水電站常用600MPa級鋼聲發(fā)射源強度分級的幅度界限值

(1.北京中水新華灌排技術有限公司，北京 100032；2.江河機電裝備工程有限公司，北京 100071；3.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發(fā)有限公司，新疆 喀什 844000)

1 前 言

材料中局域源快速釋放能量產生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(Acoustic Emission,AE)。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(fā)射檢測技術就是用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術。

聲發(fā)射檢測技術用于水利水電工程水工金屬結構及機械設備載荷試驗的實時在線動態(tài)檢測[1-4]，可以對結構的整體安全性進行評估及預警。我國制定了《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結果評價方法》(GB/T 18182—2012)[5]，在該標準中關于聲發(fā)射源強度劃分采用幅度參數(shù)時，僅僅推薦了低合金鋼16MnR材料的分級參數(shù)a和b的值(強度b為高強度)。其他材質的強度分級a、b值，未給出，需要通過試驗獲得。

國內的有關標準已經(jīng)給出了Q235、Q345強度級別的低合金鋼和灰口鑄鐵HT200的AE源強度分級的幅值(a和b)界限[7-8]。由常見碳鋼和低合金鋼材料制造的容器或構件，由于材料特性相似，這些幅值界限參數(shù)可以作為參考。但近年來，600MPa級及以上強度的高強鋼在水工金屬結構尤其是壓力鋼管、鋼岔管、機組蝸殼中應用比例逐漸增加，這些高強鋼的材料特性與低合金鋼差異較大，應用標準推薦的參數(shù)與實際情況相差很大。

因此，研究600MPa級高強鋼水工金屬結構聲發(fā)射檢測源強度分級幅度界限，對該類結構聲發(fā)射檢測應用具有重要的意義。

水利水電工程中常用的兩種600MPa級高強鋼為B610CF和07MnMoVR，其為抗拉強度(Rm)大于或等于610N/mm2級容器用高強鋼，兩種鋼材具有一致的化學成分和強度。具有優(yōu)秀的力學、機械性能和較低的焊接裂紋敏感性。

本文研究了該兩種牌號鋼材結構件聲發(fā)射檢測時的活性和強度特性，試驗得到了聲發(fā)射定位源強度分級的幅度推薦值，其成果為水利行業(yè)聲發(fā)射檢測標準[9]的起草編制奠定了基礎。

2 試驗簡介

2.1 拉伸試驗的設置

拉伸試驗中采用的B610CF和07MnMoVR兩種牌號的板狀試樣，工件幾何尺寸見圖1。

圖1 拉伸板狀試件的幾何尺寸 (單位：mm)

5塊材質為B610CF和5塊材質為07MnMoVR的同樣尺寸的拉伸試樣的應力-位移(或應力-時間)曲線數(shù)據(jù)和聲發(fā)射試驗數(shù)據(jù)分析結果顯示，雖然10個試樣的強度略有不同，對應的聲發(fā)射事件本身不具有重復性，導致10個試樣的試驗數(shù)據(jù)存在細微差別，但是試樣試驗數(shù)據(jù)的宏觀統(tǒng)計特性(如聲發(fā)射事件的強度和活性等)相似。

其中一塊試樣的力學性能和化學成分如表1所列。

表1 B610CF的力學性能和化學成分

拉伸試驗的實施根據(jù)標準《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)來執(zhí)行，拉伸試驗采用的是微機控制電液伺服萬能試驗機，型號為WAW-1000，最大加載載荷可達1000kN，試驗過程中的加載采用位移加載方式，加載速率為1mm/min，采用一次加壓循環(huán)方式，連續(xù)加載至試件斷裂(見圖2)。

