水工金屬結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)傳感器的選擇探索

戚 波，王兆剛，鹿 星，伍衛(wèi)平，胡木生

（1.水利部水利工程建設(shè)司，北京 100053；2.中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)有限公司，北京 100037；3.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南 鄭州 450044）

0 引言

水工金屬結(jié)構(gòu)采用聲發(fā)射技術(shù)[1]（Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱AE）進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通過(guò)接收和分析水工金屬結(jié)構(gòu)材料在承受荷載時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)，可評(píng)定其材料承受荷載的安全性能或結(jié)構(gòu)的完整性。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)水工金屬結(jié)構(gòu)承受荷載的安全性能或結(jié)構(gòu)的完整性進(jìn)行安全運(yùn)行評(píng)估與預(yù)警，已成功應(yīng)用于水工金屬結(jié)構(gòu)的荷載試驗(yàn)檢測(cè)評(píng)估和壓力試驗(yàn)安全保障等工作，胡木生 等[2]對(duì)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在水工金屬結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，伍衛(wèi)平 等[3-6]對(duì)水利水電工程壓力鋼管岔管水壓試驗(yàn)時(shí)是采用聲發(fā)射檢測(cè)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究。

水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)，用一個(gè)或若干個(gè)固定安裝在水工金屬結(jié)構(gòu)材料表面上的聲發(fā)射傳感器來(lái)檢驗(yàn)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備承受荷載或水壓試驗(yàn)時(shí)的安全性。聲發(fā)射傳感器是聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)必不可少的組成部分，其選擇正確與否，直接關(guān)系到聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)整體性能的發(fā)揮。工程檢測(cè)實(shí)際中，聲發(fā)射傳感器靈敏度、工作頻率范圍和衰減特性等性能參數(shù)的正確選擇，不僅對(duì)聲發(fā)射傳感器希望采集到的聲發(fā)射信號(hào)和希望接受到的聲發(fā)射信號(hào)有較大影響，而且在后期對(duì)聲發(fā)射檢測(cè)數(shù)據(jù)分析時(shí)數(shù)據(jù)的真實(shí)度和數(shù)據(jù)的處理結(jié)果有較大影響。從水工金屬結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用角度，進(jìn)行壓力鋼管試件聲發(fā)射檢測(cè)工程試驗(yàn)，探索聲發(fā)射傳感器靈敏度、工作頻率范圍和衰減特性等性能參數(shù)的選擇，工程試驗(yàn)結(jié)果可為聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備荷載試驗(yàn)或水壓試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)提供技術(shù)支撐。

1 聲發(fā)射檢測(cè)

1.1 基本概念和系統(tǒng)原理

由金屬材料組成的水工金屬結(jié)構(gòu)，在承受荷載或水壓試驗(yàn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力。結(jié)構(gòu)應(yīng)力作用下的宏、微觀變形與缺陷擴(kuò)展，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度或穩(wěn)定性不能滿足要求，是水工金屬結(jié)構(gòu)失效的重要機(jī)制。水工金屬結(jié)構(gòu)的材料發(fā)生宏、微觀變形與缺陷擴(kuò)展時(shí)，材料內(nèi)、外部的局域源會(huì)快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射，有時(shí)也稱為應(yīng)力波發(fā)射。對(duì)材料釋放出來(lái)的瞬態(tài)彈性波進(jìn)行采集與分析，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的完整性和安全性，就是聲發(fā)射檢測(cè)。

聲發(fā)射現(xiàn)象是自然界一種常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，幾乎發(fā)生在所有承載結(jié)構(gòu)的材料中。各種金屬、非金屬材料的宏、微觀變形與缺陷擴(kuò)展的聲發(fā)射信號(hào)頻率范圍均不相同，從幾Hz 的次聲頻瞬態(tài)彈性波、20 Hz～20 kHz 的聲頻瞬態(tài)彈性波到數(shù)MHz 的超聲頻瞬態(tài)彈性波都有。另外，瞬態(tài)彈性波的聲發(fā)射信號(hào)幅度變化范圍也很寬泛，從幅值1 010 mm 量級(jí)的微觀位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到1m 量級(jí)如地震波的宏觀運(yùn)動(dòng)均有發(fā)生。隨著聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上第五代聲發(fā)射檢測(cè)儀器的信號(hào)帶寬已擴(kuò)展到1 kHz～5 MHz 甚至10 MHz，完全能滿足當(dāng)前水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備聲發(fā)射檢測(cè)的要求。

