解社娟，馬向鋒，陳玲莉，趙瑩，陳振茂

(西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省無(wú)損檢測(cè)和結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)工程技術(shù)研究中心，西安 710049)

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ITER包層脫粘缺陷的聲發(fā)射檢測(cè)

解社娟，馬向鋒，陳玲莉，趙瑩，陳振茂

(西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省無(wú)損檢測(cè)和結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)工程技術(shù)研究中心，西安 710049)

包層是ITER(國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆，International Thermonuclear Experimental Reactor)的關(guān)鍵部件之一。包層中第一壁界面脫粘是其主要的損傷形式之一，因此包層脫粘缺陷檢測(cè)對(duì)ITER的安全運(yùn)行具有重要意義。采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)ITER包層脫粘缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)展進(jìn)行檢測(cè)，以雙層板為對(duì)象，進(jìn)行了雙層板脫粘聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)；提出了區(qū)域定位法和最小二乘法多傳感器的組合定位方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)脫粘缺陷的有效定位；驗(yàn)證了聲發(fā)射檢測(cè)方法對(duì)ITER包層脫粘缺陷檢測(cè)的有效性。

聲發(fā)射；ITER包層；脫粘缺陷；缺陷定位

ITER(國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆，International Thermonuclear Experimental Reactor)是一個(gè)正在規(guī)劃建設(shè)中的為驗(yàn)證全尺寸可控核聚變技術(shù)可行性而設(shè)計(jì)的國(guó)際托卡馬克實(shí)驗(yàn)堆[1]。包層是其中的關(guān)鍵部件之一，主要對(duì)真空室及其外部部件的熱和核起屏蔽作用。每個(gè)包層由第一壁、屏蔽塊以及柔性支撐組成。包層中第一壁界面脫粘是其主要的損傷形式之一，對(duì)脫粘缺陷的檢測(cè)[2-3]具有重要意義。

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)、完整性評(píng)價(jià)和實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)等[4]。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是一種通過(guò)傳感器接收聲發(fā)射彈性波信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)和損傷位置的方法。該技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，在合理布置聲發(fā)射傳感器的情況下，可以同時(shí)檢測(cè)整個(gè)結(jié)構(gòu)，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的在線監(jiān)測(cè)?；谝陨媳尘?，筆者采用了聲發(fā)射技術(shù)來(lái)檢測(cè)ITER包層脫粘缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)展，并搭建了雙層板脫粘聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)。

1　聲發(fā)射檢測(cè)原理

聲發(fā)射(Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱AE)是局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，也被稱為應(yīng)力波發(fā)射[5]。聲發(fā)射產(chǎn)生的過(guò)程是：材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，伴隨著能量的轉(zhuǎn)換，一部分能量以彈性波的形式向四周傳播。

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是應(yīng)用傳感器等儀器記錄和分析聲發(fā)射信號(hào)，得到聲源損傷信息和位置信息的技術(shù)[6-9]。其檢測(cè)過(guò)程為：聲發(fā)射源產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波，彈性波傳播到界面后引起界面的微小運(yùn)動(dòng)，利用傳感器探測(cè)到界面微小運(yùn)動(dòng)，這種微小運(yùn)動(dòng)被信號(hào)采集系統(tǒng)記錄并處理，最后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。聲發(fā)射檢測(cè)方法區(qū)別于其他無(wú)損檢測(cè)方法的特點(diǎn)主要有：① 是一種動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，不需要提供激發(fā)信號(hào)；② 需要在缺陷產(chǎn)生過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)，穩(wěn)定的缺陷不產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào);③ 合理布置聲發(fā)射傳感器，可同時(shí)檢測(cè)整個(gè)結(jié)構(gòu)；④ 可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的在線監(jiān)測(cè)；⑤ 可識(shí)別出缺陷產(chǎn)生的初期階段，進(jìn)而預(yù)報(bào)缺陷的出現(xiàn)。

2　雙層板脫粘聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證聲發(fā)射檢測(cè)方法對(duì)ITER包層脫粘缺陷檢測(cè)的有效性，搭建了雙層板脫粘聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)所采用的試件是兩塊L型不銹鋼板(奧氏體304不銹鋼)，經(jīng)過(guò)釬焊加工工藝制作成雙層板，兩塊L型金屬板的尺寸相同，如圖1所示。

