声发射技术在电站锅炉检测中的应用

林 彤，汪文有，孔德连

（1.福建省特种设备检测研究院，福州 350000；2.美国物理声学公司（PAC）北京代表处，北京 100029）

超临界锅炉运行在高温高压环境下，对金属管道的材质、性能等参数的要求高于通用条件下的金属材料，由于运行状态下对温度、应力的控制难以把握，瞬时或短时超压现象时常存在，温度的升高使得管道的材质在极限工况下的微观成分发生改变，强度降低，韧性变差，内部原有缺陷产生能量的累积，使得缺陷部位的应力集中程度不断提高，导致新裂纹的萌生扩展。长期在该种高温高压工况下运行使得金属材质微观组织劣化，其特点是损伤萌生－累积－扩展持续发生的过程，最终导致裂纹的产生、发展与贯通，出现泄漏和爆管事故。

作者采用声发射技术在锅炉水压试验过程中对联箱管座焊缝损伤的变化进行动态监测，在复杂的干扰噪声中找到损伤活动信号，通过分析损伤产生声发射的机理，得到表征焊缝裂纹活动过程的信号特征。

1 疲劳损伤与声发射监测原理

1.1 声发射机理

材料中局部区域快速释放能量产生瞬态弹性波的现象叫做声发射，固体材料中内应力的变化产生声发射信号，在材料加工、处理和使用过程中有很多因素能引起内应力的变化，如位错运动、孪生、裂纹萌生与扩展、断裂、相变、磁畴壁运动等变化。根据观察到的声发射信号进行分析与推断从而了解材料产生声发射的机制。声发射是一种动态检验方法，对线性缺陷较为敏感，在一次试验中，能够整体探测和评价整个结构中缺陷的活动状态。

基于以上机理，对于材料的微观形变和开裂以及裂纹的发生和发展过程，可以利用声发射监测技术来提供它们的动态信息。声发射源往往是材料灾难性破坏的发源地，由于声发射现象往往在材料破坏之前就会出现，因此只要及时捕捉这些信息，根据其声发射信号的特征及其信号强度，就可以推论得知声发射源的目前状态以及它形成的历史并对其发展趋势进行预报。

1.2 疲劳损伤声发射监测原理

疲劳损伤是指材料或结构在交变载荷作用下由于机械、物理、化学等因素导致其力学性能、微观结构产生劣化的结果。工程结构中焊缝连接处由于交变载荷作用容易产生疲劳损伤，其发生、发展历程由位错－滑移－微观裂纹－裂纹扩展－断裂等阶段组成。根据损伤力学与断裂力学原理可知，裂纹萌生、稳定、扩展直至最后断裂的过程是一个能量累积和快速释放的过程。能量的释放包括表面能、热能、弹性能等形式，其中的弹性能以应力波的形式释放出来，产生声发射。声发射信号包含了信号源处的有效信息，通过监测分析裂纹损伤在疲劳载荷作用下的声发射信号，有助于了解裂纹及结构的变化情况，进而对材料或结构件进行损伤评价。

锅炉管道的运行过程中，承受着高温、高压的介质作用，在介质的运动过程中，使得管道处于连续的振动状态，因此其内部不连续部位或原有缺陷在一定的温度、应力和疲劳状态下，开始扩展，释放能量，产生应力波。联箱管座由于其厚壁焊接结构，往往存在焊接残余应力，其在高温、高压的环境条件下运行一段时间之后，便会在焊缝区内部萌生裂纹，并随着工况的变化而不断扩展－稳定－累积－扩展的循环过程。

2 传感器布置与检测概况

2.1 传感器布置

将联箱管座（结构如图1所示）焊缝的结构简化成锥体结构，采用8个传感器进行同时监测，观察椎体定位分布特征。1，2，3，4号4个传感器位于焊缝上端联箱管座支管管段，5，6，7，8位于焊缝所在直通管段，均布在焊缝周围。联箱管座平面图如图2所示，传感器的分布如图3所示。在水压加载试验前采用超声波检测方法，对图2中支管与联箱管座直角大焊缝区域进行100%扫查，利于将声发射与超声波两种方法的优势互补，提高检测准确率。

2.2 检测准备和加载过程

采用美国物理声学公司的SAMOS 声发射系统，搭配DT15I声发射一体化探头（响应带宽为100kHz～400kHz），管座的外径为404 mm，厚度为87mm，正常工作时内部流通介质为过热蒸汽。

加载过程中，起始加载载荷为8.5MPa，加载到10 MPa开始保载进行人工点检，由10 MPa加载到25.4 MPa保载，该载荷为系统的正常工作压力，保载结束后更换水泵，由25.4 MPa 开始升压至25.6 MPa，将水泵进行调整继续加载至31.5 MPa，该载荷为本次试验最高压力，保载结束后开始降载，加载过程结束。

3 数据记录与分析

3.1 试验记录

本次检测的水压试验过程控制较好，试验中间由于更换水泵过程产生了一段不连续的声发射数据，但整体加载过程留有较好的记录。根据以往数据处理结果，采用了8个传感器构建椎面定位，同时采用两种环向线性定位方法，对水压试验过程的数据进行定位比较分析。

由幅值随时间变化的散点图（图4）可知，升压过程信号撞击数较多，信号幅值位于40～55dB 之间。开始加压过程中，由于焊接在管座底管上的支管开始膨胀（支管和焊缝处的氧化皮开裂、摩擦），产生大量的信号，此脆性发展过程的信号随着压力的升高和管体塑性变形的增加，趋于稳定和减少。当压力继续升高，开始出现间隔性的幅值高达65dB以上的信号，同时信号的撞击数显著增多，可以表征稳定加压过程的信号，因此滤除掉前期噪声信号，得到了噪声干扰较少的声发射信号。

