声发射检测技术在压力容器和拉伸试验中的应用
张昌稳1，李强1，叶辉2，熊亚飞2
（福州大学材料科学与工程学院，福州 350108）
摘 要：综述了声发射检测技术在压力容器和拉伸实验中的应用，对压力容器中常见的缺陷进行声发射源定位分析和特征参数相关分析，发现不同类型缺陷具有不同的声发射特性，通过列举大量声发射拉伸实验实例，提出了运用预制缺陷试样进行声发射拉伸实验可以模拟压力容器缺陷的声发射信号特性。在此基础上，提出了建立多参数声发射信号综合评估机制，开发基于不同缺陷声发射信号识别和评价的可视化软件是目前研究的热点领域。
关键词：拉伸试样；压力容器；综合评估；特征参数
The application of acoustic emission technology for the pressure vessel and the tensile test
Zhang Chang-wen1, Li Qiang1, Ye Hui2, Xiong Ya-Fei2
(Fuzhou University & Materials institute, Fuzhou 350108, China)
Abstract: The application of acoustic emission technology in the pressure vessel and the tensile test was summarized, It was discovered that different types of defects have different acoustic emission characteristics. Large numbers of acoustic emission tests were listed, it was proposed that the acoustic emission test which was carried out in the specimen with precast defects could simulate the characteristic of acoustic emission signal in the pressure vessel. On the basis, it was put forward to establish the evaluation mechanism of multi-parameter acoustic emission signals, developing the visualization software based on the identification and evaluation of multi-parameter acoustic emission signals was focus area of research.
Keywords: Tensile specimen; Pressure vessel; Comprehensive assessment; Characteristic parameters
引言：
声发射现象从开始发现到现在已经有六十多年的历史，作为一种动态、高灵敏性的无损检测方法，声发射检测技术不仅能检测和判断缺陷的活性和严重性，还能检测到缺陷随载荷、时间等外变量而变化的实时或连续信息，对缺陷进行早期或者临近破坏前的预报，从而避免突发灾难性事故的发生，因此开展声发射检测技术在缺陷识别和评估上的研究具有重大的现实意义。材料中的许多机制都可以构成声发射源，例如材料的塑性变形、裂纹的形成与扩展、相变、磁效应以及表面效应等都会产生声发射信号而成为声发射源。
1 声发射检测技术在压力容器中的应用
1.1 压力容器的声发射检测研究现状
