声发射检测技术在水利水电工程上的应用

声发射检测技术在水利水电工程上的应用

魏吉龙

海南方能测试技术有限公司，海南 海口 571199

摘要：声发射检测技术是一种动态探测技术，它能实时地反映出构件中存在的各种缺陷，如受载荷等多种因素影响而产生的缺陷，适用于在线监测、安全评估和风险预警。其也能够很好地解决传统非无损检测过程中存在的无法解决的问题。本文主要基于声发射检测技术在海南某大型水利水电工程中的具体应用进行分析，验证声发射检测技术对工程金属结构、机电设备的在线监测的作用，以期更好地确保水利水电运行的安全性和稳定性。

关键词：声发射检测技术；水利水电工程；安全检测

1 引言

声发射是指在材料或零件受到外力作用时发生变形、断裂或内部应力超出其屈服极限而进入不可逆塑性变形的过程中所产生的一种暂态弹性波，即AE。在外界环境中，由于材料或零件的缺陷或潜在的缺陷发生变化，从而使其产生了一种自发的暂态弹性波。由于该声波能够反映某些物质的特性，所以通过对其进行探测，可以对其进行某些状态的判定。声发射检测技术是一种利用仪器对声发射信号进行检测、记录和分析，并对其进行诊断的方法。另外，由于大部分的材料都具有声发射性质，因此它不会受到材料的限制，也不会受到物体的尺寸、几何形状和工作环境的影响。将其融入到水利水电工程中将具有必要意义。

2 声发射信号的产生

声发射信号是指在外界环境的作用下，由瞬态弹性波所释放出的能量。声发射信号是一种含有大量发射源状态信息的复杂波形，在传输过程中会产生不同的波形，并会产生噪声。期间适合于声发射探测的机械装置一般可分为两种：

（1）管道及压力容器。长时间处于高温、高压的环境中，材料容易因疲劳、腐蚀等产生裂缝。裂纹的形成、扩展和开裂过程中，都会有一定的应变能被释放出来，从而导致了AE信号的出现。通过以上AE信号的强度，可以判定是否存在裂纹、泄漏以及泄漏情况。

（2）旋转和往复运动机械。尤其是在高速转动的机器中，因运转不平衡、不中、热弯曲等原因，会引起转子的碰撞，这时，金属内部的晶格会发生滑动或重排，在此过程中，能量的变化会以弹性波的形式释放，从而形成一个声发射信号。

3 声发射技术的特点

声发射技术是一种无损检测技术，与其它无损检测技术相比，具有以下优点:

(1)能实现实时连续检测。该技术能够实时地检测和监控水工结构的缺陷发生、发展、破坏的全过程，同时还能够实时、连续地反映缺陷的变化情况，然后对结构的破坏程度、结构完整性和使用寿命进行评估。

(2)能对结构或构件的整体进行检测并确定缺陷的具体位置。在物体上放置一定数目的静止传感器，然后由声波发射机接收到来自该传感器的信号，从而获得被探测物体内所有的运动信息。利用时差定位技术，可以准确地判断出缺陷的位置，这是其他无损检测技术无法做到的。

(3)高精度和灵敏性。严格地说，在裂纹形成的过程中，在塑性钝化过程中，会产生AE信号。只要传感器和仪表能正确地设定，就能探测到微小的裂缝产生和蔓延。

(4)节约时间、节省成本。采用AE技术对常规结构和部件进行探测，只需要耗费20%的时间。同时，现场的AE测试可以与其他测试同时进行，不会影响测试的持续时间。测试成本相对低廉，尤其是对大型结构和部件进行全面的测试，其成本要比其它测试方式低得多。

(5)能够对各种物料的特性、状态的改变及工艺过程进行监测，从而为材料在变形时的应力-应变状况的变化提供理论基础。

(6)缺陷的位置和方位对探测结果没有影响。在声发射技术中，缺陷的位置和方位是无关紧要的。

(7)其结构与性质对其影响不大。因而，声发射检测方法（根据材料）应用的范围更广，其中包括对复合材料的探测，这是其它检测技术所不能达到的。

(8)对结构和部件的几何形状不敏感，适合于任何形状复杂的结构和部件。

4声发射检测技术在海南某大型水利工程中的应用

声发射检测技术在海南某大型水利工程中的应用主要是对整个边坡的稳定进行监控，同时又要对其进行局部稳定的监控。尤其要注意施工期间的安全监控，期间需要对水利水电的变形、渗流、应力、变形等监测指标进行监测，并对其进行早期预警和预测。

