聲發射技術在水輪機活動導葉裂紋監測中的應用

佘 斌，何媛媛(國電大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂山 614900)

水輪機在運行過程中，由于瞬間的沖擊力、壓力，導葉會承受很大的應力，及鑄造缺陷(如鑄造裂紋、氣孔及夾渣等)擴展等造成的應力集中，導葉容易產生裂紋，導葉出現裂紋后輕則造成水輪機的振動，嚴重時導葉可能出現斷裂脫落，脫落的導葉沖入水輪機會造成水輪機葉片的嚴重性損壞。

水輪機導葉主體處在一個相對密閉的空間內，長期浸沒在壓力水中，由于這種環境和空間的限制，目前還沒有一種好的設備用于水輪機導葉裂紋的實時檢測，只能間接依靠機組的振動頻譜分析或停機檢修時開蓋檢查來完成水輪機導葉裂紋的檢測。因此經常性的停機水輪機導葉裂紋檢測，不僅嚴重影響了水電站的正常穩定運行，更大大降低了電站的經濟效益。因此，如果運用聲發射檢測技術實時監測活動導葉，發現裂紋能及時報警，將提高機組安全穩定運行，避免因活動導葉裂紋檢測而停機。

1 聲發射技術理論

聲發射是指材料中局域源快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象，也稱為應力波發射。材料中直接與變形和斷裂機制有關的彈性波發射源即為聲發射源。而材料在應力作用下的變形與裂紋擴展，是結構失效的重要機制。

聲發射檢測原理，是從聲發射源發射的彈性波最終傳播到達材料的表面，引起可以用聲發射傳感器探測的表面位移，這些探測器將材料的機械振動轉換為電信號，然后再被放大、處理和記錄，根據觀察到的聲發射信號進行分析與推斷以了解材料產生聲發射的機制，從而了解材料內部的缺陷情況[1-4]。

2 聲發射檢測技術的特點

聲發射技術是根據內部結構發出的應力波來判斷內部損傷程度的一種新型動態無損檢測方法，它可以在結構或材料內部的機構，缺陷或潛在缺陷處于運動變化的過程中進行檢測。與常規無損檢測相比，有兩個基本特點。一是對動態缺陷敏感，在缺陷萌生和擴展過程中能實時發現；二是聲發射波來自缺陷本身，而非外部，可以得到有關缺陷的豐富信息，檢測靈敏度與分辨力高。

聲發射技術具有以下特點：①聲發射檢測是一種動態檢驗方法；②聲發射檢測方法對線性缺陷較為敏感；③聲發射檢測在一次試驗過程中能夠整體探測和評價整個結構中缺陷的狀態；④可提供缺陷隨載荷、時間、溫度等外變量而變化的實時或連續信息，因而適用于工業過程在線監控及早期或臨近破壞預報；⑤適于其他方法難于或不能接近環境下的檢測，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及極毒等環境；⑥對于在役壓力容器的定期檢驗，聲發射檢驗方法可以縮短檢驗的停產時間或者不需要停產；⑦對于壓力容器的耐壓試驗，聲發射檢驗方法可以預防由未知不連續缺陷引起系統的災難性失效和限定系統的最高工作壓力；⑧適于檢測形狀復雜的構件。

聲發射技術具有以下缺點：①對數據的正確解釋要有更為豐富的數據庫和現場檢測經驗，因為聲發射特性對材料甚為敏感，又易受到機電噪聲的干擾；②聲發射檢測，一般需要適當的加載程序，多數情況下，可利用現成的加載條件，但有時，還需要特作準備；③聲發射檢測目前只能給出聲發射源的部位、活性和強度，不能給出聲發射源內缺陷的性質和大小，仍需依賴于其他無損檢測方法進行復驗。

3 聲發射技術在活動導葉裂紋監測上的應用原理

在水輪機導葉的頂端安裝聲發射傳感器來檢測導葉產生裂紋時的聲發射信號，同時由采集主機將聲發射信號變換、處理后發送給采集分析軟件，由采集分析軟件對聲發射信號進行神經網絡識別、頻譜分析、小波分析等，對水輪機導葉裂紋給出直觀的報警信號。

這種聲發射技術應用方法利用了聲發射信號在金屬材料中的傳輸特性，從活動導葉頂部端面附近采集信號，解決了活動導葉由于空間和環境限制不能直接安裝檢查傳感器的難題，實現了對水輪機導葉裂紋的實時監測。

4 聲發射裝置在活動導葉上裂紋監測上的應用

如圖1所示，應用聲發射技術的水輪機導葉裂紋檢測裝置，包括聲發射傳感器、聲發射采集主機和中央控制裝置工控機；聲發射傳感器安裝在水輪機的每一個導6的頂部端面位置；聲發射傳感器通過聲發射電纜與聲發射采集主機連接；所述聲發射采集主機通過控制電4與工控機連接。聲發射傳感器均安裝在導葉的頂部端面位置。水輪機導葉上的聲發射傳感器的安裝位置進行打磨拋光處理。聲發射傳感器采用磁扣安裝。聲發射傳感器與安裝部位之間涂抹耦合劑。工控機安裝有報警裝置。

圖1 應用聲發射技術的水輪機導葉裂紋檢測裝置圖

該技術已在瀑布溝水電站6號機組活動導葉上應用，其安裝檢測步驟如下。

1)將聲發射傳感器安裝到導葉的頂部端面，具體步驟為：先對導葉的頂部端面進行打磨拋光處理，然后在導葉的頂部端面和聲發射傳感上均勻的涂抹耦合劑，最后采用磁扣將聲發射傳感器固定在導葉的頂部的端面位置。將其余的聲發射傳感器安裝到水輪機的其他導葉上。

2)將全部聲發射傳感器通過聲發射電纜連接到聲發射采集主機上。

3)將聲發射采集主機通過控制電纜連接到安裝有采集分析軟件的工控機上。

4)接通電源，聲發射檢測裝置開始運行，實時檢測水輪機導葉的運行情況，當發現水輪機導葉出現裂紋時及時發出報警。

5 結 語

聲發射技術目前已應用于多種行業，但在水輪機活動導葉實時監測中仍是首次。瀑布溝水電站6號機組活動導葉裂紋監測裝置的安裝及應用，對其他水電站的裂紋在線監測提供了一種新的思路，同時，對推動聲發射技術在水電領域的應用也將起到積極的推動作用。