声发射技术在压力容器中的应用与发展

霍俊杰++谭昕++孟丽君

摘要：声发射技术在我国压力容器检测中得到了成功的应用和推广，为广大压力容器用户带来了巨大的经济效益。据此，探讨了声发射检测技术的原理及其组成部分（声发射源、传感器、信号分析处理）的研究现状与发展趋势，其中声发射传感器在声发射检测系统中起着至关重要的作用，是声发射故障诊断的关键装置，而光纤光栅传感技术在安全性、长期稳定性、可靠性和长寿命等方面具有独特优点，其固有的优势必会在不久的将来取代传统的传感技术，也必将会受到越来越多的重视。

关键词：声发射；压力容器；光纤光栅传感器

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.25.091

0引言

声发射（Acoustic emission，AE），是在材料受外力或者内力作用发生变形或断裂，以弹性波释放出应力-应变的一种常见的物理现象。声发射技术是借助于声发射检测系统对声信号进行记录、分析，并以此推断声发射源性质的技术，已经广泛应用于各种结构或材料的稳定性评价。

1声发射技术的原理及应用

声发射检测技术的基本原理如图1所示：通过声发射源释放出的弹性波，经介质传播到达被检体表面，声发射传感器将携带的缺陷信息由弹性波转变为电信号，再经放大、处理，记录和显示获得的信号波形，分析评定材料特征参数或内部结构的缺陷情况。

声发射检测技术在我国压力容器检测中成功的推广和应用的具体原因在于：一方面在不损伤构件的条件下在线监测缺陷动态信息，及时提供构件的疲劳与损伤程度，确保了这些压力容器的安全运行；另一方面，声发射检测技术可以用于复杂环境中的检测，对被测构件几何形状尺寸不敏感，对构件的线性缺陷较为敏感，可以提供缺陷随着载荷、时间、温度等变量变化的实施连续信息，大大缩短了压力容器的检验周期。

声发射技术广泛应用在国防和国民经济的各领域，汪鼎对氨制冷设备中检测问题的研究，采用声发射技术可以正确检验氨制冷设备、对氨制冷容器进行在线检验，保障制冷设备的正常运行提供了可靠的依据；张宏把声发射技术用于锅炉泄露的实时监测问题，利用声发射泄漏检测技术定位缺陷部位，进行监测泄漏；M.B. Bakirov等人对核电站设备高级别金属老龄化进行检测和诊断。总之，随着新一代全数字化声发射仪器和功能强大的信号处理软件的问世，以及人们对声发射检测技术更深层次的认识，声发射技术在未来将经历一个新的更高层次发展的阶段。下面对声发射检测技术的每个环节进行简单的介绍。

2声发射源

声发射源，具体是指声发射试件的物理源点或者出现声发射波的机制源。研究声发射的微观起源有助于人们决定产生声发射的可能性，并以此去检测声发射的参数以区别它们。

构件因在外力的作用下产生变形，在变形的过程中外力所做的功转变为储存于构件的应变能，其在释放的过程中产生弹性波是材料产生声发射的源；另外，构件内部各部分之间因相对位置发生变化而引起的相互作用时产生塑性变形也会导致声发射。例如，压力容器碰撞外部脚手架、支撑平台等可以形成机械摩擦声发射信号；此外，容器壳体利用焊缝焊接，在加压过程中，壳体膨胀造成各部分的摩擦以及压力容器焊缝表面裂纹与内部深埋裂纹的尖端塑性形变极有可能形成大规模的声发射信号；气孔、夹渣、未熔合与未焊透问题导致的开裂和扩展以及断裂非金属渣物出现在压力容器焊缝内进而形成了声发射信号；针对新制压力容器第一次加压或者正在使用的压力容器，焊缝修理位置容易产生焊接残余应力进而形成声发射信号。

3声发射传感器

声发射检测中的传感器属于接收换能器，它的作用是将材料塑性变形或裂纹产生的弹性波转换成易于检测、处理的电信号传输给测试系统，以便得到声发射源的实时信息。灵敏度与工作频率是传感器最重要的两大性能指标，要根据所测材料的声发射频率选择灵敏度高的传感器，争取接收到声发射发生过程中产生的所有声发射信号。目前广泛采用的声发射传感器主要有压电式和电容式。

压电式声发射传感器如图2所示，主要由壳体、压电元件、阻尼剂、保护膜和电缆组成，最常见的压电元件为陶瓷晶体，压电陶瓷晶体本身阻抗低、波形稳定、介电损耗低，做成的压电陶瓷传感器可以精确完成对力、振动、加速度、速度等非电量的测量。但是压电式传感器也存在工作频率较窄、不能接触腐烛环境、易受电磁干扰等缺点。

电容式声发射传感器如图3所示。声发射检测中，将被测构件表面作为电容器旳一块极板，当声发射波传至电容器时，构件相应表面的振动位移变化导致电容器的电容发生变化，电容器将有相应于声波频率的交变信号输出。电容式声发射传感器有较高灵敏度强、适应性强、精度高，缺点是价格比较高，操作比较复杂，灵敏度低。

伴随着光纤光栅传感技术的迅速发展，基于光纤光栅传感原理的声发射传感器是最近研究较多的新型传感器之一。如图4所示，光纤光栅传感器是借助某种装置把被参量的变化转换为作用于光纤光栅上的应变与温度的变化，引起谐振波长的变化，光纤布拉格光栅的谐振方程可表示为：