水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備承載構(gòu)件的宏、微觀變形與缺陷擴(kuò)展時(shí)，金屬材料內(nèi)、外部發(fā)射的瞬態(tài)彈性波最終會(huì)傳播到達(dá)到材料表面，產(chǎn)生可以用聲發(fā)射傳感器探測(cè)到的表面位移信號(hào)。聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理就是使用聲發(fā)射傳感器，將金屬材料表面因瞬態(tài)彈性波引發(fā)的機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的位移信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)聲發(fā)射傳感器內(nèi)的電子電路轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過(guò)信號(hào)放大器進(jìn)行放大，信號(hào)采集處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理和記錄，提供檢測(cè)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 聲發(fā)射檢測(cè)原理圖

1.2 技術(shù)用途

水工金屬結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的用途很多，譬如在水利水電工程移動(dòng)式啟閉機(jī)荷載試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)主要承載結(jié)構(gòu)宏、微觀變形與缺陷擴(kuò)展情況，對(duì)移動(dòng)式啟閉機(jī)的安全狀況進(jìn)行保障；在水工鋼閘門充水試驗(yàn)進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)閘門主要承載結(jié)構(gòu)的變形與缺陷擴(kuò)展情況，對(duì)閘門的擋水安全進(jìn)行保障；在壓力鋼（岔）管水壓試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)，對(duì)管殼材料中的缺陷擴(kuò)展情況進(jìn)行監(jiān)控，確保壓力鋼（岔）管水壓試驗(yàn)的安全。

水工金屬結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)的主要目的：①為了確定金屬材料中宏、微觀變形與缺陷擴(kuò)展時(shí)產(chǎn)生瞬態(tài)彈性聲發(fā)射源的部位，為后續(xù)采用其他檢測(cè)方法對(duì)缺陷定位提供數(shù)據(jù)支撐；②為了分析瞬態(tài)彈性聲發(fā)射源的性質(zhì)，初步評(píng)價(jià)該瞬態(tài)彈性聲發(fā)射源對(duì)結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的危害程度；③為了確定瞬態(tài)彈性聲發(fā)射發(fā)生的時(shí)間或載荷，對(duì)水工金屬結(jié)構(gòu)在該狀態(tài)下的安全性能進(jìn)行評(píng)估；④為了評(píng)定聲發(fā)射源產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性聲發(fā)射波的嚴(yán)重性，綜合判斷水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的安全性能狀態(tài)。工程檢測(cè)實(shí)際過(guò)程中，對(duì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判的瞬態(tài)彈性聲發(fā)射源，要采用超聲波檢測(cè)等其他無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行局部復(fù)查檢測(cè)，精準(zhǔn)定位超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判的瞬態(tài)彈性聲發(fā)射源位置、性質(zhì)與大小，為指導(dǎo)后續(xù)檢測(cè)工作或?yàn)椴扇∠鄳?yīng)工程處理措施提供依據(jù)。

2 聲發(fā)射傳感器的選擇

2.1 傳感器型號(hào)選擇

聲發(fā)射傳感器是聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)必不可少的組成部分。在水工金屬結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程中，聲發(fā)射傳感器的選擇正確與否，直接關(guān)系到聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)整體性能的發(fā)揮。根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)上成熟的聲發(fā)射傳感器型號(hào)和性能參數(shù)以及金屬材料試件試驗(yàn)，水工金屬結(jié)構(gòu)采用聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)，應(yīng)采用寬帶響應(yīng)的諧振式聲發(fā)射傳感器。

水工金屬結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)目的之一，就是在聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)，對(duì)瞬態(tài)彈性聲發(fā)射源進(jìn)行定位。水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備如移動(dòng)式啟閉機(jī)、水工鋼閘門和壓力鋼（岔）管等均使用金屬材料，金屬材料的聲學(xué)各向異性較小，聲波衰減系數(shù)也很小，頻率帶寬范圍大多是25 kHz～750 kHz。因此，對(duì)水工金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)，選用諧振式聲發(fā)射傳感器，可對(duì)瞬態(tài)彈性聲發(fā)射源進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

