聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在鋼岔管水壓實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

上官林建 程勝金 伍衛(wèi)平 李東風(fēng)

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011；2.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南 鄭州 450044）

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在鋼岔管水壓實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

上官林建1程勝金1伍衛(wèi)平2李東風(fēng)2

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011；2.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南 鄭州 450044）

抽水蓄能電站設(shè)計(jì)水頭1 012m，為保證鋼岔管后期在電站的安全運(yùn)行，在鋼岔管水壓實(shí)驗(yàn)中，采用聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)監(jiān)測(cè)焊縫表面、內(nèi)部缺陷及岔管管壁缺陷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，分析在升壓和保壓過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)特征及來(lái)源。結(jié)合定位圖確定聲發(fā)射定位源的部位并對(duì)聲發(fā)射活性進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定可能需要復(fù)檢的強(qiáng)活性區(qū)域。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋼岔管各項(xiàng)相關(guān)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)的預(yù)期要求。

鋼岔管；聲發(fā)射；水壓實(shí)驗(yàn)；抽水蓄能電站

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，用于鑒別聲發(fā)射源的類型，確定聲發(fā)射源的部位及聲發(fā)射載荷與時(shí)間的關(guān)系，與常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)綜合應(yīng)用，可評(píng)價(jià)聲發(fā)射源的嚴(yán)重性［1］。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)適用于在線實(shí)時(shí)監(jiān)控及早期或臨近破壞的預(yù)警［2］，能解決常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法不能解決的問(wèn)題。聲發(fā)射是指材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。材料在應(yīng)力作用下的變形、裂紋擴(kuò)展或裂紋萌生，是結(jié)構(gòu)失效的重要機(jī)理。這種與斷裂和變形機(jī)理直接相關(guān)的彈性波被稱為典型的聲發(fā)射源。通過(guò)對(duì)聲發(fā)射源信號(hào)的采集分析處理，可對(duì)被檢對(duì)象的安全性進(jìn)行科學(xué)評(píng)估［3］。

我國(guó)現(xiàn)有的聲發(fā)射檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)幾乎均為壓力容器的檢測(cè)方法，這些標(biāo)準(zhǔn)相互配套，基本上滿足了國(guó)內(nèi)的壓力容器檢測(cè)需求。抽水蓄能電站鋼岔管水壓實(shí)驗(yàn)過(guò)程中執(zhí)行《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)及結(jié)果評(píng)定方法》GB/T18182-2012，實(shí)時(shí)監(jiān)控鋼岔管水壓實(shí)驗(yàn)中升壓及寶壓階段焊縫表面、內(nèi)部缺陷及岔管管壁產(chǎn)生的聲發(fā)射源信號(hào)。確定聲發(fā)射源的位置，為鋼岔管水壓實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行提供安全保障。

1 鋼岔管主要參數(shù)及實(shí)驗(yàn)流程

1.1 主要參數(shù)

電站壓力引水管道的布置情況，鋼岔管主管內(nèi)徑4.0m，支管內(nèi)徑2.8m，采用對(duì)稱“Y”型內(nèi)加強(qiáng)月牙型肋鋼岔管，分岔角70°，公切球半徑2 267.7mm，為主管內(nèi)徑的1.134倍。岔管鋼材采用舞陽(yáng)鋼鐵有限公司產(chǎn)的SX780CF高強(qiáng)鋼，管殼厚度58mm，月牙肋厚度126mm，設(shè)計(jì)內(nèi)水頭（含水擊壓力）1 012m（9.93MPa）。鋼岔管結(jié)構(gòu)體型參數(shù)如圖1所示。為了掌握鋼岔管結(jié)構(gòu)的受力情況，需要對(duì)鋼岔管進(jìn)行水壓實(shí)驗(yàn)，水壓實(shí)驗(yàn)設(shè)在車間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)范圍包括①、②、③、④、⑤、⑥六節(jié)管節(jié)，實(shí)驗(yàn)時(shí)三個(gè)鋼岔管均做單體水壓實(shí)驗(yàn)，鋼岔管體型尺寸如表1所示。

