佘 斌，何媛媛(國電大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂山 614900)

水輪機在運行過程中，由于瞬間的沖擊力、壓力，導(dǎo)葉會承受很大的應(yīng)力，及鑄造缺陷(如鑄造裂紋、氣孔及夾渣等)擴展等造成的應(yīng)力集中，導(dǎo)葉容易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)葉出現(xiàn)裂紋后輕則造成水輪機的振動，嚴重時導(dǎo)葉可能出現(xiàn)斷裂脫落，脫落的導(dǎo)葉沖入水輪機會造成水輪機葉片的嚴重性損壞。

水輪機導(dǎo)葉主體處在一個相對密閉的空間內(nèi)，長期浸沒在壓力水中，由于這種環(huán)境和空間的限制，目前還沒有一種好的設(shè)備用于水輪機導(dǎo)葉裂紋的實時檢測，只能間接依靠機組的振動頻譜分析或停機檢修時開蓋檢查來完成水輪機導(dǎo)葉裂紋的檢測。因此經(jīng)常性的停機水輪機導(dǎo)葉裂紋檢測，不僅嚴重影響了水電站的正常穩(wěn)定運行，更大大降低了電站的經(jīng)濟效益。因此，如果運用聲發(fā)射檢測技術(shù)實時監(jiān)測活動導(dǎo)葉，發(fā)現(xiàn)裂紋能及時報警，將提高機組安全穩(wěn)定運行，避免因活動導(dǎo)葉裂紋檢測而停機。

1 聲發(fā)射技術(shù)理論

聲發(fā)射是指材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，也稱為應(yīng)力波發(fā)射。材料中直接與變形和斷裂機制有關(guān)的彈性波發(fā)射源即為聲發(fā)射源。而材料在應(yīng)力作用下的變形與裂紋擴展，是結(jié)構(gòu)失效的重要機制。

聲發(fā)射檢測原理，是從聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波最終傳播到達材料的表面，引起可以用聲發(fā)射傳感器探測的表面位移，這些探測器將材料的機械振動轉(zhuǎn)換為電信號，然后再被放大、處理和記錄，根據(jù)觀察到的聲發(fā)射信號進行分析與推斷以了解材料產(chǎn)生聲發(fā)射的機制，從而了解材料內(nèi)部的缺陷情況[1-4]。

2 聲發(fā)射檢測技術(shù)的特點

聲發(fā)射技術(shù)是根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)出的應(yīng)力波來判斷內(nèi)部損傷程度的一種新型動態(tài)無損檢測方法，它可以在結(jié)構(gòu)或材料內(nèi)部的機構(gòu)，缺陷或潛在缺陷處于運動變化的過程中進行檢測。與常規(guī)無損檢測相比，有兩個基本特點。一是對動態(tài)缺陷敏感，在缺陷萌生和擴展過程中能實時發(fā)現(xiàn)；二是聲發(fā)射波來自缺陷本身，而非外部，可以得到有關(guān)缺陷的豐富信息，檢測靈敏度與分辨力高。

聲發(fā)射技術(shù)具有以下特點：①聲發(fā)射檢測是一種動態(tài)檢驗方法；②聲發(fā)射檢測方法對線性缺陷較為敏感；③聲發(fā)射檢測在一次試驗過程中能夠整體探測和評價整個結(jié)構(gòu)中缺陷的狀態(tài)；④可提供缺陷隨載荷、時間、溫度等外變量而變化的實時或連續(xù)信息，因而適用于工業(yè)過程在線監(jiān)控及早期或臨近破壞預(yù)報；⑤適于其他方法難于或不能接近環(huán)境下的檢測，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及極毒等環(huán)境；⑥對于在役壓力容器的定期檢驗，聲發(fā)射檢驗方法可以縮短檢驗的停產(chǎn)時間或者不需要停產(chǎn)；⑦對于壓力容器的耐壓試驗，聲發(fā)射檢驗方法可以預(yù)防由未知不連續(xù)缺陷引起系統(tǒng)的災(zāi)難性失效和限定系統(tǒng)的最高工作壓力；⑧適于檢測形狀復(fù)雜的構(gòu)件。

