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岩石声发射

已有 7560 次阅读 2010-5-9 19:47 |个人分类:学科见解|系统分类:科研笔记|关键词:岩石,声发射| 岩石, 声发射

岩石声发射

 

岩石声发射活动主要是由岩石内部裂纹的产生、扩展及断裂产生的。

岩石破裂失稳问题一直是国内外岩石力学工作者研究的热点和难点。由于诸多岩体工程灾害的发生(如岩爆、岩质边坡失稳等)均和岩石破裂失稳过程有关,因而如何采取有效的研究手段和研究方法,系统地研究岩石破裂失稳过程中其内部裂纹的演化过程,这对进一步理解岩石破裂失稳机制无疑是十分有意义的工作。随着科技的进步,目前对岩石失稳机制的研究手段也在逐步地得到改善,如利用电镜扫描技术、红外遥感技术、CT(computerizedtomography)方法及数值模拟等手段,研究岩石破裂失稳全过程并分析各个加载阶段的力学特征,这方面已取得了许多进展。L.X.Wu等对岩石破裂过程进行了大量的红外热像研究,但其试验的岩样尺寸相对较小,试验条件相对较苛刻;赵永红等将SEMCT等运用到岩石力学试验上,对岩石破裂过程进行了细观试验研究,着重阐明微缺陷对岩石破坏失稳的控制作用;刘冬梅等应用激光全息干涉法对岩石裂纹扩展变形过程进行动态计量,但其不适用于岩石大变形测量,并且岩石局部变形超出全息干涉范围时,只能采用分段记录;唐春安等应用数值模拟研究了各种条件下岩石裂纹演化过程及裂纹相互作用机制,但未能从试验角度出发加以验证。

岩石材料受外力或内力作用时,由于其本身的弹性形变、裂纹扩展,造成脆性材料内局部因能量的快速释放而发出的瞬态弹性波现象,称为声发射(acoustic emissionAE),亦被称为弹性波发射。声发射是研究脆性材料失稳破裂演化过程的一个良好工具,能连续、实时地监测载荷作用下脆性材料内部微裂纹的产生和扩展,并实现对其破坏位置的定位,这是其他任何试验方法都不具有的特点,已被广泛应用于研究岩石、混凝土等材料的破裂失稳机制研究。目前,国内外许多岩石力学工作者,利用声发射系统研究岩石的失稳破坏,并获得了大量的研究成果。K.Mogi通过研究地震现象讨论了岩石破裂过程中弹性振动的声发射活动;刘新平探讨了岩石破裂过程的声发射谱;李庶林等研究了单轴加载条件下岩石声发射的活动特征。这些研究成果促进了声发射技术在岩石力学中的应用,同时也探讨了不同加载阶段其声发射的活动特性,但这些研究成果未能反映整个加载过程中岩石内部微裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通的三维空间演化过程。

 

声发射技术

材料或构件在受力过程中产生变形或裂纹时,以弹性波形式释放出应变能的现象,称为声发射。利用接收声发射信号,对材料或构件进行动态无损检测的技术,称为声发射技术。

最简单的声发射仪器是单通道声发射仪。其工作原理和主要组成部分如图所示。由压电晶体制成的传感器耦合在待检测试件上,它接收声发射信号后,将微弱的机械振动转变为电信号,经前置放大器放大,再用滤波器除去机械噪声,然后由主放大器将信号进一步放大,以便进行信号处理。处理声发射信号时,常用脉冲计数法。单位时间的脉冲数,称为声发射计数率;脉冲的总数,称为声发射总数。门槛和整形器对声发射信号设置门槛电压,输出越过门槛的振铃脉冲,并整形为方波脉冲,供计数率计和计数计测量,再将声发射计数率和声发射总数转换为直流电压的信号,由X-Y记录仪记录下来。对大型构件进行强度考核试验时,常采用多通道声发射源定位系统,配合电子计算机进行数据处理,可实时确定裂纹等缺陷的位置。
  声发射技术已成为实验应力分析的一种有力工具,例如在断裂试验中,可用来检测裂纹和研究腐蚀断裂过程,以及监视构件的疲劳断裂扩展等。声发射技术还可以用于评价构件的完整性,判断结构的危险程度。

什么是声发射?

