林 彤,汪文有,孔德連
(1.福建省特種設(shè)備檢測研究院,福州 350000;2.美國物理聲學(xué)公司(PAC)北京代表處,北京 100029)
超臨界鍋爐運行在高溫高壓環(huán)境下,對金屬管道的材質(zhì)、性能等參數(shù)的要求高于通用條件下的金屬材料,由于運行狀態(tài)下對溫度、應(yīng)力的控制難以把握,瞬時或短時超壓現(xiàn)象時常存在,溫度的升高使得管道的材質(zhì)在極限工況下的微觀成分發(fā)生改變,強(qiáng)度降低,韌性變差,內(nèi)部原有缺陷產(chǎn)生能量的累積,使得缺陷部位的應(yīng)力集中程度不斷提高,導(dǎo)致新裂紋的萌生擴(kuò)展。長期在該種高溫高壓工況下運行使得金屬材質(zhì)微觀組織劣化,其特點是損傷萌生-累積-擴(kuò)展持續(xù)發(fā)生的過程,最終導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展與貫通,出現(xiàn)泄漏和爆管事故。
作者采用聲發(fā)射技術(shù)在鍋爐水壓試驗過程中對聯(lián)箱管座焊縫損傷的變化進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測,在復(fù)雜的干擾噪聲中找到損傷活動信號,通過分析損傷產(chǎn)生聲發(fā)射的機(jī)理,得到表征焊縫裂紋活動過程的信號特征。
材料中局部區(qū)域快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象叫做聲發(fā)射,固體材料中內(nèi)應(yīng)力的變化產(chǎn)生聲發(fā)射信號,在材料加工、處理和使用過程中有很多因素能引起內(nèi)應(yīng)力的變化,如位錯運動、孿生、裂紋萌生與擴(kuò)展、斷裂、相變、磁疇壁運動等變化。根據(jù)觀察到的聲發(fā)射信號進(jìn)行分析與推斷從而了解材料產(chǎn)生聲發(fā)射的機(jī)制。聲發(fā)射是一種動態(tài)檢驗方法,對線性缺陷較為敏感,在一次試驗中,能夠整體探測和評價整個結(jié)構(gòu)中缺陷的活動狀態(tài)。
基于以上機(jī)理,對于材料的微觀形變和開裂以及裂紋的發(fā)生和發(fā)展過程,可以利用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)來提供它們的動態(tài)信息。聲發(fā)射源往往是材料災(zāi)難性破壞的發(fā)源地,由于聲發(fā)射現(xiàn)象往往在材料破壞之前就會出現(xiàn),因此只要及時捕捉這些信息,根據(jù)其聲發(fā)射信號的特征及其信號強(qiáng)度,就可以推論得知聲發(fā)射源的目前狀態(tài)以及它形成的歷史并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)報。
疲勞損傷是指材料或結(jié)構(gòu)在交變載荷作用下由于機(jī)械、物理、化學(xué)等因素導(dǎo)致其力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劣化的結(jié)果。工程結(jié)構(gòu)中焊縫連接處由于交變載荷作用容易產(chǎn)生疲勞損傷,其發(fā)生、發(fā)展歷程由位錯-滑移-微觀裂紋-裂紋擴(kuò)展-斷裂等階段組成。根據(jù)損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)原理可知,裂紋萌生、穩(wěn)定、擴(kuò)展直至最后斷裂的過程是一個能量累積和快速釋放的過程。能量的釋放包括表面能、熱能、彈性能等形式,其中的彈性能以應(yīng)力波的形式釋放出來,產(chǎn)生聲發(fā)射。聲發(fā)射信號包含了信號源處的有效信息,通過監(jiān)測分析裂紋損傷在疲勞載荷作用下的聲發(fā)射信號,有助于了解裂紋及結(jié)構(gòu)的變化情況,進(jìn)而對材料或結(jié)構(gòu)件進(jìn)行損傷評價。