聲發(fā)射技術(shù)具有以下缺點：①對數(shù)據(jù)的正確解釋要有更為豐富的數(shù)據(jù)庫和現(xiàn)場檢測經(jīng)驗，因為聲發(fā)射特性對材料甚為敏感，又易受到機電噪聲的干擾；②聲發(fā)射檢測，一般需要適當?shù)募虞d程序，多數(shù)情況下，可利用現(xiàn)成的加載條件，但有時，還需要特作準備；③聲發(fā)射檢測目前只能給出聲發(fā)射源的部位、活性和強度，不能給出聲發(fā)射源內(nèi)缺陷的性質(zhì)和大小，仍需依賴于其他無損檢測方法進行復(fù)驗。

3 聲發(fā)射技術(shù)在活動導(dǎo)葉裂紋監(jiān)測上的應(yīng)用原理

在水輪機導(dǎo)葉的頂端安裝聲發(fā)射傳感器來檢測導(dǎo)葉產(chǎn)生裂紋時的聲發(fā)射信號，同時由采集主機將聲發(fā)射信號變換、處理后發(fā)送給采集分析軟件，由采集分析軟件對聲發(fā)射信號進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別、頻譜分析、小波分析等，對水輪機導(dǎo)葉裂紋給出直觀的報警信號。

這種聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用方法利用了聲發(fā)射信號在金屬材料中的傳輸特性，從活動導(dǎo)葉頂部端面附近采集信號，解決了活動導(dǎo)葉由于空間和環(huán)境限制不能直接安裝檢查傳感器的難題，實現(xiàn)了對水輪機導(dǎo)葉裂紋的實時監(jiān)測。

4 聲發(fā)射裝置在活動導(dǎo)葉上裂紋監(jiān)測上的應(yīng)用

如圖1所示，應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)的水輪機導(dǎo)葉裂紋檢測裝置，包括聲發(fā)射傳感器、聲發(fā)射采集主機和中央控制裝置工控機；聲發(fā)射傳感器安裝在水輪機的每一個導(dǎo)6的頂部端面位置；聲發(fā)射傳感器通過聲發(fā)射電纜與聲發(fā)射采集主機連接；所述聲發(fā)射采集主機通過控制電4與工控機連接。聲發(fā)射傳感器均安裝在導(dǎo)葉的頂部端面位置。水輪機導(dǎo)葉上的聲發(fā)射傳感器的安裝位置進行打磨拋光處理。聲發(fā)射傳感器采用磁扣安裝。聲發(fā)射傳感器與安裝部位之間涂抹耦合劑。工控機安裝有報警裝置。

圖1 應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)的水輪機導(dǎo)葉裂紋檢測裝置圖

該技術(shù)已在瀑布溝水電站6號機組活動導(dǎo)葉上應(yīng)用，其安裝檢測步驟如下。

1)將聲發(fā)射傳感器安裝到導(dǎo)葉的頂部端面，具體步驟為：先對導(dǎo)葉的頂部端面進行打磨拋光處理，然后在導(dǎo)葉的頂部端面和聲發(fā)射傳感上均勻的涂抹耦合劑，最后采用磁扣將聲發(fā)射傳感器固定在導(dǎo)葉的頂部的端面位置。將其余的聲發(fā)射傳感器安裝到水輪機的其他導(dǎo)葉上。

2)將全部聲發(fā)射傳感器通過聲發(fā)射電纜連接到聲發(fā)射采集主機上。

3)將聲發(fā)射采集主機通過控制電纜連接到安裝有采集分析軟件的工控機上。

4)接通電源，聲發(fā)射檢測裝置開始運行，實時檢測水輪機導(dǎo)葉的運行情況，當發(fā)現(xiàn)水輪機導(dǎo)葉出現(xiàn)裂紋時及時發(fā)出報警。

5 結(jié) 語

聲發(fā)射技術(shù)目前已應(yīng)用于多種行業(yè)，但在水輪機活動導(dǎo)葉實時監(jiān)測中仍是首次。瀑布溝水電站6號機組活動導(dǎo)葉裂紋監(jiān)測裝置的安裝及應(yīng)用，對其他水電站的裂紋在線監(jiān)測提供了一種新的思路，同時，對推動聲發(fā)射技術(shù)在水電領(lǐng)域的應(yīng)用也將起到積極的推動作用。