PDF《中国声发射检测技术进展》

综述中国声发射检测技术进展―――学会成立

25 周年纪念 沈功田, 戴光,刘时风 ( 无损检测学会 声发射专业委员会) 摘要:介绍国内外声发射检测技术的发展历程和现状 ,综述我国无损检测( NDT) 学会活动情 况、 标准、 仪器、人员及主要研究和应用领域的现状, 提出了我国目前声发射检测急需解决的问题 和发展趋势 .

关键词 : 声发射检验 ;

综述 ;

压力容器 ;

复合材料;

岩石;

焊接结构;

应力测定 中图分类号: TG115.

28 文献标识码: A 文章编号:

1000 -6656( 2003)

06 -0302 -06 ACOUSTIC EMISSION TESTING PROGRESS IN CHINA: CELEBRATION FOR THE 25th ANNIVERSARY OF CHINESE SOCIETY FOR NDT SHEN Gong -tian, DAI Guang, LIU Shi -feng ( AE Committee, Chinese Society for NDT) Abstract: The history and present situation of acoustic emission ( AE) technique at home and abroad were introduced.The state -of-art of AE standards, instrument, personnel, main research and applying fields was outlined.Some challenging problems and developing tendency were also described. Keywords: Acoustic emission testing;

Review ;

Pressure vessel;

Composite;

Rock;

Welded structure;

Stress measurement

1 声发射技术的发展和现状

1 .

1 声发射技术的发展 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( AE) [ 1] .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 . 现代声发射技术的开始以

20 世纪

50 年代初 Kaiser 在德国所做的研究工作为标志 .他观察到 铜、 锌、铝、铅、 锡、黄铜、 铸铁和钢等金属和合金在形 变过程中有声发射现象, 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 收稿日期 :

2003 -03 -03 号, 材料的这种不可逆现象即为 Kaiser 效应,他同时 还提出连续型和突发型声发射信号的概念 .

20 世纪

50 年代末到

60 年代间 ,美国和日本许 多学者在试验室中做了大量工作 , 研究各种材料声 发射源的物理机制 ,并初步应用于工程材料无损检 测领域.Dunegan 首次将声发射技术应用于压力容 器检测, 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.

20 世纪70 年代初 ,Dunegan 等人开展了现代声 发射仪器的研制, 他们把试验频率提高到 100kHz ~ 1MHz ,这是声发射试验技术的重大进展 .现代声发 射仪器的研制成功为声发射技术从试验室的材料研 究阶段走向在生产现场监视大型构件的结构完整性 应用创造了条件. 随着现代声发射仪器的出现,

20 世纪

70 年代 和80 年代初人们从声发射源机制、 波的传播和声发 射信号分析方面开展了广泛和深入的系统研究 .在 生产现场也得到了广泛的应用,尤其在化工容器 、 核・302 ・ 第2 5卷第6期2003年6月无损检测 NDT Vol .

25 No .

6 Jun .

2 0

0 3 容器和焊接过程的控制方面取得了成功. 根据 Drouillard 统计的声发射论文目录[ 2,3] , 到1986 年有 关声发射的论文已超过

5 000 篇[ 3] .

20 世纪

80 年代初, 美国 PAC 公司将现代微处 理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 .由于第二代声发射仪器体积 小、 重量轻且易于携带,大大推动了声发射技术在现 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, 信息存储量增 加,提高了声发射源的定位功能和缺陷检出准确率 .

20 世纪

90 年代 ,美国 PAC 公司 、 DW 公司 、 德国 Vallen Systeme 公司和中国广州声华公司先后开发了 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 ,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.

1 .

2 声发射技术的应用领域 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, 主要应用领域和方面有 : ( 1)石油化工行业 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, 常压储 罐底部、 各种阀门和埋地管道的泄漏检测等. ( 2)电力行业 高压蒸汽汽包 、管道和阀门的 检测和泄漏监测 ,汽轮机叶片检测 ,汽轮机轴承运行 状况监测 ,变压器局部放电检测. ( 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 、隧道和大 坝的检测 ,水泥结构裂纹开裂和扩展的连续监视等 . ( 5)航空航天工业 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、 锻压测试以及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以及火车车轮和轴承 的断裂探测. ( 8)其它 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, 摩擦磨损监测, 岩石探测 ,地质和地震应用 , 发动机状态监测, 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以及 骨关节状况的监测 .

