声发射检测 - 2024年深入指南

发布时间:2024-06-27 11:48 阅读次数:

声发射检测 (AET) 是一种无损检测方法,它监测材料在受力状态下以瞬态弹性波(也称为声发射)形式释放的能量,以便检测材料中的缺陷并进行检查。

声发射检测的替代短语包括:

  • 声学测试
  • 声学监测
  • 声学分析
  • 声音信号检测
  • 声发射分析

声发射检测对于识别和评估检查过程中的缺陷特别有效,包括:

  • 裂缝形成
  • 腐蚀
  • 复合材料中的纤维断裂

声发射检测广泛应用于需要保持关键部件完整性和安全性的行业,包括航空航天、土木工程、发电和制造业

本文对声发射检测进行了深入概述,探讨了所使用的工具和技术、各种类型的声发射检测方法以及最有用的检查场景。

什么是声发射检测?

声发射测试检测并分析材料在受到变形或应力时发出的高频声波。

各种缺陷都会产生声发射,包括裂纹形成、塑性变形和相变,它们可以提供有关材料在负载下的完整性和行为的宝贵信息。

这些信息对于识别资产缺陷至关重要,可以帮助检查人员在潜在问题发展成严重问题之前发现它们。

而且它的用途并不局限于少数几个行业。AET 可以用于的材料包括金属、混凝土、陶瓷、合金、复合材料等,因此几乎任何行业都可以从其检测缺陷形成早期阶段和实时监测损伤进展的能力中受益。


声发射检测原理

声发射检测的基本原理是基于对材料内部局部源快速释放能量产生的瞬态弹性波的检测和分析。

简单来说,检测员监测材料中的声波,然后分析这些声波以识别异常,从而表明可能存在缺陷。这些声波可以自行存在(即被动声学测试,无需干预),也可以通过对材料施加压力而引入(即主动声学测试,需要检测员干预才能产生声波)。

以下是声发射检测的简要步骤,遵循主动模型。(请注意,对于被动声学测试,流程将从第三步开始,此时检查员使用传感器开始检测声学。)

1. 应力应用

检查员使用机械负荷或热循环等方法对所检查的材料施加压力。

2. 波浪的产生

当材料受到应力时,它会变形,并由于裂纹萌生、裂纹扩展、纤维断裂或腐蚀等过程而发出声波。

3. 波浪检测 

检测人员将传感器(通常是压电换能器)连接到材料表面以检测声波。这些传感器将机械波转换成电信号,然后通过解读电信号来识别缺陷的存在。

4.信号处理

检查员放大转换后的电信号,对其进行过滤和处理,以提取有关声发射源和特性的有意义的信息,即哪里存在潜在缺陷?缺陷的性质是什么?

5.数据分析 

检查人员处理数据然后分析数据以确定缺陷的类型、位置和严重程度,从而可以对材料状况进行实时监控和评估。

声发射测试的优势

  • 实时监控。AET 对材料和结构进行持续、实时监控,从而能够提前发现缺陷和损坏进展。
  • 灵敏度。AET 对缺陷的产生和发展高度敏感,通常可以检测到使用其他 NDT 方法无法发现的缺陷。
  • 非侵入性。该技术是非侵入性的,不需要接触材料的内部结构,因此适用于广泛的应用。
  • 适用性广泛。AET 可用于多种类型的材料,包括金属、复合材料、陶瓷和聚合物。

声发射检测的局限性

  • 解释复杂。需要经过特殊培训才能进行 AET — 声发射信号的解释需要经过大量培训并拥有丰富经验的熟练操作员。
  • 环境噪声。背景噪声和环境因素会干扰声发射的检测,从而可能影响测试的准确性。(如上所述,这种方法非常敏感!)
  • 范围有限。AET 的有效性会随着与声发射源距离的增加而降低,因此需要战略性地放置传感器以实现全面覆盖。
  • 材料依赖性。用于声学测试的材料类型很重要——结果的质量可能因材料特性和所监测的缺陷类型而异。

 

声发射检测与超声波检测

声发射检测 (AET) 和超声波检测 (UT) 都是用于评估材料和结构完整性的有价值的无损检测 (NDT) 方法。

尽管这些技术有相似之处,但它们的原理、应用和优势却有很大不同。了解这些差异有助于选择适合您特定检查需求的方法。

声发射检测(AET)

  • 工作原理。AET 监测瞬态弹性波(声发射)的释放,这种波是由材料在受力状态下局部源快速释放能量而产生的。放置在材料表面的传感器检测这些发射,然后对其进行分析以定位和表征裂纹和分层等缺陷。
  • 检测机制。AET 可以是被动的,也可以是主动的,要么依靠材料本身在受到应力时产生信号,要么引入应力,从而导致声波的变化,让检查人员识别材料变形或裂纹扩展等问题。

