声发射技术在起重机检测中的应用现状

朱承龙

摘 要：对声发射技术进行了简单介绍，归纳了国内外声发射技术在起重机械检测领域的应用现状，并对相应的国内外声发射标准进行了简介，探讨分析了声发射技术在起重机械检测中存在的问题和难点。

关键词：起重机械；声发射技术；检测标准

1 前言

随着经济发展起重机被广泛用于物流运输、冶金、电力、机械制造、建筑建设等行业。起重机工作环境通常较为恶劣，使用过程中多受交变荷载的长期作用，其内部焊缝缺陷、疲劳裂纹、锈蚀等易导致结构折断，交变荷载、摩擦磨损、疲劳也易导致结构件变形、断裂等灾难性事故[1]。事故一旦发生在作业过程中，就可能引起人员伤亡，因此必须加强对起重机的安全检测和监测。声发射（Acoustic Emission，简称AE）作为无损检测技术领域的一种新型检测技术，有着动态、连续和实时等特点，非常适合用来探测早期的裂缝产生和扩展过程。为此国家重点高技术研究发展计划（863 计划）项目中明确提出应用声发射技术对起重机关键结构件的实际情况进行损伤检测与故障预报。

2 声发射技术概述

材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的物理现象称为声发射。声发射又称为应力波发射，是材料受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应力应变能的现象，大多数材料，变形和断裂时都有声发射发生[2]。

现今人们获取声发射源信息的唯一有效途径是通过传感器接收声发射源发出的原始信号，声发射检测技术中常用的信号处理技术是参数分析方法和波形分析方法。参数分析方法通过分析声发射信号的统计特征参数来获取声发射源的相关信息，如：能量、振铃计数、幅度、上升时间、持续时间等，常用声发射参数的定义如图1所示。

与其他起重机常规无损检测技术相比：声发射技术被动接收来自材料缺陷自身产生的信号，而不检测非扩展的无危害缺陷，同时可以通过时差等进行定位；声发射技术对结构的形状、尺寸不敏感，对大型结构能进行大面积、整体性检测，在一次试验中能够整体探测和评价整个结构中活性缺陷的状态，对于结构复杂、体积庞大的大型起重机械，能够获得更多的结构信息，有利于完整性评价；声发射技术能够在线检测、监测活性缺陷，对于受力情况复杂的起重机金属结构，其检测结果效果更好、更真实。因此，声发射技术可以弥补常规无损检测方法的不足，实现结构状态的整体检测、监测，具有重要的工程应用价值和实际意义。

3声发射技术在起重机检测中的应用现状

3.1应用研究现状

声发射技术已在多个领域得到了广泛应用，但在起重机械领域的研究还不成熟，目前主要围绕金属结构、轴承、变速箱和钢丝绳等开展。

在国外，Carlyle等最先采用声发射技术对50t港口门座式起重机进行检测，之后Gordon等采用声发射线性定位方法对航母上的桥式起重机的主梁载荷试验过程进行了监测，并对声发射源的强度进行了分析；加拿大的Kova工程有限公司开展了玻璃纤维起重机组件的声发射检测业务；美国声学学会公司开发了起重机设备声发射检测系统，通过对起重设备施加机械荷载中腐蚀、裂纹声发射特征分析对设备安全性进行了安全评估。

国内采用声发射技术在起重机检测的研究文献还较少，仍处在探索阶段。骆红云对装船机的主梁部件进行了声发射监测，并对其声发射源的危险等级进行了划分[3]。吴占稳对起重机声发射源进行了识别分析，建立了声发射源同常见声发射源的对应关系[2]。田建军等对汽车起重机起吊过程进行了声发射检测，发现声发射源常用参数如活性、强度等与裂纹扩展、残余应力释放和机械摩擦等有一定的联系[4]。三峡大学的李力对起重主梁进行了声发射检测，定量分析了裂纹缺陷活度和强度与声发射参数的关系[5]。武汉理工大学的刘志平等探讨了主梁箱型结构下焊接裂纹声发射源定位方法，提出了平面定位与线性定位相结合的方法[6]。近期，沈功田和吴占稳等在编写桥式和门式起重机金属结构声发射检测及结果评定方法前对桥式和门式起重机进行了声发射源特征研究，研究表明桥式和门式起重机声发射源主要来源于裂纹 塑性变形 结构摩擦机车噪声，可以通过声发射采用线性定位方法有效确定声发射源位置，且声发射信号特征参数可对各声发射源进行表征[7]。

3.2相关标准

声发射检测在起重机械行业的标准主要是美国ASTM的F914-2003《不带附加载荷调节装置的高空载人吊车声发射标准检测方法》和F1430-2003《带附加载荷调节装置的高空载人吊车声发射标准检测方法》等。标准中规定了传感器布置、载荷施加方式、声发射参数选定及结果判定方法等。

在国内，随着声发射技术的不断发展和进步，声发射检测的标准也在不断更新完善。从行业标准JB/T8283-1995 《检测仪性能测试方法》 到QJ2914-1996《复合材料构件检测方法》，标准中只是将声发射作为一种参考的方法，在标准GB/T18182-2000《金属压力容器检测方法》和GB/T12604.4-2005《声发射检测术语》中，声发射逐渐成熟成为检测的一种常规手段。在2016年2月24日GB/T32544-2016《桥式与门式起重机金属结构声发射检测及结果评定方法》正式发布，于2016年9月1日正式实施，标准中主要根据声发射源的事件数分为4个活性等级，利用声发射源源区前5个最大的能量、幅度或计数参数的平均值将其强度等级划分为3级，进而根据声发射源的强度和活性等级对声发射源进行综合等级评定，确定缺陷严重程度。

3.3声发射技术应用存在的主要问题及难点

声发射在起重机械检测中得到了一定的发展且形成了相应的标准，但声发射在起重机械的检测中所占比例仍较低。一方面是目前还有形成统一完整的起重机声发射检测标准，研究手段和方法差别较大，可重复性差；另一方面声发射检测在起重机工作现场容易受环境噪声和电气噪声等干扰，声发射源的定位很难精准。再者就是声发射源评定缺乏定量方法并且声发射技术对仪器和人员要求较高，这些都限制了声发射技术再起重机检测中的应用。

参考文献：

[1]王福绵. 2006～ 2011 年起重机械事故统计分析与防范[J]. 中国特种设备安全， 2013 （2）： 49-51.

[2]吴占稳. 起重機的声发射源特性及识别方法研究[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2008.

[3]骆红云， 张峥， 钟群鹏， 等. 声发射技术在大型装卸设备安全评定中的应用[J]. 起重运输机械， 2005 （1）： 36-39.