λB=2n·Λ

其中λB为光纤光栅的波长；n为有效折射率；Λ为光栅周期。

可见，波长取决于光栅周期和纤芯膜的有效折射率，而引起这两个参量改变的常见原因是温度和应变。当光栅受到拉伸或者挤压时，光栅的周期也会随之改变，纤芯膜的有效折射率也会发生相应的改变；而材料本身会热胀冷缩，温度的变化在任何情况下都难以避免，温度的变化便引起周期和有效折射率的变化，因此，无论应变还是温度发生变化，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而引起反射光的波长发生变化，通过测量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。

如图5所示，利用光纤光栅传感器检测化压力容器的声发射信号，并对测量信号进行理论建模和仿真分析处理；同时根据检测参数的信号解调，对声发射条件下的试验研究、检测模型进行分析，根据得到不同的结果调整参数改进检测模型，多次进行实验研究，总结相关规律得出相应的结论，最终实现压力容器裂纹有无和程度的检测。

光纤光栅传感器具有本质安全、稳定性好、环境适应性强、抗电磁干扰、可以在一根光纤上布置多个光栅实现多点多参数测量，以及尺寸小、重量轻、体积小，易于实现嵌入安装等特点，非常适合对处在恶劣环境中构件进行长期实时在线安全监测。杨斌、段鹏基于电阻应变法和光纤光栅传感技术，开展了针对水电站压力钢管运行全过程的应变形变特点的比对试验研究，有利于水电站坝内压力钢管明管段等潮湿腐蚀环境下的长期健康性能监测；刘丰年、李娜提出利用光纤光栅传感技术对管道腐蚀进行实时在线监测，通过试验和建模分析验证了可行性；Roberts，Damon等也提出利用光纤在立管，油管完整性监测。但是光纤光栅传感器在传感信号的解调、可复用光栅的数目受到限制、如何实现大范围且快速准确实时测量、如何正确地分辨光栅波长变化的原因等问题都有待发展。

4信号放大、分析、处理

目前，小波分析和人工神经网络等新型的信息处理技术，已经发展成为当代科学技术发展的重要组成部分。因此如何结合声发射信号的特点，将这些新型信息处理技术引入声发射信号处理领域，充分利用这些信号处理手段，研究具有更高性能的声发射信号处理系统和更有效的声发射源识别方法，对于提高声发射源定性、定量和定位的精确程度，加快我国声发射技术的研究和声发射仪器性能的提升，具有重要理论意义和实际应用价值。

4.1小波分析

小波分析可以描述某一频谱信息对应的时域信息，在声发射信号去噪、特征提取、声发射源的定位和识别研究中被广泛采用，由于声发射信号与噪声在小波变换下的行为各不相同，二者可以被分离出来，并利用这种方法对声发射信号进行有效的信噪分离，得到人们真正感兴趣的声发射信号。张万岭等通过结合不同的探头、改造标准试块，检测出厚壁压力容器的缺陷，并总结出探头的适用厚度范围；张海燕、郭建平等将小波包去噪法成功应用于超声波缺陷信号的降噪处理，降噪效果良好；Fairouz Bettayeb等成功将小波包分析法应用于超声检测中干扰信号的处理，同时解决了压力容器缺陷的精确定位问题；Fedi、Bacchelli对多小波降噪进行了具体研究，并取得了不错的效果。但是，由于声发射检测技术是一门实用性技术，现有的很多声发射小波分析研究仍处于初级阶段，诸如小波谱、小波相干性等新方法、新技术，因此把小波分析引入到声发射检测工程中，解决实际工程问题需要进行更深层次的研究。

4.2人工神经网络

人工神经网络具有自主学习的能力、联想存储的能力、高速寻找并且寻找优化方式的能力。作为一门活跃的边缘性交叉学科，神经网络的研究与应用正成为人工智能、认识科学、神经生理学、非线性动力学等相关专业的热点。近十几年来，针对神经网络的学术研究非常活跃，黄新民把神经网络技术用到声发射源定位当中，准确地推断出结构损伤位置，且精度有较大的提高；阮羚、谢齐家等提出了一种基于人工神经网络和信息融合技术的变压器状态评估方法，提高变压器状态评估的时效性和准确性。在对人工神经网络进行优化的研究中，首当其冲的问题就是要寻找一个合适的优化算法解决最优化问题，人门面提出上百种的神经网络模型，涉及模式识别、联想记忆、信号处理、自动控制、组合优化、故障诊断及计算机视觉等众多方面，取得了引人注目的进展。但是，人工神经网络的适用范围有限，难于精确分析神经网络的各项性能指标；是对数字计算机的补充，不能保证绝对的准确性；结构单一，体系不够简洁，通用性差等缺点。

5结论

声发射技术作为一种新型动态监测方法，在无损检测技术中占有重要地位，虽然经过多年的发展，已经有了比较成型的理论系统，并且在一些工程检测中得到了较为有效的应用，但声发射技术在实际工程检测中仍存在着许多不足之处有待完善。寻求探索新的更完善、更有效的信号处理方法可有力的推动声发射检测技术的发展与进步，而将光纤光栅传感器技术与信息融合技术、嵌入式技术、故障诊断技术和可靠性技术、网络技术等学科结合起来，提出声发射-光纤光栅分布传感损伤检测的新方法，基于创建的嵌入式动态监测方法，建立适于大型动力装置状态监测与故障诊断的理论与技术，开展声发射条件下的损伤分布动态检测原理和方法的研究，具有鲜明的特色和创新，必将得到广泛的应用。

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