超声波检测 (UT)

  • 工作原理。超声波探伤使用高频声波,通过传感器将其引入材料中。这些声波穿过材料并从内部特征(如缺陷或边界)反射。反射波由传感器或其他传感器检测,然后分析回声的幅度和其他数据,以确定内部缺陷的位置、大小和性质。
  • 检测机制。UT是主动的,需要外部源产生超声波,然后传输到材料中。

在 AET 和 UT 之间进行选择

声发射检测和超声波检测之间的选择取决于检查任务的具体要求。

  • AET 非常适合实时监测和检测主动损伤,适合长期结构健康监测。
  • 另一方面,UT 更适合于详细的缺陷检测、厚度测量以及需要精确定量数据的应用。

声发射检测工具

检查员使用大量专门的工具和设备进行声学监测。

这些工具旨在检测、放大和分析材料在压力下产生的声波。

以下是最常见的声发射测试工具类型。我们将这些工具分为七类,每类都列出了具体类型(有些类别只有一种类型)。

1. AET 传感器

 

一、压电传感器是将机械波转换为电信号的AET传感器。

  • 工作原理。当声波到达压电换能器时,它会产生与波的振幅和频率成比例的电信号。
  • 应用。这些传感器广泛应用于 AET,用于检测各种材料和结构的各种声发射。

II.光纤传感器是利用光纤检测声发射的AET传感器。

  • 工作原理。声波会引起光纤特性的细微变化,这些变化会被检测到并转换成电信号。
  • 应用. 用于电磁干扰可能影响压电传感器的环境,例如高压区域或存在射频干扰的区域。

2. 前置放大器

I.前置放大器是将传感器产生的弱信号在进行处理之前进行放大的设备。

  • 工作原理。前置放大器将信号幅度增加到适合进一步处理和分析的水平,而不会增加明显的噪音。
  • 应用。对于确保检测到的声发射足够强以便进行准确分析至关重要,尤其是在大型或嘈杂的环境中。

3.数据采集系统

I.数据采集系统收集并数字化来自传感器的电信号。

  • 工作原理。这些系统将传感器发出的模拟信号转换为计算机可以处理的数字数据。它们通常包括过滤、采样和多路复用等功能。
  • 应用程序。用于同时收集和存储来自多个传感器的数据,从而可以全面分析大型结构的声发射。

4.信号处理软件

一、信号处理软件是针对数字化的声发射信号进行分析的软件。

  • 工作原理。该软件过滤噪音、提取特征并进行信号分析,以识别声发射的来源和特性。它还可以使用算法进行事件检测、模式识别和数据可视化。
  • 应用程序。对于解释 AET 期间生成的复杂数据至关重要,可以深入了解缺陷的位置、类型和严重程度。

5. 波导

 

I.波导是一种将声波从难以到达的区域传输到传感器的设备。

  • 工作原理。波导将声发射从声源引导到传感器,确保仍可检测到来自难以接近或恶劣环境的信号。
  • 应用。用于无法直接放置传感器的结构,例如管道、储罐或高温环境内。

6. 安装配件

I.安装配件是用于将传感器固定到材料表面的粘合剂、夹具和磁性支架等组件。

  • 工作原理。这些附件可确保传感器安全且正确地定位,以有效检测声发射。
  • 应用。对于在长期监测期间保持一致的传感器放置位置和确保准确的数据收集至关重要。

7. 校准设备

一、校准设备是用于校准传感器和数据采集系统的工具和参考材料。

  • 工作原理。校准设备确保 AET 系统准确测量声发射,通常使用已知的参考信号或具有预定属性的材料。
  • 应用。定期校准对于保持 AET 检查的准确性和可靠性是必要的,尤其是在关键应用中。

声发射检测的类型

尽管“声发射检测”一词通常指的是一种无损检测方法,但事实上有很多不同的方法可以做到这一点。

每种方法都是针对特定的检查需求和应用而定制的,其细微的差别取决于施加在材料上的应力类型和检测到的声发射的性质。

每种类型的声学测试都有其独特的优势,适用于不同的应用。这就是为什么让经验丰富的 AET 操作员来做这项工作如此重要,因为他们能够确定特定检查的最佳方法,帮助您获得最佳测试结果,为您的维护工作提供参考。


以下是声发射测试的主要类型:

1. 被动声发射检测

无需干预——该方法监测材料在正常运行条件下产生的声发射。

  • 工作原理:检测人员将传感器安装到材料上,当材料受到自然应力和变形时,被动检测声发射。
  • 应用。通常用于对桥梁、压力容器和管道等结构的连续监测,以检测裂纹扩展、腐蚀和其他缺陷,而不会中断其运行。

2. 声发射检测

采用干预措施——这种方法给材料引入应力以引起声发射。

  • 工作原理。材料受到受控的机械、热或压力应力,以刺激声发射的释放,然后由传感器检测到。
  • 应用。用于实验室环境和定期维护期间,以评估材料对应力的响应并识别潜在缺陷。

