压力容器声发射技术

摘要 摘 要 声发射技术属于声学检测技术领域，作为一种新型动态检测技术，目 前已发展成为压力容器检测和安全评定的重要无损检测方法之一，在故障 诊断中占有重要地位，并有广泛的应用前景。声发射技术特别适合那些无 法进行内部检测和焊缝中存在大量超标缺陷的压力容器的检验和评定。 本文简单介绍了声发射技术概念和基本原理、声发射的特点及其优缺 点，对直线定位技术和任意三角形网络定位技术进行了研究，对区域定位 法进行了简单的介绍，然后设计了检验框图和基本程序，对声发射前置电 路进行了深入研究，并探讨了压力容器的声发射检验缺陷评定，最后声发 射检测系统采用空间滤波技术来排除外界噪声的干扰。 关键词 声发射技术；压力容器；定位方法； 声发射源；空间滤波技术 1 燕山大学本科生毕业设计（论文） Abstract Detection of acoustic emission technique is the field of ultrasound technology as a new type of dynamic testing technology, has developed into a pressure vessel, the current detection and safety assessment of one of the important non- destructive testing methods, in fault diagnosis plays an important role, as well as the prospects for a wide range of applications . Acoustic emission technology, especially for those who are unable to conduct an internal testing and the existence of a large number of weld defects in the pressure vessel over the testing and evaluation. This article briefly introduced the concept of acoustic emission technique and the basic principles of acoustic emission characteristics and their advantages and disadvantages of linear positioning technology and location technology arbitrary triangle network conducted a study on the regional location of a brief introduction, and then design a test block diagram and basic procedures, pre-AE- depth study of the circuit, and to explore the pressure vessel defect assessment of acoustic emission testing, the final acoustic emission detection spatial filtering technique used to exclude external noise interference. Keywords AE technology; pressure vessels; positioning methods; acoustic emission source; space filtering technology 2 目 录目 录 摘 要 摘 要 AbstractAbstract 第 1 章 绪论 . 1.1 课题背景 . 1.2 压力容器声发射技术的发展概况 . 1.2.1 声发射技术的研究进展 . 1.2.2 国外压力容器声发射检测技术概况 . 1.2.3 国内压力容器声发射检测技术概况 . 1.3 本课题研究内容 . 第 2 章 声发射技术原理 . 2.1 声发射技术的原理 . 2.2 压力容器检验中应用声发射技术的重要依据 . 2.2.1 凯赛尔效应 . 2.2.2 费利西蒂效应和费利西蒂比 . 2.3 声发射技术的特点 . 2.3.1 声发射技术的优点 . 2.3.2 声发射技术的局限性 . 2.4 本章小结 . 第 3 章 声发射定位技术 . 3.1 声发射定位技术研究 . 