现代声发射检测技术开始于20世纪50年代初Kaiser在德国所做的研究工作，他在观察材料形变时，发现铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属材料在形变过程中都有声发射现象。而将声发射技术应用于压力容器检测是开始于1963年美国人Dunegan所做的现代声发射仪器的研究[1]。到目前为止声发射技术在压力容器检验中的应用已有将近50年，在这50年间，声发射检测仪器经历了从全模拟式到全数字式的不断更新，声发射检测技术在欧洲、北美、日本、中国、伊朗等许多国家的压力容器检验中已经得到广泛应用。据有关文献报导，全世界采用声发射技术已检验大型压力容器数万台，有关介绍压力容器声发射检测技术研究和应用的文章也很多。并在此基础上制定了许多声发射检验标准，例如国内的GB/T 18182—2000 金属压力容器声发射检测及结果评价方法，GB/T 12604.4 —2005 声发射检测术语以及国外的ASME V—12中金属压力容器检测方法等等。
1.2 压力容器常见缺陷的声发射源
压力容器中常见的声发射源包括裂纹、焊接缺陷的开裂、残余应力释放、结构摩擦、氧化皮剥落、泄露等等，研究结果表明裂纹是最普遍和最危险的声发射信号源。
压力容器中的裂纹包含表面裂纹和体内深埋裂纹，在一次升压和保压过程中，当升压压力低于1.0MPa时，声源信号较为分散，且幅值较低，未发现高幅值的集中声源，当压力升至1.0MPa时，表面裂纹的声发射信号增多，能量急剧增大。对于深埋裂纹来说，在1.0~1.5MPa的压力下才出现声发射定位源信号，在压力为3.0MPa附近，裂纹活动最激烈，声发射定位源信号达到峰值。当应力达到材料的塑性变形区域时，声发射的发射率急剧增加，经过最大值后又逐步减少。一般认为这一声发射信号是由于材料的位错运动而产生的。在被检设备中存在裂纹等危害缺陷情况下，裂纹顶端产生应力集中，致使该部位比其他部位更早的进入塑性变形区域而引发声发射信号，这为以后压力容器定期检验发现裂纹等危害性缺陷提供了前提条件。
其次，焊接缺陷开裂和焊接残余应力释放是压力容器中的又一大危险性缺陷，焊缝内存在的气孔、夹渣、未熔合和未焊透等缺陷的开裂与扩展及非金属夹渣物的断裂均可产生声发射信号，并且声发射信号的特征参数值变化显著。对于新制压力容器进行声发射检测，首次加压容易产生焊接残余应力释放信号，对于在用压力容器，焊缝返修部位容易出现此类声发射源。另外容器的裙座、支座、支柱和接管等角焊缝部位也容易产生焊接残余应力，在升压过程中应力的重新分布可产生大量声发射信号。
压力容器声发射检测技术的关键是从大量干扰声发射信号中识别出真实缺陷产生的声发射信号，并由此找到危险声发射信号源。目前国内外研究声发射信号识别的方法已有很多,人工神经网络识别就是有效的声发射信号识别方法。刘怀喜等人运用人工神经网络技术对碳/环氧复合材料的拉伸损伤过程进行了声发射检测，实验证明，选择合理的神经网络结构、运用BP网络训练算法、建立有效的训练样本集、在确定合理的参数时，就能在声发射检测中对碳/环氧复合材料的各种类型损伤进行正确的识别。
1.3 压力容器常见缺陷的声发射信号特性
研究压力容器声发射源的特性，是在进行压力容器声发射信号源分析和解释的基础上进行的，中国特检院的有关人员通过现场对500多台实际压力容器声发射检验数据进行综合分析，以及对发现的声发射源进行常规无损检测复验，得到现场压力容器声发射检验可能遇到的七类典型声发射源，对这些可能的声发射源进行时差定位分析，可以确定出各类缺陷声发射源的特性。
1.3.1 裂纹扩展
裂纹的声发射定位源比较集中，在进行加载声发射检测期间，一般在低于压力容器运行的压力下无声发射定位源信号，在高于此压力的升压、保压各个阶段均有声发射定位源信号，在降压后的第二次升压和保压阶段，很少或几乎没有声发射定位源信号，满足Kaiser效应。图A为一台1000m3液化石油气球罐上发现的深埋裂纹的声发射定位源图。
1.3.2 焊接缺陷
球罐容器在制造焊接过程中，如果焊接工艺操作不当，即可出现各种焊接缺陷。其中气孔、夹渣和未熔合三种焊接缺陷很容易同时出现，混合在一起。根据大量的压力容器声发射试验结果，大部分缺陷在正常的水压条件下不易产生声发射信号，但也有一些缺陷可产生大量声发射信号。这些缺陷产生的声发射定位源也比较集中，在进行加载声发射检测时，一般在低于压力容器运行的压力下即可产生声发射定位源信号，而且各个升压和保压阶段均有声发射定位源信号，在降压后的第二次升压和保压阶段，也可出现一些声发射定位源信号，不能满足Kaiser效应。分析认为，夹渣缺陷的存在是第二次升压过程中产生声发射信号的原因。这是因为非金属夹渣物在第一次升压过程中可产生断裂并与金属基体脱开，在降压后的第二次升压过程中这些夹渣物会继续破裂或相互之间产生摩擦而释放出弹性波。图B为一台400m3液化石油气球罐上发现的气孔、夹渣和未熔合等焊接缺陷的声发射定位源图。