圖1 鋼岔管結(jié)構(gòu)體型圖

表1 鋼岔管體型尺寸

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

鋼岔管水壓實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段：預(yù)壓實(shí)驗(yàn)、水壓實(shí)驗(yàn)。水壓實(shí)驗(yàn)加載方式采用重復(fù)逐級(jí)加載，緩慢增壓，以削減加工工藝引起的部分殘余應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力得到調(diào)整和均化，并趨于穩(wěn)定，使測(cè)試數(shù)據(jù)反映岔管的彈性狀況。水壓實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，加載速度為0.05MPa/min。

2 鋼岔管水壓實(shí)驗(yàn)聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)方案

2.1 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)時(shí)段

水壓實(shí)驗(yàn)鋼岔管的最高實(shí)驗(yàn)壓力為6.5MPa。鋼岔管進(jìn)行兩次加壓循環(huán)，兩次加壓循環(huán)完全一樣。用分級(jí)恒定載荷的加載方式進(jìn)行加載，從0～6.5MPa每加壓0.5MPa保壓一次。水壓試驗(yàn)過(guò)程中，加載速度為0.05MPa/min，保壓時(shí)間為10min。加載過(guò)程如圖2所示。

2.2 傳感器布置方案

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)主要監(jiān)控對(duì)象為月牙肋組合焊縫、主錐焊縫。

月牙肋與主錐焊縫采用德國(guó)ASMY-6型聲發(fā)射儀進(jìn)行監(jiān)控，在焊縫兩邊共布置14個(gè)傳感器；月牙肋組合焊縫兩邊200mm處各布置12個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器間距近似1.8m，月牙肋組合焊縫上下兩端頭各布置一個(gè)傳感器，采集定位方式簡(jiǎn)化為平面定位。圖3為月牙肋組合焊縫傳感器布置示意圖。

圖2 加載過(guò)程圖

主錐焊縫采用德國(guó)ASMY-6型聲發(fā)射儀進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控的信號(hào)采集定位方式采用圓柱形定位，在焊縫兩邊共布置18傳感器，分別布置在主錐焊縫兩邊200mm處，每個(gè)傳感器的間距近似為1.8m。圖4為主錐焊縫傳感器布置示意圖。

圖3 月牙肋組合焊縫傳感器布置圖

圖4 主錐環(huán)縫傳感器布置示意圖

3 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)擬定的傳感器布設(shè)位置，打磨傳感器布置區(qū)域，固定安放傳感器后與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀器連接，待校準(zhǔn)與調(diào)試完成后，隨水壓實(shí)驗(yàn)開(kāi)始進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)，采集聲發(fā)射源信號(hào)，分析聲發(fā)射源強(qiáng)度，若聲發(fā)射源信號(hào)強(qiáng)度大于80dB，且在升壓和穩(wěn)壓過(guò)程中都有該聲發(fā)射源，根據(jù)GB/T18182-2012判斷該聲發(fā)射源為強(qiáng)活性，應(yīng)立即停止水壓實(shí)驗(yàn)，采用其他無(wú)損檢測(cè)方法來(lái)檢測(cè)該信號(hào)源，判斷是否為危害性缺陷。若為危害性缺陷，應(yīng)排除危害后再進(jìn)行水壓實(shí)驗(yàn)［4，5］。

3.1 聲發(fā)射定位源分析

3.1.1 升壓過(guò)程。岔管在第一個(gè)打壓循環(huán)中，水壓在0～4.0MPa升壓時(shí)段，聲發(fā)射信號(hào)較多，但幅度較低。而在降壓后的第二次0～4.0MPa升壓時(shí)段，由于Kaiser效應(yīng)，二次加載沒(méi)有超過(guò)第一次所加最高壓力，所以因?yàn)椴牧献冃螒?yīng)力釋放所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)消失。但是，如果在降壓后的第二次升壓過(guò)程中存在新的微裂紋擴(kuò)展，聲發(fā)射信號(hào)將會(huì)明顯增加［6］。