3. 爆破声发射测试

无需干预——监测传感器检测由突发事件(例如裂缝形成或突然断裂)引起的高能声发射。

  • 工作原理。传感器检测在发生重大结构变化或故障时出现的短暂、高振幅声音信号。
  • 应用。非常适合监测突然发生故障可能造成灾难性后果的关键结构,例如航空航天部件和高压系统。

4. 连续声发射测试

无需干预——传感器会在较长时间内持续监测低水平声发射。

  • 工作原理。传感器不断收集声发射数据,对这些数据进行分析,以检测材料行为的逐渐变化或趋势。
  • 应用。用于桥梁、水坝和大型建筑等基础设施的长期健康监测,以追踪缺陷的进展并确保结构完整性。

5. 模态声发射测试

可以使用也可以不使用干预,因为这种方法是关于如何处理数据而不是收集数据——结合声学测试数据和模态分析来研究材料对应力的动态响应。

  • 工作原理。检查人员获取声发射数据并将其与材料的模态参数(固有频率、模态形状)关联起来,以深入了解材料的动态行为。
  • 应用。用于研究和开发复合材料、合金等先进材料的机械性能和失效机制。

何时需要进行声发射检测?

声发射测试 (AET) 在多种维护场景中至关重要,以确保材料和结构的质量、安全性和可靠性。

以下是需要进行声发射测试的主要情况:

1. 制造过程中的质量控制和保证

  • 生产流程。在制造过程中,AET 用于监控材料和部件的完整性,检测裂纹、分层和夹杂物等缺陷。这确保只有无缺陷的产品才能到达客户手中。
  • 进料检验。在生产使用前检查原材料,确保其符合要求的规格且没有缺陷。

2. 结构健康监测

  • 基础设施监测。AET 对于桥梁、水坝和建筑物等大型基础设施的持续监测至关重要。它有助于早期发现结构问题,例如裂缝扩展和材料退化,从而确保这些结构的安全性和使用寿命。
  • 航空航天结构。在航空航天工业中,AET 用于监测飞机部件的结构完整性。这包括检测疲劳裂纹、复合材料的分层以及其他可能危及飞行安全的关键缺陷。

3.压力容器及管道监测

  • 压力容器完整性。AET 对于监测石油和天然气、化学加工和发电等行业的压力容器完整性至关重要。它有助于检测泄漏、裂纹扩展和其他可能导致灾难性故障的问题。
  • 管道监测。监测管道是否存在腐蚀、开裂和第三方损坏等缺陷。持续监测有助于防止泄漏和破裂,确保流体和气体的安全运输。

4.预防性维护和定期检查

  • 日常维护。AET 是定期维护计划的一部分,用于监控关键部件和基础设施的状况。这有助于尽早发现潜在问题,防止意外故障和停机。
  • 状态监测。连续或定期的 AET 检查能够在运行条件下监测组件,提供有关其健康状况的宝贵数据并预测其剩余使用寿命。

5. 研究与开发

  • 材料特性。在研发中,AET 有助于表征新材料,研究其在不同条件下的特性和行为。这些信息对于开发性能增强的先进材料至关重要。
  • 原型测试。AET 用于评估原型,识别在全面生产之前需要解决的任何缺陷或弱点。

6. 安全合规和监管要求

  • 监管标准。许多行业都受到严格的安全法规的约束,这些法规要求定期进行声发射测试。遵守这些法规可确保组件和结构符合安全标准,从而降低事故风险。
  • 认证和认可。AET 通常用于认证目的,例如从监管机构获得压力容器和管道认证。

依赖声发射测试的五大行业及其具体应用

正如我们前面提到的,检查员可以在各种各样的材料上使用 AET,包括金属、混凝土、陶瓷等等。

这意味着它可以用于几乎所有你能想到的依赖由这些材料制成的机械或基础设施的行业。

以下是使用 AET 的五大行业,每个行业都有特定的应用。

1. 石油和天然气工业

在石油和天然气行业,声发射测试对于维护管道和其他下游、中游和上游基础设施的安全性和可靠性至关重要。

  • 管道监测。AET 用于检测管道中的腐蚀、开裂和其他缺陷,确保管道的完整性并防止可能导致环境灾难的泄漏或破裂。
  • 压力容器监测。AET 监测压力容器是否有破裂、泄漏和其他可能导致灾难性故障的缺陷迹象。
  • 井筒完整性。声发射测试有助于评估井筒的完整性,检测套管泄漏、地层裂缝和水泥胶结失效等问题。

