上官林建 程勝金 伍衛(wèi)平 李東風

（1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450011；2.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗測試中心，河南 鄭州 450044）

聲發(fā)射檢測技術(shù)在鋼岔管水壓實驗中的應用

上官林建1程勝金1伍衛(wèi)平2李東風2

（1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450011；2.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗測試中心，河南 鄭州 450044）

抽水蓄能電站設計水頭1 012m，為保證鋼岔管后期在電站的安全運行，在鋼岔管水壓實驗中，采用聲發(fā)射實時監(jiān)控技術(shù)監(jiān)測焊縫表面、內(nèi)部缺陷及岔管管壁缺陷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，分析在升壓和保壓過程中的聲發(fā)射信號特征及來源。結(jié)合定位圖確定聲發(fā)射定位源的部位并對聲發(fā)射活性進行評價，確定可能需要復檢的強活性區(qū)域。實驗結(jié)果表明，鋼岔管各項相關(guān)指標均符合設計的預期要求。

鋼岔管；聲發(fā)射；水壓實驗；抽水蓄能電站

聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種動態(tài)的無損檢測技術(shù)，用于鑒別聲發(fā)射源的類型，確定聲發(fā)射源的部位及聲發(fā)射載荷與時間的關(guān)系，與常規(guī)無損檢測技術(shù)綜合應用，可評價聲發(fā)射源的嚴重性［1］。聲發(fā)射檢測技術(shù)適用于在線實時監(jiān)控及早期或臨近破壞的預警［2］，能解決常規(guī)無損檢測方法不能解決的問題。聲發(fā)射是指材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。材料在應力作用下的變形、裂紋擴展或裂紋萌生，是結(jié)構(gòu)失效的重要機理。這種與斷裂和變形機理直接相關(guān)的彈性波被稱為典型的聲發(fā)射源。通過對聲發(fā)射源信號的采集分析處理，可對被檢對象的安全性進行科學評估［3］。

我國現(xiàn)有的聲發(fā)射檢測標準幾乎均為壓力容器的檢測方法，這些標準相互配套，基本上滿足了國內(nèi)的壓力容器檢測需求。抽水蓄能電站鋼岔管水壓實驗過程中執(zhí)行《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評定方法》GB/T18182-2012，實時監(jiān)控鋼岔管水壓實驗中升壓及寶壓階段焊縫表面、內(nèi)部缺陷及岔管管壁產(chǎn)生的聲發(fā)射源信號。確定聲發(fā)射源的位置，為鋼岔管水壓實驗的順利進行提供安全保障。

1 鋼岔管主要參數(shù)及實驗流程

1.1 主要參數(shù)

電站壓力引水管道的布置情況，鋼岔管主管內(nèi)徑4.0m，支管內(nèi)徑2.8m，采用對稱“Y”型內(nèi)加強月牙型肋鋼岔管，分岔角70°，公切球半徑2 267.7mm，為主管內(nèi)徑的1.134倍。岔管鋼材采用舞陽鋼鐵有限公司產(chǎn)的SX780CF高強鋼，管殼厚度58mm，月牙肋厚度126mm，設計內(nèi)水頭（含水擊壓力）1 012m（9.93MPa）。鋼岔管結(jié)構(gòu)體型參數(shù)如圖1所示。為了掌握鋼岔管結(jié)構(gòu)的受力情況，需要對鋼岔管進行水壓實驗，水壓實驗設在車間內(nèi)，實驗范圍包括①、②、③、④、⑤、⑥六節(jié)管節(jié)，實驗時三個鋼岔管均做單體水壓實驗，鋼岔管體型尺寸如表1所示。

圖1 鋼岔管結(jié)構(gòu)體型圖

表1 鋼岔管體型尺寸

1.2 實驗流程

鋼岔管水壓實驗分為兩個階段：預壓實驗、水壓實驗。水壓實驗加載方式采用重復逐級加載，緩慢增壓，以削減加工工藝引起的部分殘余應力，使結(jié)構(gòu)局部應力得到調(diào)整和均化，并趨于穩(wěn)定，使測試數(shù)據(jù)反映岔管的彈性狀況。水壓實驗過程中，加載速度為0.05MPa/min。

2 鋼岔管水壓實驗聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測方案

2.1 聲發(fā)射監(jiān)測時段

水壓實驗鋼岔管的最高實驗壓力為6.5MPa。鋼岔管進行兩次加壓循環(huán)，兩次加壓循環(huán)完全一樣。用分級恒定載荷的加載方式進行加載，從0～6.5MPa每加壓0.5MPa保壓一次。水壓試驗過程中，加載速度為0.05MPa/min，保壓時間為10min。加載過程如圖2所示。