具備條件的情況下，應(yīng)對(duì)金屬材料的聲參數(shù)提前進(jìn)行工程實(shí)際測(cè)試試驗(yàn)，確定水工金屬結(jié)構(gòu)中聲發(fā)射信號(hào)的頻率主要分布范圍，然后選擇能包含此范圍的聲發(fā)射信號(hào)的頻率寬度，以及靈敏度高、對(duì)噪音信號(hào)充分過(guò)濾的傳感器進(jìn)行工程實(shí)際檢測(cè)。

諧振式聲發(fā)射傳感器對(duì)帶寬范圍內(nèi)特殊頻率的信號(hào)非常敏感，靈敏度較高，極易與相同頻率的聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生共振。當(dāng)前市場(chǎng)上，成熟的諧振式聲發(fā)射傳感器主要有R15 型諧振式聲發(fā)射傳感器和R3型諧振式聲發(fā)射傳感器兩種型號(hào)。R15 型諧振式聲發(fā)射傳感器的諧振頻率為150 kHz，即該聲發(fā)射傳感器對(duì)這個(gè)頻率的信號(hào)非常靈敏；當(dāng)信號(hào)頻率小于50 kHz 或者大于400 kHz 時(shí)，聲發(fā)射傳感器的靈敏度就迅速降到60 dB 以下，工作頻率范圍為50 kHz～400 kHz，其頻率響應(yīng)曲線見(jiàn)圖2。R3 型諧振式聲發(fā)射傳感器的諧振頻率為300 kHz，工作頻率范圍為25 kHz～70 kHz，其頻率響應(yīng)曲線見(jiàn)圖3。

圖3 R3 型諧振式聲發(fā)射傳感器頻響曲線

由于諧振頻率較高，R15 型諧振式聲發(fā)射傳感器的工作頻率范圍比R3 型諧振式聲發(fā)射傳感器的工作頻率范圍要寬，兩者在各自諧振頻率附近的靈敏度接近一致，詳細(xì)性能參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 兩種常用諧振式聲發(fā)射傳感器的性能參數(shù)

2.2 頻率響應(yīng)衰減特性分析

水工金屬結(jié)構(gòu)采用聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)，不僅要考慮構(gòu)件的幾何尺寸和所需要的傳感器數(shù)量，還應(yīng)考慮布置傳感器時(shí)的最大間距限制。

由于材料阻尼比的存在，聲發(fā)射信號(hào)發(fā)生衰減，是聲發(fā)射信號(hào)幅值隨著離開(kāi)瞬態(tài)彈性聲發(fā)射源距離的增加而減小的必然現(xiàn)象，不可避免。聲發(fā)射信號(hào)的衰減現(xiàn)象，導(dǎo)致了距離瞬態(tài)彈性聲發(fā)射源較遠(yuǎn)位置的信號(hào)較弱，限制了瞬態(tài)彈性聲發(fā)射源的可檢測(cè)性。在水工金屬結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程中，聲發(fā)射信號(hào)的衰減曲線是確定聲發(fā)射傳感器布置時(shí)間距值的關(guān)鍵性因素。因此，在聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)，應(yīng)事先進(jìn)行聲發(fā)射傳感器在檢測(cè)對(duì)象材料中信號(hào)衰減特性的測(cè)試試驗(yàn)[7]。

瞬態(tài)彈性聲發(fā)射源發(fā)生的信號(hào)在檢測(cè)對(duì)象材料中的傳播衰減曲線，關(guān)系到每個(gè)聲發(fā)射傳感器可監(jiān)視的距離范圍，在聲發(fā)射源定位中成為確定聲發(fā)射傳感器檢測(cè)時(shí)的布置間距和傳感器工作頻率的關(guān)鍵因素。