1.3.3 机械摩擦
在现场压力容器加压试验过程中，容器壳体会产生相应的应变，以至整个结构因摩擦产生大量的声发射定位源信号，该现象十分常见。结构摩擦通常由脚手架、保温支撑环、容器的支座、裙座、柱腿和平台等焊接垫板引起。结构摩擦产生的声发射定位源散步在较大的范围，并且由于结构摩擦的AE机制与一整块金属材料因塑性变形产生AE的机制不同，故不能满足Kaiser效应，即在降压后的第二次升压过程中仍产生大量的声发射信号。
1.3.4 焊接残余应力释放
冷加工、焊接和不均匀加热都可在压力容器壳体上产生残余应力、焊缝错边、机械损伤和壁厚减薄等结构性缺陷，在加压过程中也可引起应力集中，这些部位在第一次加压和保压过程中均产生大量的声发射信号。由于残余应力的分布范围比裂纹和焊接缺陷部位大得多，因此产生的声发射定位源区域比裂纹和夹渣等缺陷的范围大。残余应力释放产生的声发射信号具有两个特点，定位源分布范围较大，不象裂纹扩展和焊接缺陷开裂产生的声发射定位源那么集中。满足Kaiser效应，因为残余应力释放是应力集中部位材料的局部屈服，导致大量位错运动而产生的声发射信号，位错运动的最终结果使应力得到一定程度的松弛。降压后进行第二次升压时，只有压力达到第一次最高压力之后，位错才会运动，故才有声发射信号产生。
1.3.5 泄露
由于泄露产生的声发射信号是连续的，因此不能被时差定位方法进行定位。但是，对于多通道仪器来说，探头越接近泄漏源的通道，采集的声发射信号越多，信号的幅度、能量等声发射参数也越大。通过采用声发射信号撞击数、幅度和能量等声发射通道的分布图，可以确定泄露源的区域。
1.3.6 氧化皮剥落
在首次加压过程中，随着应力的增加，容器壳体必然会产生相应的应变，但容器壳体表面附着的金属氧化物不能随之产生相同的应变，故在加压与保压过程氧化皮会破裂剥落，从而产生大量的声发射信号。图E为一台120m3的液氨球罐进行水压试验，从2.5~3.0MPa升压过程中大量氧化皮破裂剥落产生的声发射腐蚀的位置，在从低压到高压的所有升压和保压过程均有大量信号出现，而且在第二次升压和保压过程中也有少量分散的信号产生。
1.3.7 电子噪声
由于目前所采用声发射仪器的抗干扰能力较强，根据大量压力容器现场检验的经验发现，采集到的几乎所有的电子噪声信号都不是来自于外部环境，而是来自于声发射仪器系统内部。声发射系统内部的电子噪声源主要包括探头、信号线、前置放大器、电缆线和信号采集板等。由于来自不同通道的电子噪声信号相互不关联，所以不会产生定位源。
2 声发射检测技术在拉伸实验中的应用
拉伸试样的声发射信号与拉伸各阶段的断裂力学性能相对应，可以分为以下几部分：弹性阶段、塑性阶段、颈缩阶段以及断裂阶段，通过综述国内外声发射研究进展情况，得到材料拉伸过程的声发射信号特性。
通过将整个过程的应力-应变拉伸特性曲线图和声发射事件计数率-时间图进行对比分析，弹性变形阶段的声发射计数有短时间起伏，塑性变形阶段的声发射事件计数值变化比较大，而断裂阶段声发射事件计数呈现明显下降趋势，与拉伸特性曲线图基本吻合。
3 结论
对上述压力容器声发射信号的分析和拉伸试验进行综述得到以下结论：
（1）压力容器常见缺陷的声发射信号源，不但包括真实缺陷的形成与扩展，主要是裂纹扩展，焊接缺陷的夹渣、未熔合、未焊透以及焊接残余应力释放，还包括大量声发射干扰信号例如氧化皮脱落、泄露以及电子噪音等，从大量干扰声发射信号中识别出真实缺陷的信号源是研究的热点领域。
（2）声发射信号识别的方法有很多，主要包括特征参数法、波形分析法、模态声发射识别以及人工神经网络分析等等，其中基于特征参数的人工神经网络分析在声发射源识别方面有着明显的优势，而目前运用人工神经网络进行声发射信号分析的报道大多是针对一次实验结果进行讨论，还没有形成缺陷声发射源的规范化综合识别机制，因此建立多种缺陷的综合识别系统是研究的热点方向。
（3）运用声发射拉伸实验可以模拟压力容器缺陷的受载状态，在此基础上，系统分析承压设备中缺陷的声发射信号特性，建立基于多参数综合评估机制的可视化软件，可以更加直观、准确的评估缺陷类型。
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