圖1　試件尺寸和受力方式示意

為了模擬脫粘的產(chǎn)生和擴(kuò)展，設(shè)置了三處單獨(dú)的焊接區(qū)域和一處大面積的焊接區(qū)域，如圖2所示。雙層板的焊接是在真空爐中進(jìn)行的，所使用的焊劑是鎳基釬焊粉。釬焊是在真空度為10-2Pa的環(huán)境下進(jìn)行的，釬焊過(guò)程溫度控制為：首先經(jīng)過(guò)1 h的勻速升溫達(dá)到1 050 ℃，然后保溫30 min，最后隨爐冷卻。

圖2　釬焊前焊跡的分布區(qū)域與釬焊后實(shí)際的焊接區(qū)域示意

圖3　聲發(fā)射在線檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)框圖與實(shí)物照片

雙層板脫粘過(guò)程是在MTS材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，加載方式是靜力拉伸，載荷從零緩慢增加(直到兩層金屬鋼板完全脫離)。在加載的過(guò)程中，利用聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。聲發(fā)射傳感器采用的是SR150M型的速度傳感器。采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和16通道的聲發(fā)射儀，最終上傳到計(jì)算機(jī)中。放大器的放大倍數(shù)為40 dB，聲發(fā)射儀各通道閾值設(shè)置為100 mV，采樣頻率為3 MHz。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的框圖和實(shí)物照片如圖3所示。圖4是六通道傳感器接收到的同一個(gè)聲發(fā)射事件信號(hào)的時(shí)域圖。

圖4　六通道中的聲發(fā)射信號(hào)時(shí)域圖

3　聲發(fā)射信號(hào)處理方法

3.1簡(jiǎn)化波形特征參數(shù)分析方法

聲發(fā)射簡(jiǎn)化波形特征參數(shù)分析方法是20世紀(jì)50年代就開始使用的一種經(jīng)典的聲發(fā)射信號(hào)處理方法[10]。聲發(fā)射信號(hào)本身,一方面具有不確定性，例如在相同條件下，每次鉛筆芯折斷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)都不是完全相同；另一方面,聲發(fā)射波形信號(hào)頻率比較高，也就要求很高的采樣頻率，最終會(huì)導(dǎo)致聲發(fā)射完整波形信號(hào)的數(shù)據(jù)量很大。而采用參數(shù)分析法可以得到聲發(fā)射信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，同時(shí)數(shù)據(jù)量較小，比較適合工程應(yīng)用環(huán)境。參數(shù)分析方法定義了很多波形特征參數(shù)：撞擊計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)、能量、幅度、持續(xù)時(shí)間和上升時(shí)間等，它們的定義如圖5所示。

圖5　聲發(fā)射波形特征參數(shù)的定義示意

參數(shù)分析方法包括：?jiǎn)螀?shù)分析方法(總振鈴計(jì)數(shù)經(jīng)歷圖分析和總能量經(jīng)歷圖分析等)和多參數(shù)分析方法(參數(shù)分布分析和參數(shù)關(guān)聯(lián)分析)。

3.2區(qū)域定位法和最小二乘法多傳感器的組合定位方法

區(qū)域定位法是通過(guò)合理布置傳感器位置，判斷信號(hào)到達(dá)傳感器的次序，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲發(fā)射源所處區(qū)域的初步判斷[11]方法。區(qū)域定位法只能粗略地定位出聲源所在的區(qū)域。傳感器布置陣列如圖6所示，黑色點(diǎn)為傳感器。首先，獲取聲發(fā)射信號(hào)最先到達(dá)的四個(gè)傳感器1,2,3和4，判斷聲發(fā)射源位于A,B,C和D區(qū)域;再根據(jù)信號(hào)到達(dá)四個(gè)傳感器的時(shí)間次序來(lái)確定聲發(fā)射源所處的區(qū)域。

圖6　聲發(fā)射傳感器布置陣列

聲發(fā)射信號(hào)的平面定位只需要三個(gè)傳感器信息就可以實(shí)現(xiàn)定位，以其中一個(gè)傳感器為基準(zhǔn)得到兩個(gè)時(shí)差(信號(hào)初次到達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)間差)，再根據(jù)三個(gè)傳感器的位置信息和聲發(fā)射信號(hào)的傳播速度，可以得到兩個(gè)獨(dú)立的方程。聯(lián)立求解這兩個(gè)方程可以得到聲源的位置坐標(biāo)(兩個(gè)參數(shù)表達(dá)的位置信息)[12]。

實(shí)際定位中，由于聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)傳感器時(shí)間的提取以及傳感器位置信息的測(cè)量會(huì)存在誤差。這些誤差累加起來(lái)，會(huì)使最終計(jì)算得到的聲源位置存在很大誤差。這些誤差符合一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。因此，采用多于三個(gè)的傳感器來(lái)進(jìn)行定位可以在一定程度上減少誤差，同時(shí)可采用篩選機(jī)制來(lái)剔除誤差較大的傳感器數(shù)據(jù)。采用n個(gè)傳感器來(lái)定位聲發(fā)射源，得到的方程組中待求量個(gè)數(shù)少于方程個(gè)數(shù)的方程組：