圖2 拉伸試驗的應力-位移曲線

該試件的抗拉強度Rm、0.2%規(guī)定殘余延伸強度RP0.2分別為700MPa、660MPa，上、下屈服強度ReH和ReL接近相等，為580MPa。

2.2 聲發(fā)射試驗的設置

聲發(fā)射檢測采用AMSY-6型38通道聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，其最大數(shù)字化頻率為10MHz，最大時間精度為0.1μs。傳感器為VS150-RIC型高靈敏度壓電傳感器，共振頻率為150kHz，頻率范圍為100～450kHz，內置增益為34dB的前置放大器，選擇25～850kHz的帶通濾波器；閘門閾值設置為40dB(見表2)。圖3為該型傳感器的頻率響應曲線,圖3中橫坐標VS150-RIC表示傳感器的型號，f表示頻率，單位為kHz，縱坐標表示靈敏度，單位為V/μbar。

表2 聲發(fā)射系統(tǒng)工作參數(shù)設置

圖3 VS150-RIC型傳感器的頻率響應曲線

監(jiān)控中采用線性時差定位方法，兩個傳感器對于試件中心位置呈對稱放置，且置于板材的同一側，坐標分別為x=-70mm，x=70mm，即1號(-70，0),2號(70，0)，檢測的整個過程均進行波形數(shù)據(jù)的采集。

3 拉伸試驗過程聲發(fā)射信號分析

由于試件拉伸曲線中沒有明顯的屈服階段，可以通過測量出的抗拉強度Rm、0.2%規(guī)定殘余延伸強度RP0.2、上(下)屈服強度ReH(ReL)來將其劃分為4個階段，彈性變形階段為0～580MPa、屈服階段為580～660MPa、強化階段為660～700MPa、頸縮破壞階段為700MPa至結束，在應力-位移(時間)曲線上分別對應于0～489s、489～597s、597～770s、770～1034s(持續(xù)時間分別為489s、108s、173s、264s)，最后斷裂的位置大致位于試件中間部位。圖4為有關的聲發(fā)射參數(shù)分布圖，圖4(a)中橫坐標線性定位的x軸坐標系，單位為mm，縱坐標表示聲發(fā)射事件的幅值，單位為dB；圖4(b)中橫坐標表示時間軸，單位為s，左縱坐標表示聲發(fā)射事件的幅值，單位為dB，右縱坐標表示累計撞擊數(shù)，單位為個。

由以上參數(shù)圖可以看出，主要的聲發(fā)射定位源在兩探頭附近及試件的中間位置(斷裂部位)。

采用聲發(fā)射線性時差定位時，兩探頭連線延長線上的聲發(fā)射源會被定位計算到鄰近的探頭附近；而試件夾持位置在兩探頭連線段延長線上，因此探頭附近的定位主要是由于拉伸初期(彈性變形早期) 來自于試件和夾具之間的咬合、滑移、摩擦產生的機械噪聲信號產生的定位。由于試件斷裂在中間位置，濾掉探頭附近區(qū)域的信號，只分析試件中間區(qū)域附近的信號(-55～55mm區(qū)間)。圖5為試件中間區(qū)域附近有關聲發(fā)射參數(shù)圖，圖5中橫坐標表示時間，單位為s，左縱坐標表示聲發(fā)射事件的幅值，單位為dB，右縱坐標表示累計聲發(fā)射事件數(shù)，單位為個。

圖4 整個拉伸階段AE參數(shù)

圖5 幅值與時間相關圖及聲發(fā)射事件隨時間經(jīng)歷(試件中區(qū)附近區(qū)域)

彈性變形階段，聲發(fā)射源區(qū)的聲發(fā)射事件隨著升壓較均值增加，比較穩(wěn)定，試件處于安全狀態(tài)。從定位事件的幅值分布可以看出，定位源的信號中較大的幅值主要集中在50dB以下，最大幅值小于65dB。

屈服階段，會產生大范圍的塑性變形，材料內部晶格發(fā)生很大的變化，位錯加劇，位錯密度增加，位錯滑移和位錯雪崩使得材料塑性變形的能量釋放，因此產生了大量的聲發(fā)射信號，事件數(shù)隨著時間近似均勻增加(事件率接近一個常數(shù))，表現(xiàn)出很強的活性和強度。幅度較高的事件的幅值主要分布在55～73dB，中位數(shù)為65dB左右。