2.2 傳感器布置方案

聲發(fā)射監(jiān)測主要監(jiān)控對象為月牙肋組合焊縫、主錐焊縫。

月牙肋與主錐焊縫采用德國ASMY-6型聲發(fā)射儀進行監(jiān)控，在焊縫兩邊共布置14個傳感器；月牙肋組合焊縫兩邊200mm處各布置12個傳感器，每個傳感器間距近似1.8m，月牙肋組合焊縫上下兩端頭各布置一個傳感器，采集定位方式簡化為平面定位。圖3為月牙肋組合焊縫傳感器布置示意圖。

圖2 加載過程圖

主錐焊縫采用德國ASMY-6型聲發(fā)射儀進行監(jiān)控。監(jiān)控的信號采集定位方式采用圓柱形定位，在焊縫兩邊共布置18傳感器，分別布置在主錐焊縫兩邊200mm處，每個傳感器的間距近似為1.8m。圖4為主錐焊縫傳感器布置示意圖。

圖3 月牙肋組合焊縫傳感器布置圖

圖4 主錐環(huán)縫傳感器布置示意圖

3 聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)擬定的傳感器布設位置，打磨傳感器布置區(qū)域，固定安放傳感器后與聲發(fā)射監(jiān)測儀器連接，待校準與調(diào)試完成后，隨水壓實驗開始進入監(jiān)測狀態(tài)，采集聲發(fā)射源信號，分析聲發(fā)射源強度，若聲發(fā)射源信號強度大于80dB，且在升壓和穩(wěn)壓過程中都有該聲發(fā)射源，根據(jù)GB/T18182-2012判斷該聲發(fā)射源為強活性，應立即停止水壓實驗，采用其他無損檢測方法來檢測該信號源，判斷是否為危害性缺陷。若為危害性缺陷，應排除危害后再進行水壓實驗［4，5］。

3.1 聲發(fā)射定位源分析

3.1.1 升壓過程。岔管在第一個打壓循環(huán)中，水壓在0～4.0MPa升壓時段，聲發(fā)射信號較多，但幅度較低。而在降壓后的第二次0～4.0MPa升壓時段，由于Kaiser效應，二次加載沒有超過第一次所加最高壓力，所以因為材料變形應力釋放所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號消失。但是，如果在降壓后的第二次升壓過程中存在新的微裂紋擴展，聲發(fā)射信號將會明顯增加［6］。

圖5為鋼岔管兩個不同時段升壓過程中有意義的聲發(fā)射定位圖，X、Y分別表示定位圖的橫縱坐標，不同顏色的點代表定位事件數(shù)。

圖5 升壓階段聲發(fā)射定位圖

在逐漸加壓的過程中，聲發(fā)射事件越來越密集（如圖5），出現(xiàn)大量AE信號和事件數(shù)，高幅度信號增多。這可能是加載時水流沖擊器壁引起的，所以產(chǎn)生大量AE信號；也可能是因為支柱、支座和接管等角焊縫縫部位存在焊接殘余應力和應力集中，在升壓過程中會引起殘余應力釋放和整體應力重新分布所以產(chǎn)生大量AE信號。在4.5～5.0MPa加壓階段首次出現(xiàn)幅度大于80dB的高幅度信號（13號、14號傳感器附近），這些信號可能是裂紋萌生和擴展產(chǎn)生的。

3.1.2 保壓過程。圖6的（a）和（b）分別是5.5MPa和6.0MPa保壓過程中的聲發(fā)射定位圖。通過對比可以看出，保壓過程中聲發(fā)射事件計數(shù)明顯低于升壓過程，因為保壓過程中岔管受壓保持穩(wěn)定，擾動減少，引起的干擾信號減少。在此階段，如果沒有活性缺陷出現(xiàn)，將不會產(chǎn)生聲發(fā)射信號（外界噪聲除外），通過保壓階段的聲發(fā)射信號就可以對岔管的缺陷性質(zhì)做出初步判斷。

圖6 保壓階段聲發(fā)射定位圖

兩個保壓階段在14號傳感器附近（即月牙肋的上端頭）均出現(xiàn)幅度很高的聲發(fā)射事件計數(shù)（如圖6），因此可以判斷此區(qū)域存在活躍的聲發(fā)射源。在適當?shù)臅r間，經(jīng)人員進入檢查，此區(qū)域完好，故排除了泄漏造成的影響，初步判斷是材料內(nèi)部存在活性缺陷（焊接缺陷開裂或裂紋擴展），需要進行復檢。

