学位论文声发射无损检测技术的机理研究.docx

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学位论文声发射无损检测技术的机理研究

兰州工业学院

毕业设计（论文）

题目声发射无损检测技术的机理研究

兰州工业学院

毕业设计（论文）任务书

材料工程系2015届焊接质量检测技术专业

毕业设计（论文）任务书

毕业设计（论文）题目

无损检测技术

课题内容性质

科学研究

课题来源性质

教师收集的结合生产实际的课题

实验

校内（外）指导教师

职称

工作单位及部门

联系方式

工程师

材料工程学院

一、题目说明（目的和意义）：

毕业设计是本专业教学过程的最后一个重要环节，也是培养学生分析问题和解决问题能力的主要方法，通过毕业设计，要求学生全面综合运用所学基本理论，基本技能和生产实践知识；学习系统地综合运用所学的知识和技能解决实际工程问题的本领，巩固和加深对所学知识的理解，并且通过毕业设计的实践扩大和补充知识，使认识提高到一个新的水平。

通过毕业设计的实践，培养调查研究的习惯和工作能力，练习查阅资料和有关标准，查阅工具书或参考书，合理选择实验方法、实验设备，正确操作、分析，并能以实验分析过程和毕业论文表达设计的思想和结果。

通过毕业设计，不但要提高解决具体问题的独立工作能力，而且应建立正确的设计和科研思想，加强思想性，牢固树立实事求是和严肃认真的工作态度。

二、设计（论文）要求（工作量、内容）：

1、总要求：

要求每个学生根据给定的毕业设计题目独立完成针对选定焊接材料，明确分析该材料易产生的焊接缺陷，对最易产生的缺陷进行研究。

明确该缺陷的概念、危害及分类；明确该材料的化学成分、基本性能、应用；分析该缺陷的基本特征及产生的机理；分析该材料形成该缺陷的主要影响因素；论述该缺陷的防止措施。

根据文献及相关的理论知识对实验结果进行分析总结，并得出结论,根据结论可进行相应的补充实验，完成毕业设计论文一份，毕业设计完成后进行答辩。

2、给定的条件和要求：

实验设备类型、种类齐全；实验药品齐全；查阅文献，明确毕业设计的意义及目的；严格按照标准及操作规程进行实验。

3、确定总体方案：

分析国内外金属材料焊接的发展和趋势，了解毕业设计任务书给定的条件和用途，可到工厂进行调研、了解焊接结构制造的经验，进行毕业设计可行性分析和论证，最后确定总体方案。

4、具体要求

（1）查阅资料，确定所研究的无损检测方法，明确所研究的对象或问题。

（2）分析所研究课题的国内外现状或该无损检测方法的特点。

（3）设计实验研究的思路、原理、方法、设备、器材。

（4）观点分析、阐述或记录、汇总研究数据。

（5）得出研究结论或分析研究结果。

（6）列举参考文献。

（7）毕业论文一份，幅面大小为A4，全部由计算机打印。

5、撰写毕业设计论文

包括内容：

封面、任务书、摘要、目录、论文正文、总结论、致谢、参考文献等。

应阐述整个毕业设计内容，要突出重点和特色，图文并茂，文字通畅。

毕业论文的页数不少于20页（幅面大小为A4，全部由计算机打印）。

6、试样的要求：

实验试样要符合相应国家标准。

7、论文撰写格式、装订顺序及要求依毕业设计（论文）规范。

三、进度表

日期

内容

1周

3.5周

1.5周

毕业设计共6周，安排如下：

1、文献查阅及方案论证1周

（1）调查研究、搜集和查阅资料（0.5周）

（2）总体设计方案的拟定和论证（0.5周）

2、实验过程3.5周

（1）实验前期准备（0.5周）

（2）试样制备（0.5周）

（3）实验操作、实验记录（2周）

（6）结果分析并得出结论（0.5周）

3、撰写毕业设计论文1.5周

完成日期

2015.2.10

答辩日期

2015.3.10～2013.3.13

四、主要参考文献、资料、设备和实习地点及翻译工作量：

[1]王宗杰.熔焊方法及设备.北京：

机械工业出版社，2007.11.

[2]英若采.熔焊原理及金属材料焊接.北京：

机械工业出版社，2009.12.

[3]邓洪军.焊接结构生产.北京：

机械工业出版社，2012年1月.

[4]英若采.熔焊原理及金属材料焊接.北京：

机械工业出版社，2009.12.

[5]刘世荣.金属学与热处理.北京：

机械工业出版社，1997.6.

[6]丁德全.金属工艺学.北京：

机械工业出版社，2008.4.

[7]上海市特种设备监督检验技术研究院.北京：

特种设备焊接技术.机械工业出版社,2010.

