程和波形頻譜分析［6］,并查閱該起重機使用歷史,可以判定在0.3t試驗載荷下該起重機不存在活性缺陷擴展。

2)對某造船廠一臺已服役30年的門座式起重機進行聲發射檢測,通過AE信號分析發現轉臺大梁中被4#通道監測的區域可能存在較為活躍的AE源,推測該區域結構材料內部存在一定的損傷,建議采用其他常規檢測方法對該區域進行復檢。后經打磨后進行滲透探傷,確定該處有表面裂紋存在,這主要是由于該處為起重機回轉臺主梁與支撐連接部位,該區域類似懸臂梁的最根部,在起重機械的頻繁起吊過程中,最容易產生疲勞損傷。

［1］ 張一輝，張文斌，張延兵，等．Q235B鋼板拉伸損傷試驗的聲發射特性［J］．振動與沖擊，2015，34(15) ：156-161．

［2］ 吳占穩，沈功田，王少梅，等．聲發射技術在起重機無損檢測中的現狀 ［J］．起 重運輸機械，2007，(10)：4．

［3］ Dalton P R， Cawley P and Lowe M J． Propagation of acoustic emission signals in metallic fuselage structure［J］．IEE Proc-Sci． Meas Technol．， 2001， 148(4)： 167-177．

［4］ Mba D， Hall L D． The transmission of acoustic emission across large-scale turbine rotors［J］． NDT & E International， 2002， 35(8)： 529-539．

［5］ Naber R R， Bahai H． Analytical and experimental validations of a numerical band-limited Green’s function approach for modeling acoustic emission waves［J］． Advances in Engineering Softwave， 2007， 38(112)： 876-885．

［6］ 于金濤，丁明理．復合材料聲發射信號傳播特性試驗研究 ［J］．電機與控制學報，2012，16(8)：107-112．

Application of the Acoustic Emission Technology in the Gantry Crane Damage Detection

Zhang Yanbing
(Jiangsu Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute, Branch of Nantong Nantong 226011)

Hoisting machinery is mainly composed of metal components connected by bolt or welding, under the action of alternating load deformation, the metal structure will appear crack propagation and fatigue fracture, even cause serious safety accidents. Because of its sensitivity, Acoustic emission technique has been successfully applied in wide detection. This article will use the previous research results to make portal crane metal structure damage acoustic emission detection on line.

Cranes Damage Acoustic emission Testing

X924

：B

1673-257X(2017)07-0046-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.07.011

張延兵（1981～)，男，碩士，副主任，高級工程師，從事特種設備定期檢驗、常壓儲罐在線及全面檢驗、各種無損檢測等工作。

張延兵，E-mail： 93829185@qq．com。

2017-04-24）