声发射就是材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象,有时也称为应力波发射。材料在应力作用下的变形与裂纹扩展,是结构失效的重要机制。这种直接与变形和断裂机制有关的源,被称为声发射源。近年来,流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等与变形和断裂机制无直接关系的另一类弹性波源,被称为其它或二次声发射源。


声发射是一种常见的物理现象,各种材料声发射信号的频率范围很宽,从几Hz的次声频、20 Hz20K Hz的声频到数MHz的超声频;声发射信号幅度的变化范围也很大,从10m的微观位错运动到1m量级的地震波。如果声发射释放的应变能足够大,就可产生人耳听得见的声音。大多数材料变形和断裂时有声发射发生,但许多材料的声发射信号强度很弱,人耳不能直接听见,需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术,人们将声发射仪器形象地称为材料的听诊器。

声发射的来源及发展

声发射和微震动都是自然界中随时发生的自然现象,尽管无法考证人们何时首次听到声发射,但逐如折断树技、岩石破碎和折断骨头等的断裂过程无疑是人们最早听到的声发射信号。可以十分肯定地推断“锡呜”是人们首次观察到的金属中的声发射现象,因为纯锡在塑性形变期间机械栾晶产生可听得到的声发射,而铜和锡的冶炼可追朔到公元前3700年。

现代的声发射技术的开始以Kaiser五十年代初在德国所作的研究工作为标志。他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合金在形变过程中都有声发射现象。他最有意义的发现是材料形变声发射的不可逆效应即:“材料被重新加载期间,在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号”。现在人们称材料的这种不可逆现象为“Kaiser效应”。Kaiser同时提出了连续型和突发型声发射信号的概念。

二十世纪五十年代末,美国人SchofieldTatro经大量研究发现金属塑性形变的声发射主要由大量位错的运动所引起[5], 而且还得到一个重要的结论, 即声发射主要是体积效应而不是表面效应。Tatro进行了导致声发射现象的物理机制方面的研究工作, 首次提出声发射可以作为研究工程材料行为疑难问题的工具, 并预言声发射在无损检测方面具有独特的潜在优势。

二十世纪六十年代初,Green等人首先开始了声发射技术在无损检测领域方面的应用, Dunegan首次将声发射技术应用于压力容器方面的研究。在整个六十年代, 美国和日本开始广泛地进行声发射的研究工作, 人们除开展声发射现象的基础研究外, 还将这一技术应用于材料工程和无损检测领域。美国于1967年成立了声发射工作组,日本于1969年成立了声发射协会。

二十世纪七十年代初, Dunegan等人于开展了现代声发射仪器的研制,他们把实验频率提高到100KHz-1MHz的范围内, 这是声发射实验技术的重大进展, 现代声发射仪器的研制成功为声发射技术从实验室的材料研究阶段走向在生产现场用于监视大型构件的结构完整性创造了条件。

随着现代声发射仪器的出现,整个七十年代和八十年代初人们从声发射源机制、波的传播到声发射信号分析方面开展了广泛和系统的深入研究工作。在生产现场也得到了广泛的应用,尤其在化工容器、核容器和焊接过程的控制方面取得了成功。Drouillard1979年统计出版了1979年以前世界上发表的声发射论文目录, 据他的统计, 1986年底世界上发表有关声发射的论文总数已超过5000篇。