3.1.1 不同声发射源的产生部位和机理 . 3.1.2 不同声发射源定位特性 . 3.2 声发射定位技术研究方法 . 3.2.1 时差定位法 . 3.2.2 直线定位法 . 3.2.3 任意平面三角形定位法 . 3.2.4 区域定位法 . 3.3 本章小结 . 第 4 章 压力容器的声发射检验和安全评定 . 4.1 压力容器的声发射在线检验 . 4.2 压力容器的声发射检测方法 . 4.2.1 声发射技术在压力容器检验中的步骤 . 3 4.2.2 在用压力容器的常规检验方法的不足 . 4.2.3 新制造压力容器的声发射检验 . 4.3 在用压力容器的声发射检验的优势 . 4.4 本章小结 . 第 5 章 压力容器的声发射检验程序 . 5.1 声发射检测的基本程序及检验框图 . 5.1.1 压力容器声发射检验框图 . 5.1.2 声发射检测的基本程序 . 5.2 声发射检测系统主要装置 . 5.2.1 声发射仪 . 5.2.2 换能器 . 5.2.3 前置放大器 . 5.2.4 记录和分析声发射信号的装置 . 5.3 本章小结 . 第 6 章 系统抗干扰技术及应用 . 6.1 声发射信号采集过程的干扰来源 . 6.1.1 机械噪声 . 6.1.2 电磁干扰噪声 . 6. 2 抗干扰措施 6.2.1 硬件抗干扰的措施 . 6.2.2 软件抗干扰的措施 . 6.3 空间滤波技术 . 6.3.1 主副鉴别 . 6.3.2 符合鉴别 36 6.3.3 前沿鉴别 . 6.4 本章小结 . 结 论 结 论 参考文献 参考文献 附录附录 1 1 附录附录 2 2 附录附录 3 3 附录附录 4 4 致谢 致谢 5 1绪论 1.1 课题背景 压力容器主要应用于石油化工行业，由于其盛装着易燃、易爆、剧毒 或腐蚀介质，长期承受高温和压力，是危险性较高的特种设备。压力容器 在制造中采用焊接连接的部位很多，这些部位存在的焊接缺陷在高温、高 压下很容易因产生腐蚀、裂纹而损伤，若因此而发生泄漏或爆炸，后果将 不堪设想。近几年来，国内外的压力容器爆炸事故屡有发生，给国家和人 民生命财产造成了巨大的损失。 为了避免和减少压力容器失效事故的发生，最有效的措施就是对压力 容器进行监测和定期检验。因此，无损检测在压力容器制造和使用过程中 具有举足轻重的地位，必须对在役压力容器设备进行在线检测。在役压力 容器设备检测要在线无损检测，其工作介质特殊，危险性大，一般为远程 测量。另外在役压力容器检测的工作量大，有较大难度，并且诊断要求有 一定的前瞻性，有预警功能。 鉴于在役压力容器在线检测的这些特点，传统的检测方法已不能满足 检测要求，声发射技术作为在线无损检测的新兴技术，经过几十年的发展 已逐渐成熟地应用于压力容器的在线检测。 目前声发射技术作为一种成熟的无损检测方法，已被广泛应用于许多 领域，主要包括以下方面： (1) 石油化工工业：各种压力容器、压力管道和海洋石油平台的检测和 结构完整性评价，常压贮罐底部、各种阀门和埋地管道的泄漏检测等。 (2) 电力工业：高压蒸汽汽包、管道和阀门的检测和泄漏监测，汽轮机 叶片的检测，汽轮机轴承运行状况的监测，变压器局部放电的检测。 (3) 材料试验：材料的性能测试、断裂试验、疲劳试验、腐蚀监测和摩 擦测试, 铁磁性材料的磁声发射测试等。 (4) 民用工程：楼房、桥梁、起重机、隧道、大坝的检测，水泥结构裂 纹开裂和扩展的连续监视等。 6 第1 章 绪论 (5) 航天和航空工业：航空器壳体和主要构件的检测和结构完整性评价， 航空器的时效试验、疲劳试验检测和运行过程中的在线连续监测等。 (6) 金属加工：工具磨损和断裂的探测，打磨轮或整形装置与工件接触 的探测，修理整形的验证，金属加工过程的质量控制，焊接过程监测，振 动探测，锻压测试，加工过程的碰撞探测和预防。 (7) 交通运输业：长管拖车、公路和铁路槽车及船舶的检测和缺陷定位， 铁路材料和结构的裂纹探测，桥梁和隧道的结构完整性检测，卡车和火车 滚珠轴承和轴颈轴承的状态监测，火车车轮和轴承的断裂探测。 (8) 其他：硬盘的干扰探测，带压瓶的完整性检测，庄稼和树木的干旱 应力监测，磨损摩擦监测，岩石探测，地质和地震上的应用，发动机的状 态监测，转动机械的在线过程监测，钢轧辊的裂纹探测，汽车轴承强化过 程的监测，铸造过程监测，Li/MnO2 电池的充放电监测，人骨头的摩擦、 受力和破坏特性试验，骨关节状况的监测。 