鍋爐管道的運行過程中,承受著高溫、高壓的介質(zhì)作用,在介質(zhì)的運動過程中,使得管道處于連續(xù)的振動狀態(tài),因此其內(nèi)部不連續(xù)部位或原有缺陷在一定的溫度、應(yīng)力和疲勞狀態(tài)下,開始擴(kuò)展,釋放能量,產(chǎn)生應(yīng)力波。聯(lián)箱管座由于其厚壁焊接結(jié)構(gòu),往往存在焊接殘余應(yīng)力,其在高溫、高壓的環(huán)境條件下運行一段時間之后,便會在焊縫區(qū)內(nèi)部萌生裂紋,并隨著工況的變化而不斷擴(kuò)展-穩(wěn)定-累積-擴(kuò)展的循環(huán)過程。
將聯(lián)箱管座(結(jié)構(gòu)如圖1所示)焊縫的結(jié)構(gòu)簡化成錐體結(jié)構(gòu),采用8個傳感器進(jìn)行同時監(jiān)測,觀察椎體定位分布特征。1,2,3,4號4個傳感器位于焊縫上端聯(lián)箱管座支管管段,5,6,7,8位于焊縫所在直通管段,均布在焊縫周圍。聯(lián)箱管座平面圖如圖2所示,傳感器的分布如圖3所示。在水壓加載試驗前采用超聲波檢測方法,對圖2中支管與聯(lián)箱管座直角大焊縫區(qū)域進(jìn)行100%掃查,利于將聲發(fā)射與超聲波兩種方法的優(yōu)勢互補(bǔ),提高檢測準(zhǔn)確率。
采用美國物理聲學(xué)公司的SAMOS 聲發(fā)射系統(tǒng),搭配DT15I聲發(fā)射一體化探頭(響應(yīng)帶寬為100kHz~400kHz),管座的外徑為404 mm,厚度為87mm,正常工作時內(nèi)部流通介質(zhì)為過熱蒸汽。
加載過程中,起始加載載荷為8.5MPa,加載到10 MPa開始保載進(jìn)行人工點檢,由10 MPa加載到25.4 MPa保載,該載荷為系統(tǒng)的正常工作壓力,保載結(jié)束后更換水泵,由25.4 MPa 開始升壓至25.6 MPa,將水泵進(jìn)行調(diào)整繼續(xù)加載至31.5 MPa,該載荷為本次試驗最高壓力,保載結(jié)束后開始降載,加載過程結(jié)束。
本次檢測的水壓試驗過程控制較好,試驗中間由于更換水泵過程產(chǎn)生了一段不連續(xù)的聲發(fā)射數(shù)據(jù),但整體加載過程留有較好的記錄。根據(jù)以往數(shù)據(jù)處理結(jié)果,采用了8個傳感器構(gòu)建椎面定位,同時采用兩種環(huán)向線性定位方法,對水壓試驗過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位比較分析。
由幅值隨時間變化的散點圖(圖4)可知,升壓過程信號撞擊數(shù)較多,信號幅值位于40~55dB 之間。開始加壓過程中,由于焊接在管座底管上的支管開始膨脹(支管和焊縫處的氧化皮開裂、摩擦),產(chǎn)生大量的信號,此脆性發(fā)展過程的信號隨著壓力的升高和管體塑性變形的增加,趨于穩(wěn)定和減少。當(dāng)壓力繼續(xù)升高,開始出現(xiàn)間隔性的幅值高達(dá)65dB以上的信號,同時信號的撞擊數(shù)顯著增多,可以表征穩(wěn)定加壓過程的信號,因此濾除掉前期噪聲信號,得到了噪聲干擾較少的聲發(fā)射信號。
圖4 水壓試驗加載過程信號幅值變化
由定位圖中的聚類分析,根據(jù)相同大小區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的定位點集中度進(jìn)行聚類等級區(qū)分,在某一區(qū)域出現(xiàn)的定位點越多,表明該處的聚類級別越高,有利于區(qū)分各位置的信號活性情況。由圖5中的聚類分析可知,焊縫處信號源聚類程度較高。圖中數(shù)字1~8代表8個傳感器的位置,字母代表不同聚類區(qū)域,字母順序以z~a倒序排列,且每個聚類所包含的定位事件點數(shù)也在圖中顯示了出來。
圖5 定位和聚類分析圖
聲發(fā)射是一種動態(tài)監(jiān)測方法,可實時在線監(jiān)測焊縫內(nèi)部損傷在外載荷作用下的萌生-擴(kuò)展-破壞等過程。對于已有的損傷在該工況下處于不活動狀態(tài),則不產(chǎn)生聲發(fā)射信號。一定工況下?lián)p傷的活動程度能夠真實地反映構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的完整性和健康狀態(tài)。
超聲波檢測方法是一種離線檢測,具有精度高的特點,根據(jù)經(jīng)驗可以直觀地判斷內(nèi)部存在的損傷類型與尺寸,但無法判斷該損傷在現(xiàn)有工況下是否繼續(xù)擴(kuò)展。如果按照標(biāo)準(zhǔn)要求,該種管座的超聲波檢測報告可能要求該管座判廢,而實際上,該種結(jié)構(gòu)的厚壁管座仍然具有一定的使用壽命,如果草率地進(jìn)行更換,將造成不必要損失。