強化階段，隨著載荷的增加，塑性變形加劇，材料開始硬化，位錯運動的自由度大大減少，塑性變得很差，該階段仍有大量的聲發(fā)射信號產生，但是事件率逐漸變小，該階段定位源的活性不及屈服階段，且聲發(fā)射信號幅值出現(xiàn)了短暫的回落。即整體的活性和強度要弱于塑性變形階段。幅度較高的事件的幅值主要分布在55～68dB，最大值為68dB。

頸縮破壞階段，材料發(fā)生頸縮后，材料內部的變形由原來的單向拉伸變成了三向拉應力狀態(tài)，此時產生極大的塑性變形，位錯運動的自由度極大減少，塑性變得極差，位錯塞積和位錯糾纏相當嚴重，進一步塑性變形量有限，處于有利于滑移位向的位錯極少，位錯的滑移距離也很短。因而，在頸縮早期的裂紋萌生階段，聲發(fā)射信號量相對較多，信號幅值也較大；在中期，聲發(fā)射信號的數(shù)量和幅值出現(xiàn)了回落；而在接近斷裂的一個極短時間范圍，試件萌生的微觀裂紋加速擴展，聲發(fā)射信號能量快速增加，活性很強，尤其是在趨于斷裂時刻，幅值在90dB以上，幅值最大達到了100dB，斷裂位置大致處于試件中心。幅度較高的事件的幅值中，在早期，主要分布在55～65dB；在中期，主要分布在45～55dB；在后期主要分布在65～100dB，中位數(shù)為80dB左右。

4 B610CF聲發(fā)射定位源強度分級的幅度推薦值

根據(jù)圖2中的應力-位移(時間)曲線，可以劃分試件安全的應力范圍和試件不安全的應力范圍，劃分聲發(fā)射源強度等級時的幅度值a和b，a值考慮材料屈服時聲發(fā)射信號的幅度值，參數(shù)b值的選取應考慮劃分材料損傷嚴重程度的分界，例如頸縮斷裂階段。

根據(jù)屈服階段幅值較高的聲發(fā)射事件幅值主要集中在55～73dB，中位數(shù)在65dB左右，因此a值取為65dB。

對緊縮破壞階段幅值不低于65dB的聲發(fā)射事件幅值進行統(tǒng)計，中位數(shù)為80dB左右，其均值為82dB，因此b值可以保守地取為80dB。

5 結 論

對水電站常用600MPa級高強鋼試樣拉伸試驗過程進行了聲發(fā)射檢測，通過對有關試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，得到如下結論：

a. B610CF和07MnMoVR鋼的拉伸試驗應力-應變(位移)沒有明顯的屈服階段。

b.拉伸過程不同階段聲發(fā)射信號的特征參數(shù)分布有很大的不同。在彈性變形階段，聲發(fā)射信號幅值較小，事件數(shù)隨著時間(載荷)近似線性增大。在屈服階段，事件數(shù)隨著時間(載荷)近似均勻增加，產生了大量的聲發(fā)射信號，表現(xiàn)出很強的活性和較高的強度。強化階段事件數(shù)隨著時間(載荷)緩慢增加，事件率逐漸變小，該階段源的活性不及屈服階段，強度與屈服階段接近一致。頸縮及斷裂階段早期，聲發(fā)射信號量相對較多，信號幅值也較大；在中期，聲發(fā)射信號的數(shù)量和幅值出現(xiàn)了回落，相對較穩(wěn)定；在后期，事件數(shù)隨著時間快速增加，即事件率快速變大，活性很強，尤其在趨于斷裂的瞬間，聲發(fā)射事件數(shù)陡增，強度非常大。

c. 600MPa級高強鋼聲發(fā)射檢測源強度分級幅度值界限a和b分別取值65和80。