4.1 概况

海南某大型双线五级船闸本体在坛子岭北部的山腰上，全封闭的闸门全部由山体开挖而成。在此基础上，开挖后的永久边坡高度为137~174.5米，而在闸门段墙顶之下的垂直边坡则为50~70米。为获得双线五级船闸高边坡的施工和施工过程中的稳定性，提供实时、连续、全面的信息，实现对其进行早期预测和预报。针对双线五级船闸高边坡特性，利用声发射技术对其进行了监测。

4.2 监测成果分析

在1000多个可能发生不稳定的块体中，每个块体之间相隔30m，孔深根据块体的构造条件不同，通常为4~9m，最深17m。在南、北高边坡上，共有39个洞口，自1999年1月至2003年12月完成。通过对监测数据的整理和分析，得到如下结果：

(1)两条五级船闸竖向高边坡的声发射整体水平偏低，分布比较均匀。在99年2月份南线二号门直立高边坡某一孔洞中，实测的单孔月最大声发射次数为23168次，其它测井的最大月发射次数均不超过5000次。

(2)从时间上的分布来看，声发射检测的频率分布较为均匀，最高频率为2次/分，平均频率为0.5次/分，属于较低的应力状态。在闸室开挖爆破中，有少数几次测井事故发生的频率很高，但是在采取适当的支护措施后，裂缝的发展受到了限制，目前还处在低应力稳定状态裂缝的早期阶段。

(3)从空间上的分布来看，闸头和闸尾部位的声发射事故数高于闸室中间部位，由于闸头和闸尾部位的边坡形态比较复杂，在爆破开挖时，闸头和闸尾部位的应力比较复杂，因而产生了较多的裂缝。闸室开挖完成后，闸首和闸尾的声场强度与其他部位相同，均有较大幅度的下降。

(4)随着时间推移，岩石的声发射次数逐渐减小。在隧道掘进过程中，声发射强度相对较高，在1999年7月进行了开挖，完成了边坡的支护工作后，AE事故数量显著减少，到了2001年12月份，已基本达到了零事故，说明了边坡的支护工作取得了良好的效果。

（5）钢管凑合节闭合焊缝声发射检测测试从2001年12月到2002年1月，对海南某大型左岸电站首次焊接的4、1水轮发电机组导流管焊接接头闭合环焊缝进行了以下声发射检测工作：①对焊接节合拢焊缝的打底层是否开裂进行声发射监控检测。②在焊接时，对钢管接头的闭合焊缝进行声发射监测。③采用AE监测方法，对钢管凑合节闭合处的焊缝进行受力和残余应力的检测。④采用AE监测方法，对闭合焊缝在焊接后出现的延迟裂缝进行监测。⑤采用声发射探测技术，确定焊接接头在焊接处是否具有重要作用的声发射源，并利用传统的无损检测方法对其进行复验，判定其性能，以便采取有效的措施，消除有害缺陷，提高焊接接头的安全性。通过AE监测，没有发现可疑的AE信号，并及时向焊接工艺和焊接质量控制等方面的数据，为优化焊接接头效果奠定良好基础。随后采用渗透、超声、射线等无损检测手段对裂缝进行检测。

4.3 结论

利用声发射检测技术对海南某大型双线五级船闸高边坡岩体进行监测，取得如下效果：①对高边坡进行实时、全面的、全方位的监测；②预测施工阶段的岩体稳定性；③评估围岩的支护作用。总体而言，该技术在水电工程中的应用取得了良好的效果，并对今后在水利水电工程的安全监控中的应用具有一定的参考价值。

5 结束语

水电工程的安全监控，不仅事关大坝本身的安全，而且事关下游城市、基础设施的健康发展，也关乎人类的生命财产安全。近年来，水电工程的安全监控技术得到了较大的发展，但是传统的监控技术还存在着许多缺陷，因此，将需要设计、施工和科研人员共同努力，将其应用于水电工程的安全监控中，以提高系统的稳定性、适应性和兼容性。

参考文献

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