[8]胡义祥.金相检验实用技术.北京：

机械工业出版社，2012.6.

[9]机械工业理化检测人员技术培训和资格鉴定委员会.金相检验.北京：

中国计量出版社，2011.3.

[10]魏延宏.焊接检验.高等教育出版社,2010.

[11]张博.金相检验.北京：

机械工业出版社，2009.

[12]李以善.焊接结构检测技术.北京：

化学工业出版社2009.

[13]徐卫东.焊接检验与质量管理.北京：

机械工业出版2011.

[14]强天鹏.射线检测（第2版）.北京：

中国劳动社会保障出版社.2007.

[15]王乐生.射线检测.北京：

机械工业出版社.2009.8.

[16]郑世才.射线检测.北京：

机械工业出版社.2011.1.

[17]史亦韦.超声检测.北京：

机械工业出版社.2012.1.

[18]郑晖，林树青.超声检测.北京：

中国劳动社会保障出版社.2008.5.

[19]郭伟.超声检测.北京：

机械工业出版社.2009.9.

[20]邓洪军.无损检测实训.北京：

机械工业出版社.2010.2.

[21]丁守宝.无损检测新技术及应用.北京：

高等教育出版社，2012.9.

[22]张俊哲.无损检测技术及其应用（第二版）.北京：

科学出版社，2010.10.

[23]宋天民．无损检测新技术.北京：

中国石化出版社，2012.1.

[24]夏纪真．无损检测导论.广州：

中山大学出版社，2010.1

[25]李孟源.声发射检测及信号处理.北京：

科学出版社，2010.10.

指导教师签字

教研室主任签字

主管院领导签字

年月日

年月日

年月日

注：

本任务书要求一式两份，一份系部留存，一份报教务处实践教学科

摘要

声发射是一种常见的物理现象，各种材料的声发射信号的频率范围很宽，从几赫兹的次声频、20赫兹——20千赫兹的超声频，声发射信号的幅度变化范围也很大，从10米的微观错运动到1米量级的地震波。

如果声发射释放的应变能比较大，就可产生人耳听见的声音。

大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏电子仪器才能检测出来。

用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号进行诊断声发射源的技术称为声发射技术。

材料中局部区域应力集中，快速释放能量并产生瞬间弹性波的现象称为声发射。

声发射检测技术在设备运行状态监测、生产安全预警方面具有重大的现实价值，可广泛应用在石油化工、航天航空、材料实验和交通运输等领域。

AE（AcousticEmission）信号处理是AE检测技术研究的核心。

但是，由于声发射信号本身的复杂性，采集和分析提取声发射源特征参数存在困难，声发射信号处理技术的研究一直是声发射技术理论研究与工程应用中的一个关键问题。

声发射检测技术具有在线检测、动态检测、整体检测、对活性缺陷敏感度高等优点。

储罐罐底板是储罐最容易发生问题的地方，底板的泄漏和腐蚀损伤可以产生有效的声源，所以本文针对现场储罐声发射检测的实际情况，以罐底板的腐蚀和泄漏为研究对象，进行储罐泄漏和腐蚀的声发射在线检测技术的研究。

本文介绍了国内外声发射检测技术的发展和现状，通过声发射技术的原理，总结了声发射检测的特点，概况了声发射信号的特征参数分析方法以及高级处理技术，主要内容是通过对储罐底板泄漏和腐蚀现象的分析，分析了储罐声发射的有效活动声源，通过模拟储罐进行储罐底板的泄漏模拟试验研究，结果证明了储罐声发射检测技术的可应用性。

以此为依据，进行了实际储罐的声发射在线检测应用研究，检测的结果用常规无损检测的方法进行开罐复检，结果证明了储罐的声发射在线检测的有效的，可行的。

研究和应用的结果表明，储罐声发射在线检测技术具有重要的应用价值。

关键词：

声发射；储罐；信号处理；泄漏；在线检测

ABSTRACT

Materialrapidreleaseoflocalenergycanproduceacousticemissionsignal,theacousticemissionsignalcontainsimportantinformationabouttheacousticemissionsourcecharacteristics,throughthecollectionandanalysisofacousticemissionsignalcandynamicallymonitormaterialdefectsandsportsdevelopment.Acousticemissiontestingtechnologyinequipmentrunningconditionmonitoring,productionsafetywarninghasgreatrealisticvalue,canbewidelyusedinpetrochemical,aerospace,materialexperimentandtransportation,etc.AE（&Emission）signalprocessingisthecoreofAEtestingtechnologyresearch.But,becauseofthecomplexityoftheacousticemissionsignalitself,collectionandanalysisofacousticemissionsource,characteristicparametersaredifficulttostudyofacousticemissionsignalprocessingtechnologyisthetheoryofacousticemissiontechnologyresearchandakeyprobleminengineeringapplication.