(1)

式中：(xi,yi)為第i個(gè)傳感器的位置坐標(biāo)；ti為聲發(fā)射信號(hào)從聲源到達(dá)第i個(gè)傳感器的絕對(duì)時(shí)間；v為聲發(fā)射信號(hào)的傳播速度。

常規(guī)的求解方法是：選擇一個(gè)傳感器作為基準(zhǔn)，其他的方程分別減去基準(zhǔn)方程，這樣得到一個(gè)n-1階的方程組(2)。而且方程組的右邊項(xiàng)為vdti(dti為第i個(gè)傳感器和基準(zhǔn)傳感器的時(shí)間差)，dti可以從試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)中提取出來(lái)。這樣就變成一個(gè)待求量為(x，y)的n-1階方程組。

(2)

常規(guī)解法依賴于基準(zhǔn)傳感器的選擇，如果傳感器位置測(cè)量誤差和到達(dá)時(shí)間提取誤差較大，會(huì)對(duì)最終的定位帶來(lái)影響。筆者提出:增加一個(gè)時(shí)間待求量t，設(shè)置一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間參考點(diǎn)，而不再選擇基準(zhǔn)傳感器。這樣可得到聲發(fā)射源到達(dá)第i個(gè)傳感器的絕對(duì)時(shí)間為dti+t，其中dti為第i個(gè)傳感器信號(hào)到達(dá)的絕對(duì)時(shí)間和時(shí)間參考點(diǎn)的時(shí)間差。最后變成求解待求量(x，y，t)的n階方程組(3)。

(3)

為了求解方程組(3)，可以采用最小二乘原理定義目標(biāo)函數(shù)f(x,y,t)，尋找目標(biāo)函數(shù)最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的(xg,yg,tg)，作為方程的近似解(見(jiàn)方程組4)。誤差指標(biāo)為：f(xg,yg,tg)/n。當(dāng)誤差指標(biāo)超過(guò)一定的值時(shí)，判定需要剔除一部分傳感器的數(shù)據(jù)，剔除后再進(jìn)行定位計(jì)算。

(4)

區(qū)域定位法和最小二乘法多傳感器的組合定位方法是先通過(guò)區(qū)域定位法得到聲發(fā)射源所在區(qū)域，求得區(qū)域的中心位置(x0,y0)；然后將(x0,y0, 0)作為初始值，應(yīng)用最小二乘法求解(xg,yg,tg)。組合定位方法的流程如圖7所示。這樣可盡量避免得到局部最小值，還可減少迭代的次數(shù)。

圖7　多傳感器組合定位方法的定位流程圖

4　試驗(yàn)結(jié)果與討論

在試件靜力拉伸的全過(guò)程中，通過(guò)六通道聲發(fā)射傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，保存全部波形信息，后期可采用不同的信號(hào)處理方法進(jìn)行處理。工程應(yīng)用中，只需要在實(shí)時(shí)處理過(guò)程中保存部分信息。

4.1脫粘聲發(fā)射信號(hào)的波形特征參數(shù)處理

試驗(yàn)過(guò)程中，載荷是分段加載(在暫停階段，載荷值保持當(dāng)前值不變)，直到兩塊不銹鋼板完全的脫離。這樣的加載方式便于聲發(fā)射信號(hào)分段采集(利于后期處理)。暫停階段沒(méi)有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，因此，分段加載和連續(xù)加載產(chǎn)生的效果區(qū)別不大。選取聲發(fā)射波形特征參數(shù)中的總振鈴計(jì)數(shù)和總能量進(jìn)行單參數(shù)經(jīng)歷圖分析，如圖8所示。圖中上部的曲線為載荷的曲線，下部的曲線為總能量曲線和總振鈴計(jì)數(shù)曲線。