1 .

3 声发射检测技术的优点 ( 1)声发射是一种动态检测方法, 声发射探测 到的能量来自被测试物体本身, 而不是像超声或射 线探伤那样由无损检测仪器提供 . ( 2)声发射检测方法对线性缺陷较为敏感 , 它 能探测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况, 稳定的缺陷不产生声发射信号. ( 3)在每次试验过程中, 声发射检测能够整体 探测和评价结构中的活性缺陷状态. ( 4)可提供活性缺陷随载荷、时间和温度等变 化的实时或连续信息 ,因而适用于工业过程在线监 控及早期或临近破坏预报. ( 5)由于对被检件的接近要求不高, 因此适用 于其它方法难以或无法接近情况下的检测, 如高低 温、核辐射、 易燃、易爆及剧毒等. ( 6)用于在役设备的定期检验, 可以缩短设备 停产时间或者无需停产 . ( 7)用于设备加载试验, 可预防由未知不连续 引起的系统灾难性失效和限定系统最高工作载荷. ( 8)由于对构件的几何形状不敏感, 因此适用 于检测其它方法受到限制的形状复杂的构件.

2 中国声发射技术发展历程和学会活动 声发射技术在

20 世纪

70 年代初引入我国[

4 ] , 正值我国断裂力学发展的高峰, 人们希望利用声发 射进行预报和测量裂纹的开裂点 .中科院沈阳金属 研究所、北京航空材料研究所 、 机械部合肥通用机械 研究所和武汉大学等一些科研院所和大学开展了金 属和复合材料方面的声发射特性研究 .

20 世纪

80 年代初国内开始尝试将声发射技术 用于压力容器检验等工程, 鉴于当时声发射仪器的 性能和信号处理方面的限制, 以及人们对声发射源 性质和声发射波产生后到达传感器过程中的传输特 ・

303 ・ 沈功田等: 中国声发射检测技术进展― ― ―学会成立

25 周年纪念 性等认识的欠缺 ,在试验结果的重复性和可靠性方 面存在很多问题 ,因此声发射技术曾陷入低谷 .

20 世纪

80 年代中期劳动部锅炉压力容器检测 研究中心率先从美国 PAC 公司引进当时世界上最 先进的采用 Z80 微处理机技术制造的 SPARTAN 源 定位声发射检测与信号处理分析系统, 并在石化和 煤气公司开展了球形储罐和卧罐等压力容器的检 测,取得了成功 ,得到了用户的认可 .随后, 冶金部 武汉安全环保研究院 、 大庆石油学院 、 西安

44 研究 所和石油大学等许多单位相继从 PAC 引进先进的 SPARTAN 和LOCAN 等型号的声发射仪器, 开展了 压力容器、飞机 、 金属材料 、复合材料和岩石方面的 检测应用 .1989 年的全国第四届声发射会议指出 , 我国声发射技术的研究、应用和仪器队伍不断扩大 , 技术水平不断提高, 表明我国声发射技术发展已经 走出低谷 ,开始向新的高峰攀登( 见第

4 届声发射年 会论文集) . 从20 世纪

90 年代至今 , 声发射技术在我国的 研究和应用呈快速发展的趋势 ,详情见第5 ~

9 届声 发射年会论文集.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 检验所等石油、石化企业检验单位和专业检验所相 继进口大型声发射仪器并广泛开展压力容器的检 验.90 年代中期北京航空工程技术研究中心和北 京材料及工艺研究所从美国 PAC 公司引进了第三 代可以存储声发射信号波形的Mistras2000 多通道声 发射仪 ,从而开始了以波形分析为基础的航空航天 设备的声发射检测与信号处理.2002 年国家质量 监督检验检疫总局锅炉压力容........