聲發射技術在起重機檢測中的應用現狀

朱承龍

摘 要：對聲發射技術進行了簡單介紹，歸納了國內外聲發射技術在起重機械檢測領域的應用現狀，并對相應的國內外聲發射標準進行了簡介，探討分析了聲發射技術在起重機械檢測中存在的問題和難點。

關鍵詞：起重機械；聲發射技術；檢測標準

1 前言

隨著經濟發展起重機被廣泛用于物流運輸、冶金、電力、機械制造、建筑建設等行業。起重機工作環境通常較為惡劣，使用過程中多受交變荷載的長期作用，其內部焊縫缺陷、疲勞裂紋、銹蝕等易導致結構折斷，交變荷載、摩擦磨損、疲勞也易導致結構件變形、斷裂等災難性事故[1]。事故一旦發生在作業過程中，就可能引起人員傷亡，因此必須加強對起重機的安全檢測和監測。聲發射（Acoustic Emission，簡稱AE）作為無損檢測技術領域的一種新型檢測技術，有著動態、連續和實時等特點，非常適合用來探測早期的裂縫產生和擴展過程。為此國家重點高技術研究發展計劃（863 計劃）項目中明確提出應用聲發射技術對起重機關鍵結構件的實際情況進行損傷檢測與故障預報。

2 聲發射技術概述

材料中局域源快速釋放能量產生瞬態彈性波的物理現象稱為聲發射。聲發射又稱為應力波發射，是材料受外力或內力作用產生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應力應變能的現象，大多數材料，變形和斷裂時都有聲發射發生[2]。

現今人們獲取聲發射源信息的唯一有效途徑是通過傳感器接收聲發射源發出的原始信號，聲發射檢測技術中常用的信號處理技術是參數分析方法和波形分析方法。參數分析方法通過分析聲發射信號的統計特征參數來獲取聲發射源的相關信息，如：能量、振鈴計數、幅度、上升時間、持續時間等，常用聲發射參數的定義如圖1所示。

與其他起重機常規無損檢測技術相比：聲發射技術被動接收來自材料缺陷自身產生的信號，而不檢測非擴展的無危害缺陷，同時可以通過時差等進行定位；聲發射技術對結構的形狀、尺寸不敏感，對大型結構能進行大面積、整體性檢測，在一次試驗中能夠整體探測和評價整個結構中活性缺陷的狀態，對于結構復雜、體積龐大的大型起重機械，能夠獲得更多的結構信息，有利于完整性評價；聲發射技術能夠在線檢測、監測活性缺陷，對于受力情況復雜的起重機金屬結構，其檢測結果效果更好、更真實。因此，聲發射技術可以彌補常規無損檢測方法的不足，實現結構狀態的整體檢測、監測，具有重要的工程應用價值和實際意義。

3聲發射技術在起重機檢測中的應用現狀

3.1應用研究現狀

聲發射技術已在多個領域得到了廣泛應用，但在起重機械領域的研究還不成熟，目前主要圍繞金屬結構、軸承、變速箱和鋼絲繩等開展。

在國外，Carlyle等最先采用聲發射技術對50t港口門座式起重機進行檢測，之后Gordon等采用聲發射線性定位方法對航母上的橋式起重機的主梁載荷試驗過程進行了監測，并對聲發射源的強度進行了分析；加拿大的Kova工程有限公司開展了玻璃纖維起重機組件的聲發射檢測業務；美國聲學學會公司開發了起重機設備聲發射檢測系統，通過對起重設備施加機械荷載中腐蝕、裂紋聲發射特征分析對設備安全性進行了安全評估。

國內采用聲發射技術在起重機檢測的研究文獻還較少，仍處在探索階段。駱紅云對裝船機的主梁部件進行了聲發射監測，并對其聲發射源的危險等級進行了劃分[3]。吳占穩對起重機聲發射源進行了識別分析，建立了聲發射源同常見聲發射源的對應關系[2]。田建軍等對汽車起重機起吊過程進行了聲發射檢測，發現聲發射源常用參數如活性、強度等與裂紋擴展、殘余應力釋放和機械摩擦等有一定的聯系[4]。三峽大學的李力對起重主梁進行了聲發射檢測，定量分析了裂紋缺陷活度和強度與聲發射參數的關系[5]。武漢理工大學的劉志平等探討了主梁箱型結構下焊接裂紋聲發射源定位方法，提出了平面定位與線性定位相結合的方法[6]。近期，沈功田和吳占穩等在編寫橋式和門式起重機金屬結構聲發射檢測及結果評定方法前對橋式和門式起重機進行了聲發射源特征研究，研究表明橋式和門式起重機聲發射源主要來源于裂紋 塑性變形 結構摩擦機車噪聲，可以通過聲發射采用線性定位方法有效確定聲發射源位置，且聲發射信號特征參數可對各聲發射源進行表征[7]。

3.2相關標準

聲發射檢測在起重機械行業的標準主要是美國ASTM的F914-2003《不帶附加載荷調節裝置的高空載人吊車聲發射標準檢測方法》和F1430-2003《帶附加載荷調節裝置的高空載人吊車聲發射標準檢測方法》等。標準中規定了傳感器布置、載荷施加方式、聲發射參數選定及結果判定方法等。

在國內，隨著聲發射技術的不斷發展和進步，聲發射檢測的標準也在不斷更新完善。從行業標準JB/T8283-1995 《檢測儀性能測試方法》 到QJ2914-1996《復合材料構件檢測方法》，標準中只是將聲發射作為一種參考的方法，在標準GB/T18182-2000《金屬壓力容器檢測方法》和GB/T12604.4-2005《聲發射檢測術語》中，聲發射逐漸成熟成為檢測的一種常規手段。在2016年2月24日GB/T32544-2016《橋式與門式起重機金屬結構聲發射檢測及結果評定方法》正式發布，于2016年9月1日正式實施，標準中主要根據聲發射源的事件數分為4個活性等級，利用聲發射源源區前5個最大的能量、幅度或計數參數的平均值將其強度等級劃分為3級，進而根據聲發射源的強度和活性等級對聲發射源進行綜合等級評定，確定缺陷嚴重程度。

3.3聲發射技術應用存在的主要問題及難點

聲發射在起重機械檢測中得到了一定的發展且形成了相應的標準，但聲發射在起重機械的檢測中所占比例仍較低。一方面是目前還有形成統一完整的起重機聲發射檢測標準，研究手段和方法差別較大，可重復性差；另一方面聲發射檢測在起重機工作現場容易受環境噪聲和電氣噪聲等干擾，聲發射源的定位很難精準。再者就是聲發射源評定缺乏定量方法并且聲發射技術對儀器和人員要求較高，這些都限制了聲發射技術再起重機檢測中的應用。

參考文獻：

[1]王福綿. 2006～ 2011 年起重機械事故統計分析與防范[J]. 中國特種設備安全， 2013 （2）： 49-51.

[2]吳占穩. 起重機的聲發射源特性及識別方法研究[D]. 武漢： 武漢理工大學， 2008.

[3]駱紅云， 張崢， 鐘群鵬， 等. 聲發射技術在大型裝卸設備安全評定中的應用[J]. 起重運輸機械， 2005 （1）： 36-39.