圖8　脫粘信號(hào)的總能量和總振鈴計(jì)數(shù)經(jīng)歷圖

加載過(guò)程共持續(xù)了大約970 s，聲發(fā)射活動(dòng)可以分為五個(gè)階段。第一階段80～400 s間為脫粘缺陷的萌生階段，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；第二階段是540 s 的時(shí)刻，編號(hào)1的焊接區(qū)域完全脫離，伴隨著載荷的震蕩和劇烈的聲發(fā)射活動(dòng)；第三、四階段是690 s和874 s附近的一段時(shí)間,編號(hào)2和編號(hào)3焊接區(qū)域完全脫離。最后一階段是971 s的時(shí)候，編號(hào)4區(qū)域開始脫離，接著兩層板完全脫離。整個(gè)脫粘過(guò)程中，編號(hào)4區(qū)域中A處界面脫粘不斷地?cái)U(kuò)展。從總能量和總振鈴計(jì)數(shù)的經(jīng)歷圖，可識(shí)別出脫粘缺陷的萌生階段和局部區(qū)域的快速脫離階段。因此，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中，根據(jù)萌生階段的數(shù)據(jù)可以預(yù)測(cè)即將發(fā)生的局部脫粘缺陷。通過(guò)參數(shù)分析方法得到的信息反映了聲發(fā)射整體的活動(dòng)情況，而詳細(xì)的缺陷定位要通過(guò)聲發(fā)射的源定位方法實(shí)現(xiàn)。

4.2脫粘缺陷的定位

為了定位脫粘缺陷的位置，采用了六個(gè)通道傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，六個(gè)傳感器的布置位置如圖9所示。文章采用了區(qū)域定位法和最小二乘法多傳感器的組合定位方法，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)中可以識(shí)別的聲發(fā)射事件進(jìn)行定位。在所有定位的聲發(fā)射事件中，其中50% 是由六通道的傳感器數(shù)據(jù)定位得到的，35% 是由四個(gè)通道的傳感器數(shù)據(jù)定位得到的。剩余的聲發(fā)射事件定位誤差指標(biāo)太大，不作為定位依據(jù)。最終，定位誤差指標(biāo)在可接受范圍內(nèi)的聲發(fā)射事件定位效果如圖10所示。

圖9　傳感器布置位置示意

圖10　聲發(fā)射事件的定位結(jié)果

編號(hào)1，2和3處的脫粘缺陷可以清晰地定位出來(lái)。其中，編號(hào)1和編號(hào)2兩處區(qū)域的聲發(fā)射事件比較豐富，是因?yàn)檫@兩塊區(qū)域在開始階段承受的載荷比較大，是最先開始脫粘的區(qū)域。圖11是聲發(fā)射事件定位的誤差指標(biāo)?？梢?jiàn)，控制誤差指標(biāo)在一定范圍內(nèi)的情況下，通過(guò)聲發(fā)射事件定位缺陷的效果較好，可以滿足定位需求。

圖11　聲發(fā)射事件定位的誤差指標(biāo)

5　結(jié)語(yǔ)

以雙層板為研究對(duì)象，進(jìn)行了雙層板脫粘缺陷聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)。首先，提出了區(qū)域定位法和最小二乘法多傳感器的組合定位方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)脫粘缺陷的同時(shí)有效定位；其次，基于對(duì)聲發(fā)射信號(hào)總能量經(jīng)歷圖和總振鈴計(jì)數(shù)經(jīng)歷圖的分析，有效識(shí)別了脫粘缺陷的萌生階段和局部區(qū)域的快速脫離階段；最后，驗(yàn)證了聲發(fā)射檢測(cè)方法對(duì)ITER包層結(jié)構(gòu)中脫粘缺陷檢測(cè)的有效性。

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Detection of Debonding Damage of ITER Blanket Based on Acoustic Emission Method

XIE She-juan, MA Xiang-feng, CHEN Ling-li, ZHAO Ying, CHEN Zhen-mao

(Shaanxi Engineering Research Center of NDT and Structural Integrity Evaluation, State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China)

The blanket is one of the key parts of ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Debonding damage is a kind of major damage types of the first wall in blanket structure, therefore the nondestructive testing of debonding damage is of great significance to the safe running of ITER. In this paper, AE (acoustic emission) method is proposed for the detection of debonding damage generation and propagation. The AE experimental setup is established and AE experiment is conducted for debonding damage detection in double-layer plate structure. The damages are effectively located using multi-sensor localization method based on the region localization and least squares principle. Finally, the feasibility of debonding damage detection in ITER blanket using AE method is validated.

Acoustic Emission; ITER blanket; Debonding damage; Damage localization

2016-06-22

國(guó)家磁約束聚變資助項(xiàng)目(2013GB113005);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51407132, 51277139, 51577139)

解社娟(1983-)，女，副教授，主要研究方向?yàn)殡姶艧o(wú)損檢測(cè)與斷裂力學(xué)。

陳玲莉(1955-)，女，教授，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與損傷檢測(cè)，E-mail: wwchen@mail.xjtu.edu.cn。

10.11973/wsjc201610001

TG115.28

A

1000-6656(2016)10-0001-05