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结构损伤演化声发射监测系统

2020-04-27 10:04
可靠性杂坛
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一、概述

设备的局部损伤源主要有金属塑性变形和断裂等,其中裂纹的产生、扩展及断裂最为突出,是主要的声发射源,对需周期性加载的设备金属结构进行早期裂纹扩展的准确监测,在预防灾难性重大事故方面可以起到关键作用。

带裂纹金属结构在全寿命周期内的疲劳破坏一般会经历三个阶段:裂纹萌生阶段、稳态扩展阶段和失稳扩展阶段。许多设备在服役之初在其结构内部已经存在裂纹源,裂纹源形成的主要原因是结构缺陷和承受较大应力。裂纹源在疲劳交变应力作用下会进一步扩展,逐步进入稳态扩展阶段。设备在作业时往往会经历较长时间的工作循环,每一个工作循环均会包含空载—加载—卸载(空载)的载荷历程,是典型的承受频繁交变应力作用的机械。因此,含有裂纹源的设备金属结构会很快地进入裂纹扩展阶段。

声发射技术作为一种无损检测技术,可以通过声发射检测系统,及早地判断出裂纹的萌生位置及扩展情况。声发射参数的相关曲线直接表征了裂纹的萌生及扩展过程,曲线的拐点或突变点直接对应曲线的特征点及裂纹发展的三个阶段。因此,采用声发射技术对设备的活性裂纹进行监测。

声发射又称为应力波发射,是材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象。声发射是一种常见的物理现象,大多数材料变形和断裂时有声发射发生,如果释放的应变能足够大,就产生可以听得见的声音,如在耳边弯曲锡片,就可以听见“噼啪”声,这是由于锡受力产生孪晶变形的发声。大多数金属材料塑性变形和断裂时也有声发射发生。声发射检测的主要目的是确定声发射源的部位,分析声发射源的性质,确定声发射发生的时间或载荷和评定声发射源的严重性。声发射检测方法在许多方面不同于其他常规无损检测方法,其特点主要表现为:

1)声发射是一种动态检验方法,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方法一样由无损检测仪器提供。

2)对大型构件,可提供整体或大范围的快速检测。由于不必进行繁杂的扫查操作,而只要布置好足够数量的传感器,经一次加载或试验过程,就可确定缺陷的部位,从而易于提高检测效率。

3)可提供活性缺陷随载荷、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。

4)由于对被检件的接近要求不高,而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。

5)由于对构件的几何形状不敏感,而适于检测其他方法受到限制的形状复杂的构件。

装备结构裂纹的形成和扩展与材料的塑性变形有关,一旦裂纹形成,材料局部地区的应力集中得到卸载,产生声发射,当裂纹扩展至一定限度即会发生断裂,此时的声发射信号强度最大。监视裂纹的形成与扩展、断裂(包括腐蚀致裂纹、疲劳裂纹、焊接致裂纹等)是采用声发射技术进行局部监测的主要目的。

二、声发射监测理论基础

1.声发射波的传播

1)传播模式

声发射波在固体构件中的传播,可构成纵波、横波、表面波(瑞利波)和Lamb波等不同传播模式。

(1)纵波

在形成声发射波的过程中,若质点振动方向与波的传播方向一致,称为纵波。

纵波质点位置的分布特点是:疏密相间。随着振动的传播,疏密相间的状态向右移动,因而纵波也被称为稀疏波。

(2)横波

若质点的振动方向和波的传播方向垂直,称为横波。横波在弹性材料的传播过程中,各质点的位置相对平衡点分布,各质点之间彼此有弹性力相互联系。沿着波的传播方向,凸起的波峰和凹下的波谷交替排列向波的传播方向移动,形成完整的横波波形。横波只能在固体介质中传播。

(3)表面波

质点在介质表面的运动形式为纵横向变化的复合振动,其运动路径为椭圆形,质点位移的长轴垂直于传播方向,质点位移的短轴平行于传播方向。表面波是英国物理学家瑞利于1885年研究并证实的,又称为瑞利波。该波在介质中仅沿表面传播,其能量随着介质深度的增加而快速下降,且受环境因素影响,如强度、压力和加速度等的影响。表面波只能在固体介质中传播。

(4)板波(Lamb波)

对于薄壁材料如板材、壳体、空心棒材等制成的容器等,当材料厚度小于声发射的波长时,材料中就不会产生平面波,而只能产生各种类型的板波。板波为横波和纵波的合成波,质点的振动做椭圆轨迹运动。板波的传播满足Lamb方程,其方程的解称为Lamb波,通常所说的板波泛指Lamb波。Lamb波由无限多个不同阶次的波构成,发射源在板厚远小于波长的薄板中主要激励出不同阶次的对称波和反对称波。其中,对称波波幅小、频率高、速度高;反对称波波幅大、频率低、速度低。Lamb波在固体内传播时,质点的运动轨迹为椭圆形,质点转动会有扩展波和弯曲波两种模式。

2)波的传播速度

波的传播速度是与介质的弹性模量和密度有关的材料特性,因而不同的材料,声发射波的传播速度也不同。在均匀介质中,纵波与横波的速度分别可用式(1)表达。

式中,vL为纵波速度;vS为横波速度;σ为泊松比;E 为弹性模量;G 为切变模量;ρ为材料密度。

在同种材料中,不同模式的波速之间有一定比率关系。例如,横波速度约为纵波速度的60%,表面波速度约为横波的90%。纵波、横波、表面波的速度与波的频率无关,而板波的速度则与波的频率有关,即具有频散现象,其速度介于纵波速度和横波速度之间。在实际结构中,传播速度还受到诸如材料类型、各向异性、结构形状与尺寸、内容介质等多种因素的影响,具有一定的不确定性。

传播速度主要用于声发射源的时差定位计算,而其不确定性成为影响源定位精度的主要因素。在实际应用中,波速难以用理论计算,需要用实验测量。对于大多数铁基金属材料容器,声发射波的典型传播速度约为3000m/s,在无法测得波速的情况下,可以将此值作为定位计算的初设值。

3)反射、折射与模式转换

在固体介质中,声发射源处同时产生纵波和横波两种传播模式。它们传播到不同材料界面时,可产生反射、折射和模式转换。入射横波和入射纵波除各自产生反射(或折射)纵波与横波外,在半无限体自由表面上,一定的条件下还可转换成表面波,如图1所示;在厚度接近波长的薄板中又会发生板波;厚度远大于波长的厚板结构中,波的传播变得更为复杂,其示意如图2所示。


图1 半无限大固体内的声发射波传播

O—波源L—纵波S—横波R—表面波

图2 厚板中的传播示意图

O—波源L—纵波S—横波R—表面波

声发射波经界面反射、折射和模式转换后,将产生多种不同模式的波,以不同波速、不同波程、不同时序到达传感器。因此,若声发射源产生的声发射波为一个尖脉冲波,则到达传感器时,可能以纵波、横波、表面波或板波及其多波程迟达波等复杂方式,分离成数个尖脉冲或经相互叠加而成为持续时间很长的复杂波形,有时长达数毫秒。此外,传感器频响特性及传播衰减等也会对仪器接收的声发射信号产生影响,使信号波形的上升时间变慢、幅度下降、持续时间变长、到达时间延迟、频率成分向低频偏移。这种变化将对声发射波波形的定量分析及常规参数分析带来一定的困难。

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