1.2 压力容器声发射技术的发展概况 1.2.1 声发射技术的研究进展 材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射 1,2， 声发射是一种常见的物理现象，大多数材料变形和断裂时有声发射发 生，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要藉助灵 敏的电子仪器才能检测出来，用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用 声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术。 现代声发射技术的开始以 Kaiser 二十世纪五十年代初在德国所作的研 究工作为标志。他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和 合金在形变过程中都有声发射现象。他最有意义的发现是材料形变声发射 的不可逆效应即：“材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应 力之前不产生声发射信号”。现在人们称材料的这种不可逆现象为 “Kaiser 效应”。Kaiser 同时提出了连续型和突发型声发射信号的概念。 二十世纪五十年代末和六十年代，美国和日本许多工作者在实验室中 作了大量工作，研究了各种材料声发射源的物理机制，并初步应用于工程 7 材料的无损检测领域。Dunegan 首次将声发射技术应用于压力容器的检测。 美国于 1967年成立了声发射工作组，日本于1969年成立了声发射协会。 二十世纪七十年代初, Dunegan 等人开展了现代声发射仪器的研制，他 们把仪器测试频率提高到 100KHz-1MHz 的范围内, 这是声发射实验技术的 重大进展, 现代声发射仪器的研制成功为声发射技术从实验室走向在生产现 场用于监视大型构件的结构完整性创造了条件。 随着现代声发射仪器的出现，整个七十年代和八十年代初人们从声发 射源机制、波的传播到声发射信号分析方面开展了广泛和系统的深入研究 工作。在生产现场也得到了广泛的应用，尤其在化工容器、核容器和焊接 过程的控制方面取得了成功。Drouillard 于 1979 年统计出版了 1979 年以前 世界上发表的声发射论文目录, 据他的统计, 到1986 年底世界上发表有关声 发射的论文总数已超过 5000篇。 八十年代初，美国 PAC 公司将现代微处理计算机技术引入声发射检测 系统, 设计出了体积和重量较小的第二代源定位声发射检测仪器, 并开发了 一系列多功能高级检测和数据分析软件, 通过微处理计算机控制, 可以对被 检测构件进行实时声发射源定位监测和数据分析显示。由于第二代声发射 仪器体积和重量小易携带，从而推动了八十年代声发射技术进行现场检测 的广泛应用，另一方面，由于采用 286 及更高级的微处理机和多功能检测 分析软件，仪器采集和处理声发射信号的速度大幅度提高，仪器的信息存 储量巨大，从而提高了声发射检测技术的声发射源定位功能和缺陷检测准 确率。 进入九十年代，美国 PAC 公司、美国 DW 公司、德国 Vallen Systeme 公司和中国广州声华公司先后分别开发生产了计算机化程度更高、体积和 重量更小的第三代数字化多通道声发射检测分析系统，这些系统除能进行 声发射参数实时测量和声发射源定位外，还可直接进行声发射波形的观察、 显示、记录和频谱分析。 声发射信号处理技术的发展同声发射技术的发展，特别是同声发射采 集系统的发展及现代信号处理技术的发展息息相关。按处理信号数据类型 的不同可把声发射信号处理技术分为： (1) 直接以声发射信号波形为处理对象，根据所记录信号的时域波形及 8 第1 章 绪论 与此相关联的频谱、相关函数等来获取声发射信号所含信息的方法。 (2)声发射信号特征参量分析法，利用信号分析处理技术，处理由声发 射仪采集的声发射信号特征参量。目前主要采用的声发射特征参量如声发 射信号的幅度、能量、计数、事件、上升时间、持续时间和门槛等，很多 声发射源特性可以用这些声发射特征的统计参量描述，为工程实际应用带 来极大的方便。 1.2.2 国外压力容器声发射检测技术概况 压力容器的声发射检测与评价声发射检测主要是针对容器中的活性缺 陷，可以在水压试验或其它加载试验过程中，利用少量固定不动的换能器， 获得活性缺陷的动态信息，而活性缺陷即声发射源的位置可通过时差定位、 区域定位及次序冲击方法来确定。美国 MANSANTO 化学工业公司应用声 发射技术成功地检测了数千台大型金属和复合材料压力容器3，该项技术 在日本、意大利、澳大利亚等国家也得到广泛研究和应用。目前压力容器 的声发射检测在美国、欧盟和日本等工业发达国家也得到广泛应用。20 世 纪 80 年代，美国材料试验协会(ASTM)和机械工程协会(ASME)、日本无损 检测协会(NDIS)、法国及欧洲声发射工作组(EWGAE)等，相继提出了有关 声发射检测标准和规范，包括术语、检测仪性能测试和检测方法。