二十世纪八十年代初,美国PAC公司将现代微处理计算机技术引入声发射检测系统, 设计出了体积和重量较小的第二代源定位声发射检测仪器, 并开发了一系列多功能高级检测和数据分析软件, 通过微处理计算机控制, 可以对被检测构件进行实时声发射源定位监测和数据分析显示。由于第二代声发射仪器体积和重量小易携带,从而推动了八十年代声发射技术进行现场检测的广泛应用,另一方面,由于采用286及更高级的微处理机和多功能检测分析软件,仪器采集和处理声发射信号的速度大幅度提高,仪器的信息存储量巨大,从而提高了声发射检测技术的声发射源定位功能和缺陷检测准确率。

进入九十年代,美国PAC公司、美国DW公司、德国Vallen Systeme公司和中国的声华兴业公司先后分别开发生产了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声发射检测分析系统,这些系统除能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外,还可直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。

中国于二十世纪七十年代初首先开展了金属和复合材料的声发射特性研究,八十年代中期声发射技术在压力容器和金属结构的检测方面得到应用。发射检测仪已在制造、信号处理、金属材料、复合材料、磁声发射、岩石、过程监测、压力容器、飞机等领域开展了广泛的应用。

中国于1978年在中国无损检测学会成立了声发射专业委员会,并于1979年在黄山召开了第一届全国声发射学术会议,近年来已固定每两年召开一次学术会议,到目前为止已召开了十一届。

声发射的基本原理

声发射检测的原理,从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面,引起可以用声发射传感器探测的表面位移,这些探测器将材料的机械振动转换为电信号,然后再被放大、处理和记录。固体材料中内应力的变化产生声发射信号, 在材料加工、处理和使用过程中有很多因素能引起内应力的变化,如位错运动、孪生、裂纹萌生与扩展、断裂、无扩散型相变、磁畴壁运动、热胀冷缩、外加负荷的变化等等。人们根据观察到的声发射信号进行分析与推断以了解材料产生声发射的机制。

声发射检测的主要目的是:①确定声发射源的部位;②分析声发射源的性质;③确定声发射发生的时间或载荷;④评定声发射源的严重性。一般而言,对超标声发射源,要用其它无损检测方法进行局部复检,以精确确定缺陷的性质与大小。

声发射技术的特点

声发射检测方法在许多方面不同于其它常规无损检测方法,其优点主要表现为:
(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,而不是象超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供;
(2)
声发射检测方法对线性缺陷较为敏感,它能探测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况,稳定的缺陷不产生声发射信号;
(3)
在一次试验过程中,声发射检验能够整体探测和评价整个结构中缺陷的状态;
(4)
可提供缺陷随载荷、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;
(5)
由于对被检件的接近要求不高,而适于其它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;
(6)
对于在役压力容器的定期检验,声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不需要停产;
(7)
对于压力容器的耐压试验,声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限定系统的最高工作压力;
(8)
由于对构件的几何形状不敏感,而适于检测其它方法受到限制的形状复杂的构件。

由于声发射检测是一种动态检测方法,而且探测的是机械波,因此具有如下的特点:
(1)
声发射特性对材料甚为敏感,又易受到机电噪声的干扰,因而,对数据的正确解释要有更为丰富的数据库和现场检测经验;
(2)
声发射检测,一般需要适当的加载程序。多数情况下,可利用现成的加载条件,但有时,还需要特作准备;
(3)
声发射检测目前只能给出声发射源的部位、活性和强度,不能给出声发射源内缺陷的性质和大小,仍需依赖于其它无损检测方法进行复验。

