聲發射應用現狀與前景
1 .壓力容器的聲發射檢測
壓力容器檢測是目前聲發射技術在中國開展應用*成功和普遍的領域之一,人們已經對現場壓力容器的聲發射源進行了詳細的研究工作,通過大量的試驗和現場應用,使這一方法已達到成熟,制定了國家標準,并編寫了II級檢測人員聲發射培訓教材,對80多人進行了培訓和II級資格認證。目前國內有近30家擁有聲發射儀器的單位從事壓力容器的聲發射檢測,國內的大部分多通道聲發射儀由這些單位擁有。具粗略統計,這些單位每年采用聲發射檢測大型壓力容器200~300臺。
壓力容器的聲發射檢測包括新制造壓力容器水壓試驗時的聲發射監測、在用壓力容器的聲發射檢測和缺陷評價、壓力容器工作狀態下的聲發射在線監測和**評價。由于我國在二十世紀七十年代投入使用的壓力容器絕大部分存在各種各樣的焊接缺陷,在定期檢驗過程中對采用超聲波和射線方法發現的大量超標缺陷的處理十分困難,如全部返修工程造價甚至和更新的費用差不多,而采用聲發射檢測可以快速發現這些超標缺陷中存在的活性缺陷,僅許需對這些活性缺陷進行返修處理,壓力容器即可重新投入使用。另外,在壓力容器的運行過程中,許多到了檢驗周期但由于生產工藝的需要不能停產,而聲發射技術是目前較成熟的在線無損檢測方法,采用聲發射進行在線監測,可以對壓力容器的**性進行評價,從而決定是否延長壓力容器的檢驗周期。
聲發射技術和大量的科研成果在我國壓力容器檢測中成功的推廣和應用,一方面及時排除了大量帶缺陷運行的壓力容器的爆炸隱患,降低了惡性事故的發生,確保了這些壓力容器的**運行,取得了重大的社會效益;另一方面,聲發射檢測大大縮短了壓力容器的檢驗周期,并減少了盲目返修和報廢壓力容器所帶來的損失,為廣大壓力容器用戶帶來了巨大的經濟效益,這種檢驗方法深受廣大壓力容器用戶的歡迎。
2. 航空航天工業中的應用
我國學者在這一領域也進行了廣泛和深入的研究,并取得了一些重要成果。早在二十世紀八十年代初,國內有關單位就進行了飛機機翼疲勞試驗過程中的聲發射監測研究,并在信號處理和識別技術方面積累了寶貴經驗。空軍**研究所在某型飛機的全尺寸疲勞試驗過程中(飛行長達16000小時),用聲發射技術對其主梁螺孔和隔框連接螺栓等部位疲勞裂紋的形成和擴展進行了跟蹤監測,歷時之長和積累數據之豐富都是****的。他們利用了聲發射參數組成多維空間的一個特征矢量,成功進行了疲勞裂紋產生的聲發射信號識別。除利用這種多參數識別方法外,還利用趨勢分析和相關技術等方法對信號進行處理,建立了一套較完整的信號識別和處理體系。
3. 復合材料的聲發射特性研究
聲發射技術目前已成為研究復合材料斷裂機理和檢測復合材料壓力容器的重要方法。中科院沈陽金屬所、航空621所、航天703所和44所在這些領域做了大量工作,尤其是44所作了大量復合材料壓力容器的聲發射檢測,并起草了內部的檢測與評價標準。目前采用聲發射技術已能檢測每根碳纖維或玻璃纖維絲束的斷裂及絲束斷裂載荷的分布,從而評價它們的質量。聲發射技術還可以區分復合材料層板不同階段的斷裂特性,如基體開裂、纖維與基體界面開裂、分層和纖維斷裂。另外,我國也有人采用聲發射技術研究碳纖維增強聚酰亞胺復合材料升溫固化的特性。
4. 聲發射信號的處理技術
聲發射檢測的*主要目的之一是識別產生聲發射源的部位和性質,而聲發射信號的處理是解決這一問題的**途徑。在聲發射信號的處理和分析方面,除大家普遍常用經典聲發射信號參數和定位分析之外,我國目前開展了處于世界前沿的基于波形分析基礎之上的模態分析、經典譜分析、現代譜分析、小波分析和人工神經網絡模式識別,另外也對聲發射信號參數采用了模式識別、灰色關聯分析和模糊分析等先進的技術,我國還自主開發了進行各種信號分析和模式識別的軟件包。通過采用這些信號處理與分析技術,可以在不對聲發射源部位進行其它常規無損檢測方法復驗的情況下,直接給出聲發射源的性質及危險程度。
5.巖石的監測和應力測量
聲發射現象的觀測起源于地震的監測,現今廣泛地用于巖石的監測和地質與石油鉆探中的應力測量。冶金部武漢**環保研究院近20年來一直開展礦山和大型水壩巖石塌方的監測研究和應用工作,近幾年一直在長江三峽大壩對一些關鍵部位的巖石活動情況進行監測,為三峽大壩的建設提供了重要依據。中國科學院地質研究所利用巖石的KAISER效應測量古巖石的應力,以研究遠古時期地質的變化情況。北京石油勘探開發設計院和北京石油大學采用聲發射技術測量巖芯的主應力方向,達到確定油田*大水平應力方向的目的。這些成果已用在我國油田生產和開發上,取得了明顯的經濟效益。
