液压下压力管线活动缺陷声发射信号研究.pdf

第3 0 卷 2O09 第4 期 年8 月 核动力工程 N u c l e a rP o w e rE n g i n e e r i n g V b l ．3 0 ．N O ．4 A u g ．2009 文章编号0 2 5 8 - 0 9 2 6 2 0 0 9 0 4 - 0 013 0 5 液压下压力管线活动缺陷声发射信号研究 艾琼1 ，刘才学2 ，王瑶2 ，何攀2 ，宋健2 1 ．I Ⅱt l l 大学，成都．6 1 0 0 6 5 ；2 ．中国核动力研究设计院．成都．6 1 0 0 4 1 摘要在液压试验装置上，对含预制裂纹的压力管开展了缺陷扩展声发射信号试验研究。全程不间断监 测压力管道疲劳裂纹扩展的声发射信号，并对采集到的信号进行分析处理。结果表明管道缺陷声发射信号 的幅度和能量随加载时间逐步增大，可以用于鉴别管道是否存在活动缺陷；在缺陷贯穿前，声发射信号的幅 度、能量和计数急剧增加，可以预报管道缺陷的贯穿泄漏。 关键词压力管道；液压；活动缺陷；声发射 中图分类号T L 3 5 3 ．1 1 文献标识码A 1引言 反应堆主管道不可避免地存在一些缺陷。在外 加载荷作用下，缺陷可能逐渐扩展，甚至穿透管壁， 造成管内介质泄漏，最终造成严重的放射性污染， 甚至核事故。 声发射作为一种缺陷连续监测和定位的方 法，可以逐步建立管道缺陷活动状况的数据，提前 预报可能发生的管道失效，进行寿命的预测和预 报，提高整个核反应堆的运行安全性。世界范围 内有很多核电厂利用声发射技术对反应堆压力容 器和管道进行检测，主要用于电厂安装调试完毕后 的水压试验以及一定运行周期后的水压试验【l 】。 1 9 8 5 年后，声发射在核电厂的应用更加普及，在 水压试验中作为常规检测，同时声发射泄漏监测也 在许多核电厂得到应用。我国尚未研发出核级承压 设备缺陷检测仪，声发射检测技术的应用尚处于尝 试阶段。 笔者研究、开发了压力管线缺陷声发射检测 仪，利用该仪器开展了液压下压力管线活动缺陷声 发射信号研究，给出了压力管道缺陷扩展声发射信 号幅度、能量、计数等特征量随缺陷扩展进程的变 化关系。 2 缺陷声发射检测原理 材料或者结构局域源受外力或内力作用产生 变形或是断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象 收稿日期2 0 0 9 - 0 3 - 2 0 ；修回日期2 0 0 9 - 0 6 - 2 9 称为声发射1 2 ] 。固体表面的接收装置声发射传 感器接收声发射信号并转换为电信号，通过分析处 理这些信号，来揭示声源的结构变化。 当个突发型信号幅度超过预设阈值时，对信 号进行全波形分析和频谱分析。将个超阈值信号 称为个声发射事件，事件信号的时程分析包括幅 度、上升时间、持续时间、振铃计数、能量等参数。 参数提取方法如图l 所示。 图1 声发射信号时程参数图 F i g ．1S i g n a lP a r a m e t e r sD e r i v e df r o mB u r s t - T y p eS i g n a l 3 试验装置与设备 利用预制裂纹的管道试件在液压疲劳试验装 置上进行循环加压，利用研制的压力边界缺陷声发 射检测仪跟踪检测裂纹扩展过程的声发射信号，并 对信号进行分析处理。 预制裂纹的管道试件材料为0 C r l 8 N i l O T i ； 长度5 0 0m i l l ；外径1 5 2m i l l ；壁厚1 2m r l l ；预制裂 万方数据 1 4 核动力t 程 V 0 1 ．3 0 ．N o ．4 ．2 0 0 9 纹长2 3m m ；深2 ．8m ／n 。试验管道及声发射信号 测点布置如图2 所示。液压装置试验运行的工作 压力呈正弦波加载；压力峰谷值分别为1 9 ．0 0M P a 和9 ．5M P a ；加载频率为1 ．6H z ；工作流量为 1 2 0L ／m i n 。 图2 试验管道及测点布置图 F i g ．2 L o c a t i o no f T e s tP i p ea n dS e n s o r s 试验液压装置的简要流程见图3 。高压油源提 供的加载工质为L - H M4 6 抗磨液压油，调压阀控 制管道试件内的压力大小，溢流阀返流管道内多余 油量。液压油在试件管道内一次加压后由控制阀卸 压，卸压后的高温油经热交换器冷却后返回高压油 源过滤后储存下来，完成了个加压循环。声发射 检测仪检测原理见图4 。 试验中对经A ／D 转换的声发射信号进行幅度 甄别 图3 液压装置流程图 F i g ．3 L o o po f H y d r a u l i cP r e s s u r eA p p a r a t u s A E 传感器前置放大器滤波放大 2 0 1 0 9 婴 尸 I R M S U o 、一 式中，R M S ∽表示传感器探测到的任一信号的均 方根值；R M S U 0 为噪声信号的均方根水平；P 为 甄别阈值。只有满足式 1 的波形信号才会被数 据库作为个声发射事件记录下来。 