圖5為鋼岔管兩個(gè)不同時(shí)段升壓過(guò)程中有意義的聲發(fā)射定位圖，X、Y分別表示定位圖的橫縱坐標(biāo)，不同顏色的點(diǎn)代表定位事件數(shù)。

圖5 升壓階段聲發(fā)射定位圖

在逐漸加壓的過(guò)程中，聲發(fā)射事件越來(lái)越密集（如圖5），出現(xiàn)大量AE信號(hào)和事件數(shù)，高幅度信號(hào)增多。這可能是加載時(shí)水流沖擊器壁引起的，所以產(chǎn)生大量AE信號(hào)；也可能是因?yàn)橹е⒅ё徒庸艿冉呛缚p縫部位存在焊接殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中，在升壓過(guò)程中會(huì)引起殘余應(yīng)力釋放和整體應(yīng)力重新分布所以產(chǎn)生大量AE信號(hào)。在4.5～5.0MPa加壓階段首次出現(xiàn)幅度大于80dB的高幅度信號(hào)（13號(hào)、14號(hào)傳感器附近），這些信號(hào)可能是裂紋萌生和擴(kuò)展產(chǎn)生的。

3.1.2 保壓過(guò)程。圖6的（a）和（b）分別是5.5MPa和6.0MPa保壓過(guò)程中的聲發(fā)射定位圖。通過(guò)對(duì)比可以看出，保壓過(guò)程中聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)明顯低于升壓過(guò)程，因?yàn)楸哼^(guò)程中岔管受壓保持穩(wěn)定，擾動(dòng)減少，引起的干擾信號(hào)減少。在此階段，如果沒(méi)有活性缺陷出現(xiàn)，將不會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)（外界噪聲除外），通過(guò)保壓階段的聲發(fā)射信號(hào)就可以對(duì)岔管的缺陷性質(zhì)做出初步判斷。

圖6 保壓階段聲發(fā)射定位圖

兩個(gè)保壓階段在14號(hào)傳感器附近（即月牙肋的上端頭）均出現(xiàn)幅度很高的聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)（如圖6），因此可以判斷此區(qū)域存在活躍的聲發(fā)射源。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，經(jīng)人員進(jìn)入檢查，此區(qū)域完好，故排除了泄漏造成的影響，初步判斷是材料內(nèi)部存在活性缺陷（焊接缺陷開(kāi)裂或裂紋擴(kuò)展），需要進(jìn)行復(fù)檢。

3.2 聲發(fā)射信號(hào)特征分析

3.2.1 升壓過(guò)程。圖7為升壓過(guò)程中所有撞擊次數(shù)的幅度分布圖，表示不同幅度下撞擊次數(shù)的累積，信號(hào)主要集中在60dB以下，對(duì)升壓過(guò)程中的聲發(fā)射源進(jìn)行分析可知，其主要為殘余應(yīng)力釋放、機(jī)械摩擦以及升壓干擾等信號(hào)。這主要是因?yàn)樵谏龎哼^(guò)程中會(huì)引起殘余應(yīng)力釋放和整體應(yīng)力重新分布，所以會(huì)產(chǎn)生大量的低幅度聲發(fā)射信號(hào)。（b）圖中出現(xiàn)了非常明顯的高幅度信號(hào)，且累計(jì)撞擊次數(shù)均比其他幾個(gè)階段高，推測(cè)鋼岔管材料內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)微裂紋擴(kuò)展。