图4 水压试验加载过程信号幅值变化

3.2 数据分析

由定位图中的聚类分析，根据相同大小区间内出现的定位点集中度进行聚类等级区分，在某一区域出现的定位点越多，表明该处的聚类级别越高，有利于区分各位置的信号活性情况。由图5中的聚类分析可知，焊缝处信号源聚类程度较高。图中数字1～8代表8个传感器的位置，字母代表不同聚类区域，字母顺序以z～a倒序排列，且每个聚类所包含的定位事件点数也在图中显示了出来。

图5 定位和聚类分析图

声发射是一种动态监测方法，可实时在线监测焊缝内部损伤在外载荷作用下的萌生－扩展－破坏等过程。对于已有的损伤在该工况下处于不活动状态，则不产生声发射信号。一定工况下损伤的活动程度能够真实地反映构件或结构的完整性和健康状态。

超声波检测方法是一种离线检测，具有精度高的特点，根据经验可以直观地判断内部存在的损伤类型与尺寸，但无法判断该损伤在现有工况下是否继续扩展。如果按照标准要求，该种管座的超声波检测报告可能要求该管座判废，而实际上，该种结构的厚壁管座仍然具有一定的使用寿命，如果草率地进行更换，将造成不必要损失。

此次对声发射与超声波的综合检测对比发现，超声波检测出的超规缺陷具有两种活动状态，一部分缺陷在加压过程中处于活动状态，一部分处于不活动状态。通过声发射数据分析发现，信号活跃的区域位于图6中所示的四个部位，其形成的椎面定位如图5所示。图7 和图8 分别为水压前和水压后，采用相控阵方法进行检测的结果，该结果表明，水压前后的焊缝缺陷分布部位变化较大，水压后出现了几处新的损伤位置，原有缺陷也有扩展的迹象。综合对比分析，超声波可以发现静态地损伤区域位置及损伤的量化信息，声发射可以动态地监测损伤在该工况下是否处于活动状态，采用超声波对于活动状态下的损伤将进行重点复查，有利于对损伤程度进行进一步判断和识别。

图5和图6为此次检测数据的锥面定位与环向线性定位图。线性定位比较容易理解，环向线性定位是针对于环向结构（两端相连的封闭环结构）检测时，线性定位的首尾传感器之间声波传播路径相通，组成了环向的定位结构。由于焊缝的纵深在80mm以上，锥面定位算法将会引起较大的误差，且焊缝的展开结构类似于不规则椭圆，增大了误差产生的可能性。因此，锥面定位可以作为定位点的广域参考范围进行复查。为了对比需要，将1，2，3，4通道和5，6，7，8通道编成两组，组成环向线性定位，针对焊缝在加载过程产生的信号进行定位。

4 结论及建议

（1）将声发射实时动态监测与超声波静态检测方法综合对比分析，可以有效检测到水压过程中焊缝裂纹活动的时间历程和动态变化位置，同时可以定量判断水压前后损伤变化的严重程度。两种方法的组合以及相互验证提高了结果判断的可靠性。声发射可以实时、动态地反映构件内部损伤的变化过程，可以有效地甄别已有损伤的活性状态，有利于判别损伤对结构完整性的影响。

（2）联箱管座处于高温、高压条件下运行，且由于其大范围、复杂的焊接工艺会产生较多的焊接缺陷和较大的残余应力，是运行过程裂纹产生和扩展的源头，因此，联箱管座内部往往具有较多的裂纹损伤。

（3）损伤在一定的应力载荷条件下往往具有萌生－累积－扩展的循环过程，因此对于厚壁构件，不同应力状态下的损伤变化会交替进行，裂纹的扩展代表着该处能量的释放和应力集中度的重新分布，当满足下一次扩展条件，才会发生损伤的进一步变化。采用声发射与超声波检测对比分析有利于综合判断结构内损伤的严重程度和分布状态，同时得到损伤的活性状态。

（4）声发射和超声波的检测结果的整理和存档有利于对该种类型联箱管座进行累计分析，根据其使用工况和检测历史结果，有利于判断其内部损伤的发展变化和预测其使用寿命，对于工厂安排生产过程具有重要指导意义。

（5）通过本次水压试验过程的声发射监测，对于噪声的排除以及有效信号的处理积累了经验，通过多种事件提取方法的对比分析，实现对信号的快速滤波处理和有效事件的识别。

［1］ 耿荣生，吴克勤，景鹏，等.全尺寸飞机机体疲劳试验时中央翼与外翼连接区域疲劳损伤的声发射监测［J］.无损检测，2008，30（1）：145－148.

［2］ 沈功田，戴光，刘时风.中国声发射检测技术进展学会成立25周年纪念［J］.无损检测，2003，25（6）：302－307.

［3］ 耿荣生，景鹏，雷洪，等.飞机主梁疲劳裂纹萌生声发射信号的识别方法［J］.航空学报，1996，17（3）：368－372.

［4］ 沈功田，耿荣生，刘时风.声发射信号处理和分析技术［J］.无损检测，2002，24（1）：23－28.

［5］ 沈功田，耿荣生，刘时风.声发射信号的参数分析方法［J］.无损检测，2002，24（2）：72－77.

［6］ 沈功田，耿荣生，刘时风.声发射源定位技术［J］.无损检测，2002，24（3）：114－117.

［7］ 沈功田，耿荣生，刘时风.连续声发射信号的源定位技术［J］.无损检测，2002，24（4）：164－167.

［8］ 耿荣生，沈功田，刘时风.模态声发射基本理论［J］.无损检测，2002，24（7）：302－306.

［9］ 李光海，刘时风，耿荣生，等.声发射源特征识别的最新方法［J］.无损检测，2002，24（12）：534－538.