其中， 美国 ASTM 标准和 ASME 规范数量多，比较配套，而且内容详细。在检测 应用方面，美国、欧盟和澳大利亚等国家有许多检测检验公司从事压力容 器的声发射检测。据报道，美国 MANSANTO 化学工业公司到 20 世纪 90 年代初已应用声发射技术，并成功检验了几百台大型压力容器，其中许多 检测是在运行过程中进行的。该项工作在日本、欧盟和澳大利亚等国家也 开展应用，并有成功的报道。很多文章均报道了声发射技术在压力容器检 验中可以发现裂纹、未熔合、未焊透、夹渣和气孔等焊接缺陷。但这些缺 陷的发现，均是在声发射检测之后，再在声发射源所指定的部位经磁粉、 渗透、超声波或射线探伤等常规无损检测方法复验后确定的。 进入九十年代，美国 PAC 公司、WD 公司和德国 Vallen Systeme 公司 先后分别开发生产了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化 多通道声发射检测分析系统，这些系统除能进行声发射参数实时测量和声 9 发射源定位外，还可直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。 这就为声发射技术在压力容器检验中的应用奠定了很好基础。 1.2.3 国内压力容器声发射检测技术概况 声发射技术于 20 世纪 70 年代初期引入我国，机械部合肥通用机械研 究所最早开展了压力容器的声发射检测应用工作，80 年代我国特种设备检 测研究中心(原劳动部锅炉压力容器检测研究中心)、冶金部武汉安全环保 研究院和大庆石油学院等对金属压力容器的声发射检测和评定方法进行了 较深入的研究和广泛的应用，航天部 44 所开展了压力容器中复合材料的声 发射特性研究及检测应用工作。90 年代初燕山石化、天津石化、大庆油田、 胜利油田、辽河油田和深圳锅炉压力容器检验所等单位相继进口了月国家 质量监督检验检疫总局颁枢的特种设备检验检测机构管理规定和特 种设备检验检测人员考核与监督管理规则，正式将声发射技术作为压力 容声发射检测工作正式纳入我国特种设备安全监察法规体系。据估计，我 国目前约有 30 多家专业检验单技术研究和检测工作，通过对多台压力容器 现场声发射检验数据的分析及对报废压力容器进行超压试验的声发射检测， 对现场压力容器检验可能遇到的裂纹、夹渣、未熔合、未焊透等焊接缺陷 的开裂和增长、残余应力释放、氧化皮的剥落、结构摩擦、泄漏、风吹、 雨滴撞击和电子噪音等多种声发射源检测积累了较丰富的经验，从而对声 发射技术在我国的推广应用具有十分重要的意义。 我国目前约有 30多个专业检验单位、科研院所和大专院校从事压力容 器声发射检测技术的研究和应用，从业人员 100 多人4。例如：合肥通用机 械研究所5和大庆石油学院等单位6主要对材料的声发射特性和压力容器的 声发射检测、评定方法进行了深入的研究。武汉大学等单位7在磁声发射 机理和应用方面进行了研究。据粗略统计，这些单位每年采用声发射检测 大型压力容器 300500台。在仪器制造和销售方面，国内主要有科海恒生 公司、广州声华公司和沈阳电子所等8。 在金属压力容器的声发射信号处理和分析方面，我国处于领先地位。 刘时风、沈功田和耿荣生9-11开发和采用了基于波形分析基础之上的模态分 析、经典谱分析、现代谱分析、小波分析和人工神经网络模式识别，另外 1 0 第1 章 绪论 也对声发射信号参数采用了模式识别、灰色关联分析和模糊分析等先进技 术，我国还自主开发了进行各种信号分析和模式识别的软件包。通过采用 这些信号处理与分析技术，可以在不对声发射源部位进行常规无损检测复 验的情况下，直接给出声发射源的性质及危险程度。 1.3 本课题研究内容 声发射检测主要是对压力容器进行整体结构检验，针对压力容器中的 活性缺陷，它可以在压力容器内部承载压力变化过程中，利用固定不动的 换能器，获得活性缺陷的动态信息。然后通过对声发射源信号进行分析， 或辅以常规无损检验方法复验，从而确定压力容器的安全性能。 本课题研究的内容主要包括以下几个方面: (1) 研究掌握在压力容器检验中，应用声发射技术采集数据的方法，掌 握声发射技术原理，如何正确获取声发射数据。 (2) 对常见声发射定位技术进行分析研究，确定定位检测方法。 (3) 寻求提高系统抗干扰能力的有效途径。 1 1 2声发射技术原理 2.1 声发射技术的原理 声发射是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象。材 料在应力作用下的变形与裂纹扩展，是结构失效的重要机制。这种直接与 变形和断裂机制有关的源，通常称为声发射源。流体泄漏、摩擦、撞击、 燃烧等与变形和断裂机制无直接关系的另一类弹性波源，则称为二次声发 射源。 