4 试验结果与数据分析 在加载过程中，将采集的声发射信号特征量记 录到数据库，包括事件数、事件上升时间、持续时 间、幅度、信号的均方根值、振铃计数、能量等。 试验结束，对裂纹扩展特征量的变化情况进行分 析。 4 ．1 加载过程缺陷扩展声发射信号幅度与能量变 化特性 预制裂纹的管道试件从循环加载开始至裂纹 贯穿，累计加载时间为1 8 0 ．7 5h ，累计加载超过1 0 0 万次。从图5 和图6 中可以看到，在加载初期的 4 0 h 左右，声发射信号很微弱；幅度在6 d B 以下， 信号能量大多集中在l O 。6V 2 左右；随后信号幅度 和能量出现明显增长，同时也存在时大时小的波 动，信号幅度在1 0 - 3 0d B 间波动，信号能量也保 持在0 ．0 5V 2 左右；这个过程持续了近1 2 0h ；加载 到1 6 0 h 时，声发射信号幅度发生跃变，增长了1 0 倍以上 4 0d B ，对应信号的能量为0 ．5v 2 左右； 此阶段持续2 0h 后缺陷贯穿出现泄漏。 管道中的缺陷发展至产生开裂的过程一般分 为启裂和开裂两个阶段。从断裂力学的角度看，试 件的预制裂纹的尖端不够尖锐，必须经过一定时间 图4 压力边界缺陷检测仪原理框图 F i g ．4P r i n c i p l eC o n f i g u r a t i o no fF l a wD e t e c t o ri nP r e s s u r eB o u n d a r y 万方数据 艾琼等液压下压力管线活动缺陷声发射信号研究 1 5 5 4 之 毯3 馨 心2 迎妄 l O ．6 之0 ．4 嘲 翟 卧2 O O6 01 2 01 8 0 时间／h 图6 试件疲劳裂纹扩展声发射信号能量与时间关系 F i g ．6E n e r g yo f A c o u s t i cE m i s s i o nS i g n a l V e r s u sT i m e l o g a - 循环自Ⅱ载3 0 一柏h 的疲劳裂纹预制过程才能启裂1 3 l 。在图5 和图6 中， 试验前4 0h 对应着启裂过程，即从预制裂纹到产 生初始裂纹的过程；在加压一段时间后 ，5 0h ， 声发射信号的幅度和能量明显增长，应该是初始裂 纹开裂了，这表明可以通过信号幅度和能量的变化 情况来鉴别活动缺陷的存在；接下来l1 0h ，信号 幅度和能量时大时小的波动说明裂纹扩展的过程 是个不均匀的过程，这个过程中裂纹每扩展一步 就将积蓄的能量释放；在裂纹扩展至贯穿的最后 1 0h 内，信号幅度和能量突增，大量能量释放出来， 表明缺陷扩展加剧，预示着缺陷即将贯穿。 4 ．2 声发射幅度事件分布特征 在缺陷扩展期间，声发射事件的能量分布，可 以由声发射信号的最大幅度a 及事件数叫口州算出 来，微分型振幅分布的一般表达式为 d N a n a d a 2 式中，6 V a 是振幅比在a 一 口一d 们之间的事件数。 由于信号动态范围大，以双对数表示为负斜率m 的直线分布谱，即 n a d a r ／0 a l d a 3 用双对数表示为 l o g a b 循环加载∞一9 0 h l o g al o g a c 循环加载1 5 0 1 6 0 h d 循环加载1 7 0 ．1 8 0 h 图7 疲劳裂纹扩展声发射事件幅度分布图 F i g ．7R e l a t i o n s h i po f L o g a r i t h mo f E v e n tC o u n tV e r s u sL o g a r i t h mo f A m p l i t u d e 万方数据 1 6核动力【程 V b l ．3 0 ．N o ．4 ．2 0 0 9 l o g n a 一ml o g 口 l o g ／ t o 4 式中，m 和伽分别是直线的斜率和截距【4 J 。将采集 到的声发射信号以1 0h 为区段，对幅度与事件数 作统计。图7 给出了压力循环分别进行到4 个时段 时的声发射幅度事件x 嬲, - t 数谱及其线形拟合；肌值 在这4 个时段的值分别是1 ．4 3 6 、0 ．9 0 9 、0 ．0 6 3 、 0 ．0 6 0 。由图7 可以看出，疲劳裂纹扩展的声发射 具有如下规律加载初期首先由塑性变形产生声发 射，m 值较大，由于不可逆效应，计数减少；循环 加载到疲劳裂纹出现时，出现大幅声发射事件，且 随着大幅信号事件增多，册值逐渐减小，到裂纹贯 穿时m 逐渐趋于个定值。 图8 给出了试件声发射总计数与压力循环次 数关系。加载的初期声发射事件很少，前2 0 万次 循环加载下的总事件数不到1 万次；后面的4 0 万 k 氟 匕 珀 亲 划 缸 压力循环数／万次 图8 声发射总计数与循环次数关系 F i g ．8 T o t a lE m i s s i o nC o u n tV e r s u sP r e s s u r eC y c l e 次加载里出现一个线性增长，而后一个稳定期后出 现了个跳跃；在加载到8 0 ～l0 0 万次时再次出现 一个慢的增长；在接近裂纹贯穿壁厚时的最后l O 多万次循环加载中，声发射计数率急剧增加，呈指 数增长趋势。