3.2.2 保壓過(guò)程。圖8為保壓過(guò)程所有撞擊次數(shù)的幅度分布圖，通過(guò)與升壓過(guò)程相比可知，幅度在60dB以下的信號(hào)撞擊次數(shù)明顯下降。這主要是因?yàn)楸哼^(guò)程低幅度的干擾信號(hào)減少，這些干擾信號(hào)的主要特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，幅度較低，主要出現(xiàn)在升壓過(guò)程中，因此，對(duì)岔管的整體評(píng)價(jià)應(yīng)該重點(diǎn)分析保壓過(guò)程中采集到的聲發(fā)射信號(hào)。通過(guò)觀察（b）圖可知，鋼岔管在5.0MPa保壓時(shí)出現(xiàn)了明顯的高幅度信號(hào)，其原因與4.5～5.0MPa升壓過(guò)程相同，即可能出現(xiàn)焊接缺陷的開(kāi)裂和微小裂紋的擴(kuò)展。

圖7 升壓過(guò)程撞擊計(jì)數(shù)-幅度分布圖

圖8 保壓過(guò)程撞擊計(jì)數(shù)-幅度分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鋼岔管水壓實(shí)驗(yàn)采集到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析，在5.0MPa保壓階段，13號(hào)和14號(hào)傳感器附近出現(xiàn)有意義的聲發(fā)射信號(hào)，根據(jù)GB/T18182-2000《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)及結(jié)果評(píng)價(jià)方法》，監(jiān)測(cè)中采集到的聲發(fā)射源活度為活性，建議采用超聲波檢測(cè)方法，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行復(fù)檢。此外，在升壓過(guò)程中存在較多的干擾信號(hào)，而保壓過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)比較平穩(wěn)。因此，在實(shí)際工作中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注保壓階段的聲發(fā)射信號(hào)，升壓過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)只用作對(duì)缺陷評(píng)判時(shí)的參考即可。

［1］王立寶.大盈江水電站（四級(jí)）鋼岔管水壓試驗(yàn)［J］.云南水力發(fā)電，2011（4）：18-22.

［2］楊聯(lián)東.大型鋼岔管洞外拼裝及水壓試驗(yàn)施工技術(shù)研究［J］.安裝，2015（10）：39-42.

［3］張偉平，胡木生.國(guó)產(chǎn)790MPa級(jí)高強(qiáng)鋼岔管水壓試驗(yàn)測(cè)試及監(jiān)測(cè)技術(shù)特性及成果［C］//中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì).水電站壓力管道——第八屆全國(guó)水電站壓力管道學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.2014.

［4］桂亞伯.聲發(fā)射監(jiān)控技術(shù)在瓦屋山水電站壓力鋼岔管水壓試驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.四川水利，2010（2）：30-31.

［5］張延兵，顧建平，張文斌，等.金屬壓力容器水壓試驗(yàn)聲發(fā)射檢測(cè)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2013（11）：39-43.

［6］沈功田，李金海.壓力容器無(wú)損檢測(cè)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2004（9）：457-463.

Application of Acoustic Emission Testing Technology in Hydraulic Pressure Test of Steel Bifurcated Pipe

Shangguan Linjian1Cheng Shengjin1Wu Weiping2Li Dongfeng2
（1.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450011；2.National Center of Quality Inspection ＆ Testing for Hydraulic Metal Structure Ministry of Water Resources，Zhengzhou Henan 450044）

Design head of pumped storage power station 1 012m,in order to ensure the safe operation of steel bifurcated pipe in power station,in the hydraulic pressure test of steel bifurcated pipe,acoustic emis?sion real-timemonitoring technology is used to monitor the acoustic emission signal produced by the weld surface,internaldefects and the defect of the pipe wall.Combined with location map and determine the lo?cation of acoustic emission source and evaluate the AE activity.Determine strong activity areas that may re?quire reinspection.Experimental results show that the relevant indexes of steel bifurcated pipe meet the de?sign requirements.

steel bifurcated pipe；acoustic emission；hydrostatic test；pumped storage power station

TV732.4；TG115.28

A

1003-5168（2017）12-0057-04

2017-11-01

上官林建（1972-），男，博士，教授，研究方向：現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論及方法。