声发射源发出的弹性波，经介质传播到达被检体表面，引起表面的机 械振动12。经声发射传感器将表面的瞬态位移转换成电信号，再经放大、 处理后，形成其特性参数，并被记录与显示。最后，经数据的解释，评定 出声发射源的特性。 声发射是一种常见的物理现象，大多数材料变形和断裂时均伴有声发 射，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵 敏的电子仪器才能检测出来。用仪器探测、记录和分析声发射信号以及利 用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射检测技术。图 2-1 为声发射 检测原理示意图。 信 号 放 大 信 号 处 理 记 录 与 显 示 声电转换 声发射源 传播 解释与评定 图 2-1 声发射检测原理示意图 图 2-2 为瞬态弹性波在板中传播过程的示意图，波在两个界面上多次 反射与折射，每次反射与折射都可能有波型模式变换等声波界面作用现象， 因此板中的声发射波是复杂的纵波、横波和表面波的混合波传播情况。而 ?/ 第2章 声发射技术原理 在岩体中，由于存在节理、裂隙及裂隙中的水、碎石、杂土等，其结构复 杂多变，因此声发射瞬态弹性波在岩体中的传播情况也更为复杂，而且不 同地点的岩体传播情况也大不相同。 图 2-2 瞬态弹性波在板中传播过程的示意图 2.2 压力容器检验中应用声发射技术的重要依据 压力容器检验中应用声发射技术的重要依据是凯赛尔效应和费利西蒂 比13 。 2.2.1 凯赛尔效应 材料的受载历史，对重复加载声发射特性有重要影响。重复载荷到达 原先所加最大载荷以前不发生明显声发射，这种声发射不可逆性质称为凯 赛尔效应。多数金属材料中,可观察到明显的凯赛尔效应。但是重复加载前， 如产生新裂纹或其它可逆声发射机制，则凯赛尔效应会消失。凯赛尔效应 在声发射技术中有着重要用途，包括：在役构件新生裂纹的定期过载声 发射检测；构件原先所受最大应力的推定；疲劳裂纹起始与扩展声发 射检测；通过预载措施消除噪声干扰；加载过程中常见可逆性摩擦噪 声的鉴别。 2.2.2 费利西蒂效应和费利西蒂比 材料重复加载时，重复载荷到达原先所加最大载荷前发生明显声发射 的现象，称为费利西蒂效应，也可认为是反凯赛尔效应。重复加载时的声 发射起始载荷( AE P )对原先所加最大载荷 ( max P )之比( AE P / max P )，称为费利 西蒂比。费利西蒂比作为一种定量参数，较好地反映材料中原先所受损伤 或结构缺陷的严重程度，己成为缺陷严重性的重要评定判据。树脂荃复合 13 材料等粘弹性材料，由于具有应变对应力的迟后效应而使其应用更为有效。 费利西蒂比大于 1 表示凯赛尔效应成立，而小于 1 则表示不成立。在一些 复合材料构件中，费利西蒂比小于 0.95作为声发射源超标的重要判据。 2.3 声发射技术的特点 声发射检测方法在无损检测技术中占有重要地位，它是声学无损检测 中的重要方法。它必须有外部条件，如力、电、磁、温度等因素的作用， 使材料或构件发声:另一方面，由于这些因素的作用，使材料内部结构发生 变化，如晶体结构变化、滑移变形、裂纹扩展等。发声是在材料内部变化 过程中产生的，也只有内部结构变化才能引起能量释放，才能发声。因此， 不是检测静态缺陷14，声发射检测是一种动态无损检测方法，即在构件或 材料的内部结构缺陷或潜在缺陷处于运动变化的过程中进行无损检测。声 发射检测的另一特点是被检测对象能动的参加到检验的过程中去，它利用 物体内部缺陷(内因)在外力作用下(外因)能动地发射声波;从而从这一声波 中推知发声缺陷的部位和情况。根据所发射的声波的特点和诱发声发射的 外部条件，不仅可以了解缺陷的目前状态，也能了解缺陷的形成历史，以 及该缺陷在将来的实际使用条件下将要发生的扩展趋势，这是其它传统无 损检测方法所无法做到的。 2.3.1 声发射技术的优点 由于声发射检测具有这样的特点，因此与其它无损检测方法相比，它 具有如下优点： (1) 适用于动态检测，可对运行中的设备和受力情况下的部件进行实时 的检测、监视和报警。这不仅可以减少设备检修的成本，而且可以有效的 避免重大事故的发生，提高经济效益。 (2) 只需接收探头，不需发射换能器。当物体中有声发射事件发生时， 在测控范围内的任何部位都能探测到，这一点尤其有利于对形状复杂的和 特大的构件或结构体(岩体)进行检测。 (3) 声发射现象是固体中普遍存在的。因此大部分材料都可以应用声发 射技术来检测，这种特点使声发射技术具有广阔的应用前景。 第2章 声发射技术原理 2.3.2 声发射技术的局限性 声发射技术15-19虽然有着许多的优点，但在应用中也有一定的局限， 其局限性表现为： (1) 声发射不能提供静态缺陷的情况，因为只有在动态受力情况下才能 发生声发射现象。 (2) 声发射的不可逆性使测量应在第一次加载时进行，如果已经加过载， 则未超过前次加载情况下不会发生声发射。因此，进行声发射检测前，需 要知道其受力历史。 (3) 声发射过程中伴有大量噪声，不注意排除噪声，将会得到错误的结 果。因此声发射技术也是和噪声做斗争的技术。 另外，声发射检测的主要目标是： (1) 确定声发射源的部位； (2) 分析声发射源的性质； (3) 确定声发射发生的时间或载荷； (4) 评定声发射源的严重性 一般而言，对超标声发射源，要用其它无损检测方法进行局部复检， 以精确确定缺陷的性质与大小。 2.4 本章小结 本章介绍了声发射技术的工作原理及其主要特点。声发射技术是声发 射是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象。另外简单介 绍声发射技术所用到的装置和声发射技术较其他无损检测技术的优点。并 了解了压力容器检验中应用声发射技术的重要依据是凯赛尔效应和费利西 蒂比。 15 3声发射定位技术 3.1 声发射定位技术研究 声发射源定位是进行声发射检测的一项重要工作，是声发射检测与评 定的一项重要指标，其准确程度反映了声源检测位置与实际出现的活动缺 陷位置的吻合程度。 声发射源定位方法按测试对象或测试定位要求主要可分为线定位、面 定位和三维定位。其中面定位又可分为平面定位和二维定位。按实现定位 的方法原理，声发射源定位又可分为时差定位法、区域定位法、智能定位 法。时差定位法根据同一声发射源所发出的声发射信号到达不同传感器的 时间上的差异以及传感器布置的空间位置，通过它们的几何关系列出方程 并进行求解，可得到声发射源的精确位置。时差定位法通常假定材料声传 播各向同性，声速为常数，是目前线性、平面应用最普遍的声发射源定位 方法。 3.1.1 不同声发射源的产生部位和机理 了解现场压力容器的声发射源特性是进行压力容器声发射信号源分析 和解释的基础，通过对特检中心近 10 年在现场进行的 500 多台实际压力容 器声发射检验数据的综合分析，以及对发现的声发射源进行的常规无损检 测复验结果，现场压力容器声发射检验可能遇到的典型声发射源分为七类， 以下介绍这些声发射源产生的部位和机理。 (1) 裂纹扩展 压力容器焊缝上表面裂纹及内部深埋裂纹的尖端塑性形变钝化和扩展 而产生声发射信号。 (2) 焊接缺陷开裂 压力容器焊缝内存在的气孔、夹渣、未熔合和未焊透等缺陷的开裂和 扩展及非金属夹渣物的断裂可产生声发射信号。 (3) 机械摩擦 容器外部脚手架的碰撞、内部塔板、外部保温及平台支撑等部件均可 16 第3章 声发射定位技术 产生机械摩擦声发射信号。另外，立式容器的裙座和卧式容器的马鞍型支 座均由垫板连接容器壳体和支撑板，一般垫板与容器壳体采用全部或部分 角焊缝焊接。在加压过程中，垫板与壳体膨胀不一致引起的摩擦可产生大 量的声发射信号。 (4) 焊接残余应力释放 对于新制压力容器，首次加压易出现此类信号；对于在用压力容器， 焊缝返修部位易出现此类声发射源。另外容器的裙座、支座、支柱和接管 等角焊缝部位易产生焊接残余应力和应力集中。在升压过程中应力的重新 分布可产生大量声发射信号。 (5) 泄漏 在气压或水压试验过程中，容器上接管、法兰、人孔以及缺陷穿透部 位的泄漏，可产生大量的声发射信号。 (6) 氧化皮剥落 长期使用的钢制压力容器，在内外部均易产生氧化，有时内部介质腐 蚀性严重、外部环境潮湿、酸雨和海风等可产生较严重的腐蚀，在水压试 验过程中，这些氧化皮的破裂剥落过程会产生大量的声发射信号。 (7) 电子噪声 探头信号线短路、传输电缆线短路、前置放大器自激发等都可产生大 量的电子噪声信号。 3.1.2 不同声发射源定位特性 (1) 裂纹扩展 裂纹的声发射定位源比较集中，在进行加载声发射检测期间，一般在 低于压力容器运行的压力下无声发射定位源信号，在高于此压力的升压、 保压各个阶段均有声发射定位源信号，在降压后的第二次升压和保压阶段， 很少或几乎没有声发射定位源信号，满足凯赛尔效应。 (2) 焊接缺陷 容器在制造焊接过程中，如果焊接工艺操作不当，即可出现各种焊接 缺陷。其中气孔、夹渣和未熔合三种焊接缺陷很易同时出现，混合在一起。 根据大量的压力容器声发射试验结果，大部分缺陷在正常的水压试验条件 17 下不易产生声发射信号，但也有一些缺陷可产生大量声发射信号。这些缺 陷产生的声发射定位源也比较集中，在进行加载声发射检测时，一般在低 于压力容器运行的压力下即可产生声发射定位源信号，而且各个升压和保 压阶段均有声发射定位源信号，在降压后的第二次升压和保压阶段，也可 出现一些声发射定位源信号，不能满足凯赛尔效应。