突发型声发射信号的传播特性及定位研究

    裂纹是管道上最常见的缺陷之一,主要由管材缺陷、材料空隙、夹杂物或凹陷、局部脆性区域及应力、疲劳腐蚀等造成,对管道安全的威胁极大。声发射作为一种动态无损检测方法,可在不停产的状况下对压力管道的活性缺陷,如裂纹扩展、环形焊缝位移、腐蚀等进行实时检测及判断,而且对管道特殊结构的形状不敏感^[1-2]。因此,压力管道的声发射检测技术研究具有重要的意义。

    1　声发射管道裂纹检测与定位的原理

    采用声发射技术对管道腐蚀裂纹等缺陷进行检测时,需要对管道进行工作压力范围内的加载。在载荷作用下,管道内的活性缺陷会发生轻微扩展,在管壁中激发出应力波并沿管壁传播。该应力波携带有丰富的管道缺陷信息,采用安装在被测管道两端的传感器采集信号,再由声发射仪器进行数字化分析,就可以获取管道缺陷的详细信息,对缺陷产生的位置及严重程度做出判断^[3]。

    管道上裂纹的产生与扩展属于突发型声发射信号。突发型声发射信号的定位方法可采用时差定位法^[4]。时差定位至少需2个声发射传感器,通过测量声发射信号到达各个检测通道的时间差、波速和传感器间距等参数,并采用一定的算法来确定声源的目标或位置,其定位原理如图1所示。图中声发射源距1#传感器的距离为

　　d=(1/2)·(D-vΔt)             (1)

式中　D为两个传感器间的距离;v为声波在结构中的传播速度;Δt为信号到达两个传感器间的时差。

    时差线定位技术的关键是确定声波在试件中的传播速度v和Δt。其中,v一般可通过查阅工程手册来获得。由于管道裂纹激发的声发射信号为突发型信号,故Δt可通过多通道声发射仪器记录的各通道信号到达时间来确定。现代声发射仪的时差测量是基于各通道的到达时间,而每个通道到达时间的测量与触发电平的设置和仪器的时钟频率有关。目前,仪器的采样时间可精确到250 ns以上^[5]。

    2　声发射管道裂纹检测的实验研究

    2.1　管道裂纹信号的采集

    在实验室条件下获取裂纹信号难,因此在声发射实验中常采用国际上通用的Nielsen-Hsu断铅法来模拟裂纹的产生。图2为相同类型传感器采集的、不同性质的声发射信号^[6]。传感器与声发射源的间距均为9 m。研究表明,固体材料断裂破坏时产生的声发射信号都具有与图2(a)类似的波形。

    在实验室条件下,对一条长约15 m、直径 100 mm(变径后为 50 mm)的不锈钢管道进行裂纹检测及定位实验。由于该管道的支路、法兰、支撑等附属结构众多,为了研究声发射波在通过不同管道特征,如焊缝、法兰、支路、变径等的衰减情况,选取了一段附属结构较多的管道进行实验。分别将4个传感器沿管道依序布置(见图3)。1^#和4^#传感器的间距为5 400 mm。