结合图7 和图8 可知，利用管道贯穿 前一段时间内声发射计数指数增长以及m 值基本 不变这两个特征，可以预报管道可能存在的贯穿泄 漏。 ‘ 5 结论 1 利用声发射检测方法，可对压力管道加载 过程中的活动缺陷进行有效检测。 2 利用声发射检测方法，可对压力管道缺陷 的贯穿进行预报。 参考文献 【I 】R u n o wP ，K o e l n , M a l l l e rH 八C u r r e n tS t a t eo fA c o u s t i c E m i s s i o na sA nA i dt oT h eS t r u c t u r a lI n t e g r i t yA s s e s s m e n t o fN u c l e a rP o w e rP l a n t sf C 】．A nI n t e m a l i o n a lS y m p o s i u m O nP r o c e e d i n g so fA d v a n c e si nN u c l e a rP o w e rP l a n tA v a i l - a b i l i t y ，M a i n t a i n a b i l i t ya n dO p e r a t i o nH e l di nM u n i c h , 1 9 8 5 ． 【2 】王祖荫．声发射技术基础【M 】．济南山东科学技术出版 社，1 9 9 0 ． 【3 】钟勇，肖福仁，单以银等．管线钢疲劳裂纹扩展速率与 疲劳生命关系的研究【J 】．金属学报，2 0 0 5 ，4 l 5 5 2 3 5 2 8 ． 【4 】袁振明，马羽宽，何泽云．声发射技术及其应用【M 】．北 京机械工业出版社，1 9 8 5 4 1 4 2 ． S t u d yo nA c o u s t i cE m i s s i o nS i g n a l so fA c t i v eD e f e c ti n P r e s s u r eP i p i n gu n d e rH y d r a u l i cP r e s s u r e A IQ i o n 9 1 ，L I UC a i X U e 。，W A N GY a 0 2 ，H EP a n 2 ，S O N GJ i a n 2 1 ．S i c h u a aU n i v e r s i t y , C h e n g d I I ’6 1 0 0 6 5 ，C h i n a ；2 ．N u c l e a rP o w e rI n s t i t u t eo f C h i n a , C h e n g d I I ’6 1 0 0 4 1 ，C h i n a A b s t r a c t E x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n so fa c o u s t i ce m i s s i o n A E o fa c t i v ed e f e c ti np r e s s u r ep i p i n gw i t h ap r e f a b r i c a t e dc r a c ku n d e rh y d r a u l i cp r e s s u r et e s t e rw e r ec o n d u c t e d ．A Es i g n a l so ff a t i g u e - c r a c k - g r o w t hi n p r e s s u r ep i p i n gw e r em o n i t o r e di n c e s s a n t l yi na l lp r o c e s s e s ，a n da l ls i g n a l sr e c o r d e dw e r ea n a l y z e da n dp r o c e s s e d ．T h er e s u l to fs i g n a lp r o c e s s i n gs h o wt h a tt h ea m p l i t u d ea n de n e r g y ．o fa c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a l sf r o m d e f e c ti np r e s s u r ep i p e l i n ei n c r e a s eg r a d u a l l yw i t ht h el o a dt i m e ，a n dt h u st h ea c t i v ed e f e c t si np i p e l i n eC a nb e i d e n t i f i e d ；t h ea m p l i t u d e ，e n e r g y ．