分析认为，夹渣缺陷 的存在是第二次升压过程中产生声发射信号的原因。这是因为非金属夹渣 物在第一次升压过程中可产生断裂并与金属物会继续破裂或相互之间产生 摩擦而释放出弹性波。 (3) 机械摩擦 在现场压力容器加压试验过程中，容器壳体会产生相应的应变，以至 整个结构因摩擦产生大量的声发射定位源信号，该现象十分常见。结构摩 擦通常由脚手架、保温支撑环、容器的支座、裙座、柱腿和平台等焊接垫 板引起。结构摩擦产生的声发射定位源散布在较大的范围，而且由于结构 摩擦的AE 机制与一整块金属材料因塑性变形产生 AE的机制不同，故不能 满足凯赛尔效应，即在降压后的第二次升压过程中仍产生大量的声发射信 号。 (4) 焊接残余应力释放 冷加工、焊接和不均匀加热都可在压力容器壳体上产生残余应力、焊 缝错边、机械损伤和壁厚减薄等结构性缺陷，在加压过程中也可引起应力 集中，这些部位在第一次加压和保压过程中均产生大量的声发射信号。由 于残余应力的分布范围比裂纹和焊接缺陷部位大得多，因此产生的声发射 定位源区域比裂纹和夹渣等缺陷的范围大。残余应力释放产生的声发射信 号具有两个特点：定位源分布范围较大，不象裂纹扩展和焊接缺陷开裂 产生的声发射定位源那么集中。满足凯赛尔效应，因为残余应力释放是 应力集中部位材料的局部屈服，导致大量位错运动而产生的声发射信号， 位错运动的最终结果使应力得到一定程度的松弛。降压后进行第二次升压 时，只有压力达到第一次最高压力之后，位错才会运动，故才有声发射信 号产生。图 4 为一台高压空气贮罐在 1315MPa 加压时，三处焊缝返修部 位产生的 AE源。 18 第3章 声发射定位技术 (5) 泄漏 由于泄漏产生的声发射信号是连续的，因此不能被时差定位方法进行 定位。但是，对于多通道仪器来说，探头越接近泄漏源的通道，采集的声 发射信号越多，信号的幅度、能量等声发射参数也越大。通过采用声发射 信号撞击数、幅度和能量等与声发射通道的分布图，可以确定泄漏源的区 域。 (6) 氧化皮剥落 在首次加压过程中，随着应力的增加，容器壳体必然会产生相应的应 变，但容器壳体表面附着的金属氧化物不能随之产生相同的应变，故在加 压与保压过程氧化皮会破裂剥落，从而产生大量的声发射信号。声发射定 位源均匀散布在氧化腐蚀的位置，在从低压到高压的所有升压和保压过程 均有大量信号出现，而且在第二次升压和保压过程中也有少量分散的信号 产生。 (7) 电子噪声 由于目前所采用声发射仪器的抗干扰能力较强，根据大量压力容器现 场检验的经验发现，采集到的几乎所有的电子噪声信号都不是来自于外部 环境，而是来自于声发射仪器系统内部。声发射系统内部的电子噪声源主 要包括探头、信号线、前置放大器、电缆线和信号采集板等。由于来自不 同通道的。电子噪声信号相互不关联，所以不会产生定位源。 3.2.1 声发射定位技术研究方法声发射定位技术研究方法 3.2.1 时差定位法 时差定位法是根据同一声发射源所发出的声发射信号到达不同传感器 的时间差，经波速、传感器间距等参数的测量和算法运算，确定声源的精 确位置，是一种精确而复杂的定位方法。本课题所采用的便是时差定位法。 到达时间差定位又称双曲线(或双曲面)定位法。这种方法主要是通过 处理三个或更多个测量站所采集信号的到达时间的数据来对辐射源进行定 位。在二维平面内，辐射源信号至两测量站的到达时间差。确定了一条以 两个测量站为焦点的双曲线(两站的连线称为基线)如果利用三个站形成两 19 条双曲线基线，那么可得到两条双曲线的交点，再利用测向信息排除基线 另一侧的虚点，就能把辐射源的位置(不含高度信息)确定下来。若要确定 三维空间的任一辐射源，则至少需用四个站构成三个或三个以上的双曲面 才有可能实现。 3.2.2 直线定位法 3.2.2.1 直线定位概念及公式 直线定位法就是在一维空间中确定声发射源的位置坐标，亦称线定位。 线定位是声源定位中最简单的方法，多用于焊缝缺陷的定位。在一维空间 放置两个换能器，它们所确定的源位置必须在两换能器的连接直线或圆弧 线上。如图 3-1 所示，取坐标原点为两换能器之间连接直线的中点，取 x 方向为正方向。如换能器 1 首先接收到声发射信号，时差计数器所计的数 值取负号；反之，换能器 2 首先接收到声发射信号，时差计数值取正号。 那么，声源 )(xP 的位置坐标可由下式求出： (), 2 t xsigntv D =D () () 1 1 signt signt D = D =- 式中， tD 是到达两换能器的时差(绝对值)，v是声速，可用模拟声发 射源事先标定得到。当信号先到达换能器 1 时， 1tsign ，当信号先到 达换能器 2 时， 1tsign x 0换能器1换能器2 图 3-1 线定位方法示意图 3.2.2.2 线定位中有效阵列的判断 为了优化程序，减少计算量。