声发射技术在水轮机活动导叶裂纹监测中的应用

2019-10-18何媛媛国电大渡河检修安装有限公司四川乐山614900

水电与新能源 2019年9期

佘斌，何媛媛(国电大渡河检修安装有限公司，四川乐山 614900)

水轮机在运行过程中，由于瞬间的冲击力、压力，导叶会承受很大的应力，及铸造缺陷(如铸造裂纹、气孔及夹渣等)扩展等造成的应力集中，导叶容易产生裂纹，导叶出现裂纹后轻则造成水轮机的振动，严重时导叶可能出现断裂脱落，脱落的导叶冲入水轮机会造成水轮机叶片的严重性损坏。

水轮机导叶主体处在一个相对密闭的空间内，长期浸没在压力水中，由于这种环境和空间的限制，目前还没有一种好的设备用于水轮机导叶裂纹的实时检测，只能间接依靠机组的振动频谱分析或停机检修时开盖检查来完成水轮机导叶裂纹的检测。因此经常性的停机水轮机导叶裂纹检测，不仅严重影响了水电站的正常稳定运行，更大大降低了电站的经济效益。因此，如果运用声发射检测技术实时监测活动导叶，发现裂纹能及时报警，将提高机组安全稳定运行，避免因活动导叶裂纹检测而停机。

1 声发射技术理论

声发射是指材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象，也称为应力波发射。材料中直接与变形和断裂机制有关的弹性波发射源即为声发射源。而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。

声发射检测原理，是从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录，根据观察到的声发射信号进行分析与推断以了解材料产生声发射的机制，从而了解材料内部的缺陷情况[1-4]。

2 声发射检测技术的特点

声发射技术是根据内部结构发出的应力波来判断内部损伤程度的一种新型动态无损检测方法，它可以在结构或材料内部的机构，缺陷或潜在缺陷处于运动变化的过程中进行检测。与常规无损检测相比，有两个基本特点。一是对动态缺陷敏感，在缺陷萌生和扩展过程中能实时发现；二是声发射波来自缺陷本身，而非外部，可以得到有关缺陷的丰富信息，检测灵敏度与分辨力高。

声发射技术具有以下特点：①声发射检测是一种动态检验方法；②声发射检测方法对线性缺陷较为敏感；③声发射检测在一次试验过程中能够整体探测和评价整个结构中缺陷的状态；④可提供缺陷随载荷、时间、温度等外变量而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适于其他方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境；⑥对于在役压力容器的定期检验，声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不需要停产；⑦对于压力容器的耐压试验，声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限定系统的最高工作压力；⑧适于检测形状复杂的构件。

声发射技术具有以下缺点：①对数据的正确解释要有更为丰富的数据库和现场检测经验，因为声发射特性对材料甚为敏感，又易受到机电噪声的干扰；②声发射检测，一般需要适当的加载程序，多数情况下，可利用现成的加载条件，但有时，还需要特作准备；③声发射检测目前只能给出声发射源的部位、活性和强度，不能给出声发射源内缺陷的性质和大小，仍需依赖于其他无损检测方法进行复验。

3 声发射技术在活动导叶裂纹监测上的应用原理

在水轮机导叶的顶端安装声发射传感器来检测导叶产生裂纹时的声发射信号，同时由采集主机将声发射信号变换、处理后发送给采集分析软件，由采集分析软件对声发射信号进行神经网络识别、频谱分析、小波分析等，对水轮机导叶裂纹给出直观的报警信号。

这种声发射技术应用方法利用了声发射信号在金属材料中的传输特性，从活动导叶顶部端面附近采集信号，解决了活动导叶由于空间和环境限制不能直接安装检查传感器的难题，实现了对水轮机导叶裂纹的实时监测。

4 声发射装置在活动导叶上裂纹监测上的应用

如图1所示，应用声发射技术的水轮机导叶裂纹检测装置，包括声发射传感器、声发射采集主机和中央控制装置工控机；声发射传感器安装在水轮机的每一个导6的顶部端面位置；声发射传感器通过声发射电缆与声发射采集主机连接；所述声发射采集主机通过控制电4与工控机连接。声发射传感器均安装在导叶的顶部端面位置。水轮机导叶上的声发射传感器的安装位置进行打磨抛光处理。声发射传感器采用磁扣安装。声发射传感器与安装部位之间涂抹耦合剂。工控机安装有报警装置。