a n dc o u n to fa c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a l si n c r e a s es h a r p l yb e f o r et h ed e f e c t t u n st h r o u g h ，a n dw ec a nf o r e c a s tt h ep e n e t r a t e dl e a k a g eo fp i p e l i n e ． K e yw o r d s P r e s s u r ep i p i n g ，H y d r a u l i cp r e s s u r e ，A c t i v ed e f e c t , A c o u s t i ce m i s s i o n 下转第5 8 页 万方数据 5 8核动力工程V b l ．3 0 ．N o ．4 ．2 0 0 9 系统内部含并联冗余的串．并．串关系， 障概率显著降低，与实际情况相符。 系统的故 E P R I N P 3 1 2 31 ．W a s h i n g t o n E l e c t r i cP o w e rR e s e a r c h I n s t i t u t e ，1 9 8 3 ． 4 结论． 使用G O ．F L O W 法对压水堆余热排出系统的 可靠性进行了分析，结果表明G O ．F L O W 是一 种能够处理时间相关性的分析技术，能够描述具 有复杂运行时序、多状态系统的功能，而且经过 简单的运算，就能得到系统在各时间点上的风险， 是一种有效、直观、精确的系统可靠性分析方法。 参考文献 【1 】C h uBB ．O v e r v i e wM a n u a lG OM e t h o d o l o g y 【R 】 【2 】M a l s u o k aT ’K o b a y a s h iMG O ．F L O w AN e w R e l i a b i l i t yA n a l y s i sM e t h o d o g y [ J ] ．N u c l e a rS c i e n c ea n dE n g i n e e f i n g ，19 8 8 ，9 8 6 4 7 8 ． 【3 】M a u u o k aT ’K o b a y a s h iM ，做e m u r aKT h eG O ．F L O W M e t h o d o l o g y AR e l i a b i l i t yA n a l y s i so ft h eE m e r g e n c y C o r eC o o l i n gS y s t e mo faM a r i n eR e a c t o rU n d e rA c c i ． d e n tC o n d i t i o n s [ J ] N u c l c a rT e c h n 0 1 ．19 8 9 ．8 4 2 8 5 2 9 5 ． 【4 】M a t s u o k aT ，M i t o m oN ，H o s h iTA nA p p l i c a t i o no f t h eG o F L O WM e t h o d o l o g yE v a l u a t i o no fC o m p o n e n t C o o l i n gW a t e rS y s t e mf o rN e wT y p eM a r i n eR e a c t o r ． 【C 】．P r o c e e d i n g so fI n t e r n a t i o n a lT o p i c a lM e e t i n g ， P S A M ．I Vl9 9 8 ．2 2l 一2 2 6 ． 【5 】沈祖培，黄祥瑞．G O 法原理及应用【M 】．北京清华大 学出版社，2 0 0 4 ． A p p l i c a t i o no fG O - F L O WM e t h o d o l o g yt oR H S R e l i a b i l i t yA n a l y s i si nP W R H U A N GT a o ，C A IQ i ，Z H A OX i n - w e n ，S H A N GY a n l o n g S h i pa n dP o w e rC o l l e g e ，N a v a lU n i v e r s i t yo f E n i n e e r i n Maurer H A Current State of Acoustic Emission as An Aid to The Structural Integrity Assessment of Nuclear Power Plants 1985 3.袁振明;马羽宽;何泽云 声发射技术及其应用 1985 4.钟勇;肖福仁;单以银 管线钢疲劳裂纹扩展速率与疲劳生命关系的研究[期刊论文]-金属学报 200505 引证文献1条引证文献1条 1.侍吉清.张斌.韩龙.田利.张秀志.吴琼.刘亚亚 含缺陷在役管线声发射源评定[期刊论文]-石油化工设备 20106 本文链接