声发射的应用

前人们已将声发射技术广泛应用于许多领域,主要包括以下方面:
声发射检测应用在高压储氢罐检测上(1) 石油化工工业:低温容器、球形容器、柱型容器、高温反应器、塔器、换热器和管线的检测和结构完整性评价,常压贮罐的底部泄漏检测,阀门的泄漏检测,埋地管道的泄漏检测,腐蚀状态的实事探测,海洋平台的结构完整性监测和海岸管道内部存在砂子的探测。
(2)
电力工业:变压器局部放电的检测,蒸汽管道的检测和连续监测,阀门蒸汽损失的定量测试,高压容器和汽包的检测,蒸汽管线的连续泄漏监测,锅炉泄漏的监测,汽轮机叶片的检测,汽轮机轴承运行状况的监测。
(3)
材料试验:复合材料、增强塑料、陶瓷材料和金属材料等的性能测试,材料的断裂试验,金属和合金材料的疲劳试验及腐蚀监测,高强钢的氢脆监测,材料的摩擦测试, 铁磁性材料的磁声发射测试等。
(4)
民用工程:楼房、桥梁、起重机、隧道、大坝的检测,水泥结构裂纹开裂和扩展的连续监视等。
(5)
航天和航空工业:航空器的时效试验,航空器新型材料的进货检验,完整结构或航空器的疲劳试验,机翼蒙皮下的腐蚀探测,飞机起落架的原位监测,发动机叶片和直升机叶片的检测,航空器的在线连续监测,飞机壳体的断裂探测,航空器的验证性试验,直升机齿轮箱变速的过程监测,航天飞机燃料箱和爆炸螺栓的检测,航天火箭发射架结构的验证性试验。
(6)
金属加工:工具磨损和断裂的探测,打磨轮或整形装置与工件接触的探测,修理整形的验证,金属加工过程的质量控制,焊接过程监测,振动探测,锻压测试,加工过程的碰撞探测和预防。
(7)
交通运输业:长管拖车、公路和铁路槽车的检测和缺陷定位,铁路材料和结构的裂纹探测,桥梁和隧道的结构完整性检测,卡车和火车滚珠轴承和轴颈轴承的状态监测,火车车轮和轴承的断裂探测。
(8)
其他:硬盘的干扰探测,带压瓶的完整性检测,庄稼和树木的干旱应力监测,磨损摩擦监测,岩石探测,地质和地震上的应用,发动机的状态监测,转动机械的在线过程监测,钢轧辊的裂纹探测,汽车轴承强化过程的监测,铸造过程监测,Li/MnO2电池的充放电监测,人骨头的摩擦、受力和破坏特性试验,骨关节状况的监测。

声发射人员和仪器

据估计,中国目前约有60多个科研院所、大专院校和专业检验单位在各个部门和领域从事声发射技术的研究、检测应用、仪器开发、制造和销售工作,从业人员200多人。在人员培训方面,已有5人以上以声发射检测技术的有关研究内容为论文题目获得博士学位,有50多人获得硕士学位。在检测人员资格认可方面,航天工业无损检测人员资格考试委员会自九十年代末至今已培训II级检验人员30多人,国家质量监督检验检疫总局锅炉、压力容器、压力管道和特种设备无损检测人员资格考试委员会于2002年已培训II级检验人员80多人。

在仪器制造和销售方面,国内主要有北京声华兴业公司、科海恒生公司和沈阳电子所等,科海恒生公司制造和销售232通道CFAE-2001系列的参数式多通道声发射仪器,北京声华兴业公司制造和销售2100通道SDAESSAEU2S系列的数字化全波形多通道声发射仪,沈阳电子所主要制造和销售28通道的多通道声发射仪。另外一些单位针对具体设备的工程检测,基于声发射技术的原理研制出具有单一功能的专用检测仪器,这些仪器主要包括轴承故障检测仪、阀门泄漏检测仪(沈阳电子所)、高压变压器局部放电检测仪(沈阳变压器厂和北京电力科学研究院)、摩擦声发射检测仪(北京航空航天大学)、岩石状态监测仪(北京声华兴业公司)、声发射燃条燃速测试仪(航天总公司44所)、高精度声发射对刀装置(国防科技大学)以及刀具破损监测仪等。

在现有声发射仪器设备的保有量方面,截止到2003年年底有32通道及以上的仪器20多台,824通道的仪器40多台,14通道的仪器100多台。到2008年底保有量最大的主要仪器机型为北京声华兴业公司的SDAESSAEU2S系列、美国PAC公司的LOCANSPARTANMISTRAS系列,德国VALLEN公司的AMSY系列。