2. 发电

在发电过程中,声发射测试对于维护发电厂关键部件的完整性至关重要。

  • 蒸汽发生器监测。AET 用于监测蒸汽发生器是否存在可能影响其性能和安全性的开裂、腐蚀和其他缺陷的迹象。
  • 涡轮叶片检查。检测涡轮叶片损坏的早期迹象,如裂纹和材料退化,确保其高效、安全运行。
  • 变压器和发电机监控。监控变压器和发电机是否存在内部缺陷迹象,如绕组放电和铁芯脱层,确保其可靠性和性能。

3.制造业

在制造业中,声发射测试对于确保产品质量和可靠性至关重要。

  • 质量保证。AET 用于检查原材料、中间产品和最终组件是否存在内部和表面缺陷,如裂纹、空洞和夹杂物。这确保只有无缺陷的产品才能到达客户手中。
  • 机加工零件检查。检查机加工零件是否有缺陷,确保其符合设计规格和公差。
  • 焊缝检查。检测焊缝中的缺陷,如裂纹和未熔合,确保焊接接头的结构完整性。

4. 土木工程和基础设施

在土木工程中,声发射测试对于确保大型结构的完整性和安全性起着至关重要的作用。

  • 桥梁监测。AET 用于持续监测桥梁是否存在结构损坏迹象,如裂纹扩展、腐蚀和材料降解。这种监测有助于维护关键基础设施的安全和使用寿命。
  • 大坝安全。监测大坝的完整性,检测可能导致灾难性故障的潜在问题(例如开裂和渗漏)。
  • 建筑健康监测。监测高层建筑和其他结构是否存在结构应力和损坏迹象,确保其长期安全性和稳定性。

5.航空航天工业

航空航天业严重依赖声发射测试来维护飞机部件的安全和性能。

  • 飞机结构监测。AET 用于监测机翼、机身部分和起落架等关键结构部件是否存在疲劳裂纹和分层等缺陷。确保这些部件没有缺陷对于飞行安全至关重要。
  • 复合材料检测。AET 对于检测飞机制造中使用的复合材料至关重要,可以检测出纤维断裂、基体开裂和分层等问题。
  • 发动机部件。AET 有助于监控发动机部件,检测可能影响发动机性能和安全的损坏或故障的早期迹象。

声发射测试的最佳实践

正如我们之前提到的,AET 非常敏感。因此,遵循行业最佳实践至关重要,以确保有效进行 AET 并产生可靠的结果。

这些指南有助于最大限度地提高声学检查的准确性,并最大限度地降低与测试过程相关的潜在风险。

1. 适当的培训和认证

  • 合格人员。确保声发射测试由经过培训和认证的技术人员进行。必须获得美国无损检测协会 (ASNT) 或同等组织等公认机构的认证。
  • 持续教育。鼓励持续教育和培训,让技术人员了解最新的技术、设备和行业标准。这可以包括研讨会、研讨会和认证更新课程。

2. 选择合适的设备

  • 传感器选择。根据材料和检测类型选择合适的传感器。需要考虑的因素包括灵敏度、频率响应和环境兼容性。
  • 仪器仪表。使用符合检测要求的适当数据采集系统和前置放大器。具有多通道功能和数字接口的先进仪器可以提供更详细、更准确的结果。
  • 校准标准。采用与预期声发射特性相匹配的校准标准和参考材料。定期校准设备以保持准确性。

3. 表面准备

  • 清洁表面。确保传感器安装的表面清洁,没有污垢、油脂和油漆等污染物。污染物会阻碍声波的传输并影响检查的准确性。
  • 光滑表面。尽可能使粗糙或不平整的表面变得光滑,以改善传感器耦合和信号质量。

4. 检查程序

  • 标准操作程序 (SOP)。为每种类型的声发射检查制定并遵守详细的 SOP。SOP 确保一致性、彻底性和符合监管要求。
  • 正确的传感器放置位置。策略性地放置传感器以确保全面覆盖材料或结构。如有必要,可使用波导到达难以接近的区域。
  • 信号解释。技术人员应熟练解释声发射信号,以准确识别和描述缺陷。这些操作员必须能够理解信号波形、频率和振幅的细微差别。

5. 数据采集和分析

  • 实时监控。使用数据采集系统实时监控并显示声发射信号,从而能够立即检测和分析缺陷。
  • 数据记录。系统地记录和存储检查数据。这有助于跟踪组件随时间的变化情况,并为将来的检查提供有价值的信息。
  • 先进的软件。使用先进的数据分析软件,可以增强信号解释、生成详细报告并有效存储检查记录。

6.定期设备维护

  • 例行检查。对声发射测试设备进行定期维护和例行检查,以确保其处于良好的工作状态。这包括检查传感器、前置放大器和数据采集系统的磨损和损坏情况。
  • 校准。根据制造商指南和行业标准定期校准设备,以保持准确性和可靠性。
  • 软件更新。保持数据采集和分析软件为最新版本,以利用最新的