6. 在機械制造過程中的監控應用
聲發射應用于機械制造過程或機加工過程的監控始于二十世紀七十年代末,我國在這一領域起步早、發展快。早在1986年國防科技大學等單位就進行了用聲發射監測機加工刀具磨損的研究工作。現在,一些單位已研制成功車刀破損監測系統和鉆頭折斷報警系統,前者的檢測準確率高達99%。根據刀具與工件接觸時擠壓和摩擦產生聲發射的原理,我國還成功研制出了高精度聲發射對刀裝置,用以保證配合件的加工精度。九十年代,有些部門已開始用人工神經網絡進行刀具狀態監控、切削形態識別與控制以及磨削接觸與砂輪磨損監測等。
7. 鐵路焊接結構疲勞損傷的監測
我國鐵路部門對高速列車轉向架構架模擬梁的焊接結構進行了聲發射監測試驗,采用聲發射多參數分析技術監測了焊接梁疲勞試驗的全過程,得到了構件疲勞損傷各階段與聲發射特征之間的關系,準確的監測到焊接梁中焊縫和應力集中處的裂紋萌生及擴展過程。所用方法可進一步用來確定構件的損傷程度,并有可能應用到鐵路橋梁疲勞損傷監測中。
8. 泄漏監測
帶壓力流體介質的泄漏檢測是聲發射技術應用的一個重要方面,國家質量監督檢驗檢疫總局鍋爐壓力容器檢測研究中心、冶金部武漢**環保研究院和清華大學無損檢測中心在國家“八五”和“九五”期間合作對壓力容器和壓力管道氣、液介質泄漏的聲發射檢測技術進行了研究,取得的科研成果目前已在一些石化企業的原油加熱爐和城市埋地燃氣管道的泄漏監測得到成功應用。核工業總公司武漢核動力運行研究所,于九十年代中期從美國進口了36通道聲發射泄漏檢測儀器,專門用于我國核電站的泄漏檢測,目前已進行了大量研究和應用工作。國家質量監督檢驗檢疫總局鍋爐壓力容器檢測研究中心和大慶石油學院也分別開展了大型油罐底部聲發射泄漏檢測的研究和應用工作,初步取得了成功。
9. 磁聲發射研究
我國于1984年由武漢大學首先開展鐵磁性材料磁聲發射的研究工作,隨后北京科技大學和華中科技大學也相繼開展了磁聲發射的研究工作。武漢大學以多晶和單晶硅鋼材料對磁聲發射的機制進行了詳細研究,并在世界上**提出1800磁疇壁的運動也可以產生很大的磁聲發射信號,他們提出了磁疇壁內磁化矢量的逐漸旋轉運動會產生彈性波的模型,這可認為是對一般公認的磁聲發射產生機制的完善和補充。北京科技大學將磁聲發射與磁巴克豪森效應想結合,開發出可以測量焊縫殘余應力的儀器。
目前急需解決的問題和發展趨勢
自學會成立的25年來,我國的聲發射技術從實驗室的研究到目前在許多工業領域得到成功應用,從開始研制采用電子管技術的模擬式單通道聲發射儀到目前已研制出全數字化全波形的多通道聲發射儀,從十幾個從事聲發射技術的研究人員到目前數百人的科研和檢驗隊伍等多個方面都得到了巨大發展和取得了十分顯著的成就,所有這些是我國聲發射研究和檢測人員努力的成果,但學會在組織學術交流活動、加強我國科研工作人員的信息交流與合作等方面也起到了很大的促進作用。
目前,雖然我國的聲發射技術取得了很大進展,但應當承認與歐美等工業發達國家相比,在很多方面還有差距,考慮到我國當前科研和工程檢測對聲發射技術的需求,特提出以下我國急需解決的問題和聲發射技術的發展趨勢:
(1) 在波的傳播等基礎理論領開展研究,為聲發射技術在工程應用中提供理論依據;
(2) 在儀器開發方面,進一步完善和提高現有機型的功能和可靠性,開發適用于各種工程檢測聲發射信號數據分析與處理軟件包,尤其需要開發適用于埋地管道和油罐底部泄漏檢測的商品化儀器和軟件;
(3) 在換能器制造方面,進一步完善和提高現有共振型換能器的制造水平,開發低頻和高溫換能器的制造技術,并形成商品銷售;
(4) 加快聲發射檢測標準的制定和修訂步伐,建立我國聲發射檢測的標準體系,為進一步推廣聲發射檢測的工程應用打下基礎,盡快趕上工業發達國家的水平;
(5) 加強各部門的協調,建立我國一致的檢驗人員培訓和資質認證體系,擴大聲發射檢測人員的隊伍,降低聲發射檢測人員取得資質證書的成本;
(6) 進一步拓展聲發射檢測技術的應用領域,重點開展橋梁、建筑物、埋地管道和大型常壓油罐的聲發射檢測技術研究和應用;
(7) 進一步開展聲發射信號各種處理分析技術和神經網絡模式識別的研究,提高壓力容器、壓力管道和各種大型機械裝備的在線檢測應用水平。