声发射检测技术是一种动态的检测技术,可提供缺陷随荷载、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息,适合于在线监控及早期或临近破坏预报。可解决常规无损检测方法所不能解决的问题。通过水利水电工程上的应用实例证明,声发射检测技术是水利水电工程金属结构、机电设备在线监控和安全评估的有效手段。

  材料中由于能量从局部源快速释放而产生瞬态弹性波的现象称为声发射(acoustic emission,简称AE)。声发射是一种常见的物理现象,如地震波、岩石破碎、金属开裂和折断铅芯等。各种材料声发射信号的频率范围很宽,声发射信号幅度的变化范围也很大,以致于有些声发射信号人耳可以听到,而有些声发射信号人耳听不到。许多材料的声发射信号强度很弱,需要借助专门的检测仪器才能检测出来。材料在应力作用下的变形与开裂是结构失效的重要机制。这种直接与变形和断裂机制有关的源,称为声发射源。用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射检测(acoustic emission testing 简称AET)技术。

  AET技术在五十年代就开始应用于材料研究。在六十年代开始应用于无损检测领域。我国则于七十年代开始应用AET技术。AET技术已应用的领域有:材料及力学方面的研究;汽车工业(汽车所有部件);土木工程(梁、岩石、混凝土及水工建筑物安全性检测等);航空航天(机身各部件、引擎、卫星太阳能板等);大型变压器局部放电检测;环境试验;核反应堆;模态测试;一般工业(管路、轴承、压力容器、球罐等);焊接质量检测与监控;吊车等空架结构检测;质量管理(配合自动化生产线进行在线质量控制)等。AET技术作为无损检测的一种手段,其主要目的是: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;按照有关的声发射标准评定声发射源的严重性。另一方面,声发射检测技术也有一定的缺点和不足:声发射检测需要在特定荷载条件下进行,声发射检测目前只能给出声发射源的部位、活度和强度,不能给出声发射源处缺陷的性质和大小,对超标声发射源,需要使用其它常规无损检测方法(如:超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测等)进行局部复检,以精确确定缺陷的性质、位置和大小。

  现行标准、规范中规定的产品质量(尤其是内部质量)要求,在很多情况下是根据常规无损检测方法确定的。按常规无损检测方法,只能检测、显示静态的宏观缺陷[也称不连续性或不完整性,如裂纹、夹渣(杂)、气(缩)孔、未融合、未焊透等]。现行的一般做法是,按照标准、规范和标书文件的要求,对检出的缺陷进行定位、定量、定性(定性的方法目前尚不成熟,超声检测定性尤差)和等级评定,以确定是否合格和验收。这种静态的检测评定方法更多评价的是产品制造工艺和质量控制的水平,而对于产品的安全性和可靠性往往没有多少直接关系;事实上,只有扩展的、尺寸增大的和最终导致破坏的不完整性(如裂纹的萌生和扩展)才认为是危险的。

  AET技术具有以下特点(优点),在很多情况下与其它无损检测方法相比这些特点表明了它的优越性。

  1.声发射法适用于实时动态监控检测,且只显示和记录扩展的缺陷,这意味着与缺陷尺寸无关。而是显示正在扩展的最危险缺陷。这样,应用声发射检验方法时可以对缺陷不按尺寸分类,而按其危险程度分类。按这样分类,构件在承载时可能出现工件中应力较小的部位尺寸大的缺陷不划为危险缺陷,而应力集中的部位按规范和标准要求允许存在的缺陷因扩展而被判为危险缺陷。声发射法的这一特点原则上可以按新的方式确定缺陷的危险性。因此,在压力管道、压力容器、起重机械等产品的荷载试验工程中,若使用声发射检测仪器进行实时监控检测,既可弥补常规无损检测方法的不足,也可提高试验的安全性和可靠性。同时利用分析软件可对以后的运行安全做出评估。