水工金屬結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)，為減少聲發(fā)射信號(hào)衰減的影響，通常采取的措施是降低諧振式聲發(fā)射傳感器的諧振頻率或減小諧振式聲發(fā)射傳感器的布置間距。例如，在水工金屬結(jié)構(gòu)的局部健康聲發(fā)射監(jiān)視檢測(cè)時(shí)，通常采用150 kHz 的高頻諧振式聲發(fā)射傳感器；在大面積的泄露狀況聲發(fā)射監(jiān)視檢測(cè)時(shí)，則多采用30 kHz 的低頻聲發(fā)射傳感器；對(duì)大型水工金屬結(jié)構(gòu)的整體安全狀態(tài)進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)，則相應(yīng)增加諧振式聲發(fā)射傳感器的布置數(shù)量。

選取直徑為Φ160 mm、公稱壁厚4 mm、材質(zhì)為Q345R 的水工金屬結(jié)構(gòu)壓力鋼管試件，分別采用150 kHz 和30 kHz 諧振頻率的兩種諧振式聲發(fā)射傳感器，以國(guó)產(chǎn)Ф0.5 mm 的HB 鉛芯折斷作為聲發(fā)射模擬源，在壓力鋼管試件特定部位進(jìn)行5 次斷鉛試驗(yàn)，取5 次幅值均值（均值取整便于計(jì)算）作為幅值響應(yīng)，進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)的頻率響應(yīng)衰減特性試驗(yàn)。諧振頻率為150 kHz 的諧振式聲發(fā)射傳感器、Ф0.5 mm 的HB 斷鉛試驗(yàn)信號(hào)幅度衰減試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表2，諧振頻率為30 kHz 的諧振式聲發(fā)射傳感器、Ф0.5 mm的HB 斷鉛信號(hào)幅度衰減試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表2 150 kHz 傳感器、Φ0.5 mm 的HB 斷鉛試驗(yàn)信號(hào)幅度衰減測(cè)量

表3 30 kHz 傳感器、Ф0.5 mm 的HB 斷鉛信號(hào)幅度衰減測(cè)量

分析表2、表3 數(shù)據(jù)，可以看出：①諧振式聲發(fā)射傳感器的布置距離對(duì)壓力鋼管試件聲發(fā)射信號(hào)的衰減特性有顯著影響，距離越遠(yuǎn)，衰減越大；②諧振式聲發(fā)射傳感器的諧振頻率亦對(duì)壓力鋼管試件聲發(fā)射信號(hào)的衰減特性有明顯影響，頻率越高，衰減越大。水工金屬結(jié)構(gòu)壓力鋼管試件聲發(fā)射信號(hào)衰減趨勢(shì)詳細(xì)見(jiàn)圖4。

圖4 幅值衰減曲線

因此，對(duì)水工金屬結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)，聲發(fā)射傳感器的選擇，應(yīng)同時(shí)考慮諧振式聲發(fā)射傳感器的峰值靈敏度、諧振頻率、工作頻率范圍以及聲發(fā)射信號(hào)的衰減特性等因素。

3 結(jié)論

綜上所述，在水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程中，應(yīng)首先對(duì)金屬材料的聲參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，確定水工金屬結(jié)構(gòu)材料中聲發(fā)射信號(hào)頻率的主要分布范圍；然后選擇能包含此范圍的聲發(fā)射信號(hào)的工作頻率寬度，以及靈敏度高、對(duì)噪音信號(hào)充分過(guò)濾的傳感器進(jìn)行工程實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用；同時(shí)，在進(jìn)行聲發(fā)射傳感器型號(hào)的選擇時(shí)，還應(yīng)充分考慮其諧振頻率和信號(hào)衰減特性等因素。

水工金屬結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程中，一般推薦采用150 kHz、30 kHz 的諧振聲發(fā)射傳感器。通過(guò)水工金屬結(jié)構(gòu)壓力鋼管試件聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，150 kHz諧振聲發(fā)射傳感器的諧振頻率較高，信號(hào)衰減較快，但工作頻率帶寬范圍相對(duì)更大。因此，150 kHz 的諧振聲發(fā)射傳感器適用于移動(dòng)式啟閉機(jī)、水工鋼閘門等水工金屬結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)時(shí)的母材缺陷和焊接缺陷的聲發(fā)射檢測(cè)；30 kHz 的諧振聲發(fā)射傳感器適用于壓力鋼（岔）管水壓試驗(yàn)泄漏等場(chǎng)合的整體性聲發(fā)射檢測(cè)。