3.2 聲發(fā)射信號特征分析

3.2.1 升壓過程。圖7為升壓過程中所有撞擊次數(shù)的幅度分布圖，表示不同幅度下撞擊次數(shù)的累積，信號主要集中在60dB以下，對升壓過程中的聲發(fā)射源進行分析可知，其主要為殘余應力釋放、機械摩擦以及升壓干擾等信號。這主要是因為在升壓過程中會引起殘余應力釋放和整體應力重新分布，所以會產(chǎn)生大量的低幅度聲發(fā)射信號。（b）圖中出現(xiàn)了非常明顯的高幅度信號，且累計撞擊次數(shù)均比其他幾個階段高，推測鋼岔管材料內(nèi)部開始出現(xiàn)微裂紋擴展。

3.2.2 保壓過程。圖8為保壓過程所有撞擊次數(shù)的幅度分布圖，通過與升壓過程相比可知，幅度在60dB以下的信號撞擊次數(shù)明顯下降。這主要是因為保壓過程低幅度的干擾信號減少，這些干擾信號的主要特點是持續(xù)時間長，幅度較低，主要出現(xiàn)在升壓過程中，因此，對岔管的整體評價應該重點分析保壓過程中采集到的聲發(fā)射信號。通過觀察（b）圖可知，鋼岔管在5.0MPa保壓時出現(xiàn)了明顯的高幅度信號，其原因與4.5～5.0MPa升壓過程相同，即可能出現(xiàn)焊接缺陷的開裂和微小裂紋的擴展。

圖7 升壓過程撞擊計數(shù)-幅度分布圖

圖8 保壓過程撞擊計數(shù)-幅度分布圖

4 結(jié)語

通過對鋼岔管水壓實驗采集到的聲發(fā)射信號進行分析，在5.0MPa保壓階段，13號和14號傳感器附近出現(xiàn)有意義的聲發(fā)射信號，根據(jù)GB/T18182-2000《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價方法》，監(jiān)測中采集到的聲發(fā)射源活度為活性，建議采用超聲波檢測方法，對該區(qū)域進行復檢。此外，在升壓過程中存在較多的干擾信號，而保壓過程中的聲發(fā)射信號比較平穩(wěn)。因此，在實際工作中應重點關(guān)注保壓階段的聲發(fā)射信號，升壓過程中的聲發(fā)射信號只用作對缺陷評判時的參考即可。

［1］王立寶.大盈江水電站（四級）鋼岔管水壓試驗［J］.云南水力發(fā)電，2011（4）：18-22.

［2］楊聯(lián)東.大型鋼岔管洞外拼裝及水壓試驗施工技術(shù)研究［J］.安裝，2015（10）：39-42.

［3］張偉平，胡木生.國產(chǎn)790MPa級高強鋼岔管水壓試驗測試及監(jiān)測技術(shù)特性及成果［C］//中國水力發(fā)電工程學會.水電站壓力管道——第八屆全國水電站壓力管道學術(shù)會議論文集.2014.

［4］桂亞伯.聲發(fā)射監(jiān)控技術(shù)在瓦屋山水電站壓力鋼岔管水壓試驗中的應用［J］.四川水利，2010（2）：30-31.

［5］張延兵，顧建平，張文斌，等.金屬壓力容器水壓試驗聲發(fā)射檢測［J］.無損檢測，2013（11）：39-43.

［6］沈功田，李金海.壓力容器無損檢測［J］.無損檢測，2004（9）：457-463.

Application of Acoustic Emission Testing Technology in Hydraulic Pressure Test of Steel Bifurcated Pipe

Shangguan Linjian1Cheng Shengjin1Wu Weiping2Li Dongfeng2
（1.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450011；2.National Center of Quality Inspection ＆ Testing for Hydraulic Metal Structure Ministry of Water Resources，Zhengzhou Henan 450044）

Design head of pumped storage power station 1 012m,in order to ensure the safe operation of steel bifurcated pipe in power station,in the hydraulic pressure test of steel bifurcated pipe,acoustic emis?sion real-timemonitoring technology is used to monitor the acoustic emission signal produced by the weld surface,internaldefects and the defect of the pipe wall.Combined with location map and determine the lo?cation of acoustic emission source and evaluate the AE activity.Determine strong activity areas that may re?quire reinspection.Experimental results show that the relevant indexes of steel bifurcated pipe meet the de?sign requirements.

steel bifurcated pipe；acoustic emission；hydrostatic test；pumped storage power station

TV732.4；TG115.28

A

1003-5168（2017）12-0057-04

2017-11-01

上官林建（1972-），男，博士，教授，研究方向：現(xiàn)代機械設計理論及方法。