在线定位有效阵列的判断上，没有采用 常规的距离判断法，即根据柱式容器的外径和容器一层上布置传感器的数 量，求出传感器之间的最短距离，然后再计算被触发传感器之间的距离， 比较两者大小，得出两传感器是否存在于有效阵列中。这样判断虽然在大 20 第3章 声发射定位技术 多数情况下满足要求，然而当传感器不是均匀排布时，如图3-2 172 3 456 图3-2 线定位常规阵列判断法缺陷试验图 假设排布的为 1 至 7 号传感器，具体情况如图所示。很明显图中 6 号 传感器与 7 号传感器的距离最大，且远大于 4 号与 5 号、4 号与 6 号之间的 距离，当用常规的最大距离法来进行有效阵列判断时，像图中的 1 与 3 号 传感器，4 与 6 号传感器就会被判断为有效阵列，这样一来，就会出现漏 定位、多定位、定位不准确等问题。而且，在对柱式容器的环焊缝进行监 测时，用最大距离法时必须确定每一传感器的坐标。从而带来计算上的负 担。因此，为解决这些问题，在阵列的判断上，首次提出了字符比较法， 即将处于同一层的传感器编号处理成一个字符串，然后利用只有相邻传感 器才为有效阵列的判断标准，进行定位阵列的有效性判断。为方便说明问 题，现举例如下： 如果在某一柱式容器的声发射检测中，要对其中一条焊缝重点监测， 传感器布置如图 3-3 1 2 16 10 4 18 图3-3 线定位传感器布置示意图 对该容器展开后监测焊缝的传感器布置如图34 1241811016 图 3-4 容器展开后线定位传感器布置示意图 21 此时再利用一不会引起棍淆的标志性字符或空格(这里使用空格)，定 义一个字符串 String，令 1_18_16_10_4_2_1String 在检测时，一旦某两个传感器被触发，假设为 4 号探头和 10 号探头， 则定义另外一个字符串 Str，令 10_4Str ，这样就可判断 Str 字符串是否 在 String 字符串当中，则被触发的传感器为有效阵列内传感器，反之假设 如果被触发的传感器为 4 号探头和 18 号探头，则被触发的传感器为无效阵 列内传感器，将不进行定位计算。 3.2.3 任意平面三角形定位法 3.2.3.1 任意平面三角形定位公式推导 在声发射定位的时差定位法20中，可以进行平面定位的除了直线定位 法以外，还有四边形定位，球面三角形定位，任意三角形定位。由于考虑 问题的需要，扩大使用范围，增加定位的准确性，在对柱式容器的检测中， 选择了对探头布置要求低且覆盖面广的任意三角形定位，如图3-5 P(x,y) ),( 22 yxC )0 , 0(A ),( 11 yxB x y r 图 3-5 任意三角形定位示意图 假定放置三个换能器构成任意三角形，位置为 )0 , 0(A ， ),( 11 yxB ， ),( 22 yxC 。在 ),(yxP 处有一声发射源，距 A 的距离为 r，则声源距 A 与距 B 和 C 的距离差分别为： () 11010 BPAPttvtvd=-=-D ( )3 1- () 22020 CPAPttvtvd=-=-D ( )32- 其中， 0 t ， 1 t 和 2 t 分别为到达换能器A、B 和C 的时间， 10 tD 和 20 tD 分 22 第3章 声发射定位技术 别为信号到达换能器 A与B 和 A 与 C 的时差，由此可知，声源P 位于分别 以 A，B 和 C 为圆心，r、 1 rd+ 和 2 rd+ 为半径的圆的交点上，其方程分别 为： 做极坐标 ()()() ()()() 222 222 111 222 222 xyr xxyyr xxyyr d d += -+-=+ -+-=+ ( )33- 将式(3-3)的第一式代入第二，三式，则可得 () () 222 111111 222 222222 222 222 xxyyxyr xxyyxyr dd dd +=+- +=+- () () 34 35 - - 做极坐标变换 cos ,sinxryrqq= ，且令 222222 11112222 ,AxyAxydd=+-=+- 可得 () 1111 2cossinr xyAqq d+= ( )36- () 2222 2cossinr xyAqq d+= ( )37- 如果 111222 cossin0,cossin0xyxyqqdqqd+ 时，可由极坐标 方程( )36- 和( )37- 得 ()() 12 111222 2cossin2cossin AA r xyxyqq dqq d = + ( )3 8- 由上式作等价变形，得 ()() 122112212112 cossinA xA xA yA yAAqqdd-+-=- ( )39- 为进行余弦变换作准