  2.AET技术对扩展的缺陷具有很高的灵敏度。其灵敏度大大高于其它方法,例如,声发射法能在工作条件下检测出零点几毫米数量级的裂纹增量,而传统的无损检测方法则无法实现。

  3.声发射法的特点是整体性。用一个或若干个固定安装在物体表面上的声发射传感器可以检验整个物体。缺陷定位时不需要使传感器在被检物体表面扫描(而是利用软件分析获得),因此,检验及其结果与表面状态和加工质量无关。假如难以接触被检物体表面或不可能完全接触时,整体性特别有用。例如:绝热管道、容器、蜗壳;埋入地下的物体和形状复杂的构件;检验大型的和较长物体的焊缝时(如:桥机梁、高架门机等),这种特性更明显。

  4.声发射法一个重要特性是能进行不同工艺过程和材料性能及状态变化过程的检测。声发射法还提供了讨论有关物体材料的应力应变状态的变化。所以,AET技术是探测焊接接头焊后延迟裂纹的一种理想手段。同样,象引水压力钢管的凑合节环焊缝,由于拘束度很大,在焊后冷却过程中,焊接造成的拉应力和冷缩产生的拉应力,可能会使应力集中系数较大的缺陷(如:未融合、不规则的夹渣、咬边等)萌生裂纹,这是不允许存在的。为了找出和避免这种隐患,用AET监测也是比较理想的手段。

5.对于大多数无损检测方法来说,缺陷的形状和大小、所处位置和方向都是很重要的,因为这些缺陷特性参数直接关系到缺陷漏检率。而对声发射法来说,缺陷所处位置和方向并不重要,换句话说,缺陷所处位置和方向并不影响声发射的检测效果。

  6.声发射法受材料的性能和组织的影响要小些。例如:材料的不均匀性对射线照相和超声波检测影响很大,而对声发射法则无关紧要。因此,声发射法的使用范围较宽(按材料)。例如,可以成功地用以检测复合材料,而用其它无损检测方法则很困难或者不可能。

  7.使用声发射法比较简单,现场声发射检测监控与试验同步进行,不会因使用了声发射检测而延长试验工期。检测费用也较低,特别是对于大型构件整体检测,其检测费用远低于射线或超声检测费用。且可以实时地进行检测和结果评定。

  声发射法可以检测缺陷、确定缺陷位置和评价结构的危险程度(安全性)。与其它常规无损检测方法相结合,使用声发射法将会取得最佳效果。

  我国的水利水电工程金属结构、机电设备方面也已开始应用声发射检测技术,并取得良好效果。如:1999年水利部质检中心对湘江大源渡航电枢纽工程的液压启闭机油缸荷载试验进行了声发射监控检测和安全评定,对油缸缸底吊耳和活塞杆吊耳采用ZG310-570材料制造的可行性和安全性进行了比较科学的实验鉴定。在20011月和3月,水利部质检中心受中国长江三峡工程开发总公司的委托,由质检中心无损检测专业室和清华大学无损检测技术工程中心的技术人员组成检测组,先后对三峡水利枢纽工程左岸厂房1#3#水轮发电机组座环和蜗壳在充水升压和保压阶段进行了声发射监控检测,1#水轮发电机组座环和蜗壳声发射传感器布置示意图见图1。监控检测取得了良好的效果。特别是1#水轮发电机组座环和蜗壳,通过声发射实时监测,发现了蜗壳03管节与大舌板对接焊缝的咬边在充水升压和保压阶段萌生、扩展的裂纹,该缺陷的声发射波形图见图2。这是常规无损检测方法所不能发现的。该裂纹做的磁粉检测显示的磁痕见照片1

  可以预计,在我国水利水电工程上,使用声发射检测技术对金属结构、机电设备进行检测和安全评定将得到进一步的推广应用,所发挥的社会经济效益将愈来愈显著。

 

 



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