此次對聲發(fā)射與超聲波的綜合檢測對比發(fā)現(xiàn),超聲波檢測出的超規(guī)缺陷具有兩種活動狀態(tài),一部分缺陷在加壓過程中處于活動狀態(tài),一部分處于不活動狀態(tài)。通過聲發(fā)射數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),信號活躍的區(qū)域位于圖6中所示的四個部位,其形成的椎面定位如圖5所示。圖7 和圖8 分別為水壓前和水壓后,采用相控陣方法進(jìn)行檢測的結(jié)果,該結(jié)果表明,水壓前后的焊縫缺陷分布部位變化較大,水壓后出現(xiàn)了幾處新的損傷位置,原有缺陷也有擴(kuò)展的跡象。綜合對比分析,超聲波可以發(fā)現(xiàn)靜態(tài)地?fù)p傷區(qū)域位置及損傷的量化信息,聲發(fā)射可以動態(tài)地監(jiān)測損傷在該工況下是否處于活動狀態(tài),采用超聲波對于活動狀態(tài)下的損傷將進(jìn)行重點復(fù)查,有利于對損傷程度進(jìn)行進(jìn)一步判斷和識別。
圖5和圖6為此次檢測數(shù)據(jù)的錐面定位與環(huán)向線性定位圖。線性定位比較容易理解,環(huán)向線性定位是針對于環(huán)向結(jié)構(gòu)(兩端相連的封閉環(huán)結(jié)構(gòu))檢測時,線性定位的首尾傳感器之間聲波傳播路徑相通,組成了環(huán)向的定位結(jié)構(gòu)。由于焊縫的縱深在80mm以上,錐面定位算法將會引起較大的誤差,且焊縫的展開結(jié)構(gòu)類似于不規(guī)則橢圓,增大了誤差產(chǎn)生的可能性。因此,錐面定位可以作為定位點的廣域參考范圍進(jìn)行復(fù)查。為了對比需要,將1,2,3,4通道和5,6,7,8通道編成兩組,組成環(huán)向線性定位,針對焊縫在加載過程產(chǎn)生的信號進(jìn)行定位。
(1)將聲發(fā)射實時動態(tài)監(jiān)測與超聲波靜態(tài)檢測方法綜合對比分析,可以有效檢測到水壓過程中焊縫裂紋活動的時間歷程和動態(tài)變化位置,同時可以定量判斷水壓前后損傷變化的嚴(yán)重程度。兩種方法的組合以及相互驗證提高了結(jié)果判斷的可靠性。聲發(fā)射可以實時、動態(tài)地反映構(gòu)件內(nèi)部損傷的變化過程,可以有效地甄別已有損傷的活性狀態(tài),有利于判別損傷對結(jié)構(gòu)完整性的影響。
(2)聯(lián)箱管座處于高溫、高壓條件下運行,且由于其大范圍、復(fù)雜的焊接工藝會產(chǎn)生較多的焊接缺陷和較大的殘余應(yīng)力,是運行過程裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的源頭,因此,聯(lián)箱管座內(nèi)部往往具有較多的裂紋損傷。
(3)損傷在一定的應(yīng)力載荷條件下往往具有萌生-累積-擴(kuò)展的循環(huán)過程,因此對于厚壁構(gòu)件,不同應(yīng)力狀態(tài)下的損傷變化會交替進(jìn)行,裂紋的擴(kuò)展代表著該處能量的釋放和應(yīng)力集中度的重新分布,當(dāng)滿足下一次擴(kuò)展條件,才會發(fā)生損傷的進(jìn)一步變化。采用聲發(fā)射與超聲波檢測對比分析有利于綜合判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)損傷的嚴(yán)重程度和分布狀態(tài),同時得到損傷的活性狀態(tài)。
(4)聲發(fā)射和超聲波的檢測結(jié)果的整理和存檔有利于對該種類型聯(lián)箱管座進(jìn)行累計分析,根據(jù)其使用工況和檢測歷史結(jié)果,有利于判斷其內(nèi)部損傷的發(fā)展變化和預(yù)測其使用壽命,對于工廠安排生產(chǎn)過程具有重要指導(dǎo)意義。
(5)通過本次水壓試驗過程的聲發(fā)射監(jiān)測,對于噪聲的排除以及有效信號的處理積累了經(jīng)驗,通過多種事件提取方法的對比分析,實現(xiàn)對信號的快速濾波處理和有效事件的識別。
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