Withtherapiddevelopmentofglobaleconomy,theincreasingdemandofoilandgasandoilindustry,therapiddevelopmentofthereservesofoiliscommonly,thegazeofthestoragetankisoneofthestorageofoilproductsindispensableimportantequipment.Inordertoensurethesafetyofthetank,thetanktesting,productionofconventionalNDTmethodsneedfortesting,thehighcostoftesting,testingtimeislong,theintensityoflaborisbig.Acousticemissiontestingtechnologywiththeonlinetest,dynamictest,theoveralldetection,highsensitivitytoactivedefects,etc.Storagetankbottomistheeasiestproblemtakesplace,storagetankfloorcorrosiondamageofleakageandcanproduceeffectivesoundsource,sothisarticleaccordingtotheactualsituationoftankacousticemissiontesting,withthetankbottomcorrosionandleakageastheresearchobject,tankleakageandcorrosionoftheacousticemissionon-linedetectiontechnologyresearch.

Thispaperintroducesthedevelopmentandstatusquoofacousticemissiontestingtechnologyhomeandabroad,throughtheprincipleofacousticemissiontechnology,summarizesthecharacteristicsofacousticemissiontesting,thegeneralsituationofthecharacteristicparametersofacousticemissionsignalanalysismethodandadvancedprocessingtechnology,themaincontentisthroughtheanalysisoftankbottomleakageandcorrosionphenomena,analyzestheeffectiveactivitiesofacousticemissionsourcestoragetank,storagetankthroughthesimulatedstoragetankbottomleakagesimulationteststudy,theresultprovesthattheapplicationoftankacousticemissiontestingtechnology.Onthisbasis,theactualapplicationresearchontheacousticemissionon-linedetectionofstoragetank,thetestresultswithconventionalNDTmethodscanrecheck,theresultprovesthatthetankoftheacousticemissionon-linedetectionofeffective,feasible.

Researchandapplicationresultsshowthatacousticemissiontestingtechnologyonlinestoragetankhasimportantapplicationvalue.

Keywords:

acousticemission;Storagetank;Thesignalprocessing;Leakage;On-lineinspection

目录

摘要Ⅰ

ABSTRACTⅡ

第1章绪论1

1.1课题背景及理论意义1

1.2国内外在声发射方向的研究现状及分析2

1.3本课题研究的主要内容和意义3

第2章声发射检测技术4

2.1声发射检测基本原理4

2.2声发射检测仪器4

2.3声发射源定位技术6

2.4声发射信号分析6

第3章声发射信号的高级处理技术10

3.1概述10

3.2模态声发射10

3.3频谱分析方法11

3.4神经网络分析方法12

3.5小波分析方法15

第4章模拟储罐罐底泄漏的试验研究16

4.1试验方法16

4.2制作立式储罐模型16

4.3试验设备17

4.3.1实验模拟立式储罐规格18

4.3.2声发射检测设备的配备18

4.4试验步骤18

4.4.1确定试验方案18

4.4.2传感器的布置19

4.4.3设备灵敏度的标定19

4.4.4试验步骤20

4.5试验结果与分析20

4.5.1发射检测仪器检测罐底中心孔（在液位不变的条件下）20

4.5.2声发射检测仪器检测罐底侧孔22

4.5.3声源定位图24

4.6小结25

第5章声发射检测储罐的现场应用27

5.1声发射检测程序27

5.1.1资料审查27

5.1.2现场勘察27

5.1.3声发射仪器27

5.2仪器设置28

5.3检测过程28

5.4储罐的现场检测29

5.5储罐检测结果分析30

5.5.11#储罐的检测结果分析30

5.5.21#储罐的复检31

5.5.32#储罐检测结果分析31

5.5.42#储罐的复检33

结论34

致谢35

参考文献36

外文翻译37

第1章绪论

1.1课题背景及理论意义

在科学技术不断发展的今天，结构材料的检测得到越来越多的应用。

通常不同形式的结构构架及不同的环境性能，使结构材料展现出不同的强度、硬度、外形、大小等状态。

针对于结构材料的这种特性，通常在结构材料的使用中，通过状态监测，能有效的监测和诊断出材料的性能，这对于安全生产来说意义深远。

状态监测是通过测量和监测。

对材料内部的微观变化进行采集和记录。

材料检测技术随着检测技术和仪器的进步得到不断的发展完善，无损检测技术就是建立在材料检测技术之上，并且得到了广泛的应用。

无损检测技术﹙NDT—NondestructiveTesting﹚是在不损害材料的基础上进行检测，是保证材料质量和安全的前提下，延长材料使用寿命的一种检测技术。

随着科学技术的发展，无损检测技术应用于各个领域。

目前，无损检测技术已经演变发展出多种检测手段，如超声检测、射线检测、渗透检测、磁粉检测、声发射检测等技术。

声发射﹙AcousticEmission，简称AE﹚现象是指材料局部因能量的快速释放而发生瞬态弹性波的现象。

对记录到的信号进行处理分析寻找缺陷位置，发展规律的技术称为声发射技术。

因此，声发射也叫应力波发射。

随着超声技术的不断发展其应用范围也越来越广泛。

检测超声技术主要用于应力测试定位、局部放电和测厚等方面。

声发射技术作为一种检测超声技术，被越来越多的国家所重视。

五十年代初德国学者Kaiser开始研究声发射现象；六十年代初美国通用动力公司应用声发射技术监测北极星导弹燃烧室及固体火箭发动机壳的结构完整性；七十年代初我国开始研究和应用声发射技术。

至今，该技术的应用已覆盖航空、工业制造过程和质量监测航天、铁路、石油化工等方面。

随着我国国民经济的发展和可持续发展战略的实施，对绿色安全，环境保护及灾害防治的要求越来越高，在我们石油行业，就是保障油气储存和运输设备的安全使用，尽可能的避免所有有能发生的环境和生态污染及杜绝灾难发生。

因此，研究和使用安全有效的无损检测技术，特别是在线检测技术，为储罐等石油储存和运输设备提供长期可靠的保证，具有非常重要的意义。

1.2国内外在声发射方向的研究现状及分析

检测系统的关键部件就是传感器。

目前研究的热点方向是利用现代光纤技术研究声传感技术，基于光纤传感器具有灵敏度高、频带宽且抗干扰性能力强、体积小且抗腐蚀能力好等特点，已有大量实验研究和文献报道。

但是这种传感器同时也存在着一系列问题，例如该传感器稳定性差、输出非线性等，所以目前目前该技术只是以实验研究为主，不够实用化。

就目前的技术手段来看，提高传感器的精度、频率范围以及传感器的稳定性，并且把该技术应用到声发射检测中，是声发射检测技术研究的重要问题。

随着声发射技术变得日趋成熟，声发射检测仪器达到崭新的阶段，声发射的深度、广度都有了较显著的提高，例如德国Vallen公司开发的第五代的多通道数字声发射检测仪器AMSYS，配合其配套的声发射信号处理软件包VisualAE、VisualTR、Visualelass等便可以对不同信号进行多种分析和处理。

复合材料具有庞大的内部构造，受到破坏时表现出纤维断裂、基材开裂、基材分离和分层等不同的形式。

我国学者通过声发射技术手段，对B/AL复合材料进行线性定位，分析其断裂过程，得出声发射信号主要来源于纤维断裂和基材分离或分层的结论；通过声发射信号的关联图，对高性能纤维复合材料的拉伸和弯曲破坏进行分析，判断出复合材料的损伤破坏以纤维断裂、基材开裂、界面开裂三种形式存在。

外国学者将研究的重点放在短纤树脂复合材料的破坏过程中的声发射特性，通过高频滤波技术分析声发射信号的频谱，判断出纤维断裂产生高幅度值，基材破坏和损伤产生低幅度值；通过低通滤波技术和声发射信号处理技术来研究分析纤维增断裂过程中的断裂情况。

研究人员对复合材料再重复破坏下的声发射特性进行研究，认为破坏过程中应力波的传播速度是发生变化的，这种破坏是随机产生的。

获取材料或构件中声发射信号源特征是声发射检测技术应用到无损检测中的主要目的之一，通过获取声发射信号源特征找出声发射源的位置，判断其危害性及性质，从而为无损检测技术的发展建立理论基础。

该领域的研究遇到了许多困难，因此声发射信号源特征的研究取得突破，能够提高声发射检测技术应用于无损检测中的科学性和理论性。

就目前形势来看，只能通过间接手段获取声发射源特征，获取声发射源特征的最可行方法是对声发射传感器接收到的声发射信号进行处理和分析。

从声发射技术作为一种无损检测手段诞生以来，研究声发射技术的学者们就没有停止过对于声发射信号处理技术的探索和研究。

一方面，研究探索声发射信号处理技术，并且在该方向上取得进展，能够为声发射源特征研究提供新的方法和思路；另一方面，声发射源特征研究又制约着声发射信号处理技术的发展。

由此可见，声发射信号处理技术也是目前研究的一个热点方向。

1.3本课题研究的主要内容和意义

主要内容是通过模拟储罐进行储罐底板的泄漏模拟试验研究，试验结果证明了储罐声发射检测技术的可应用性。

以此为依据，进行了实际储罐的声发射在线检测应用研究，检测的结果用常规无损检测的方法进行开罐复检，结果证明了储罐的声发射在线检测是有效的、可行的。

随着科技的发展，电子数字技术已经成为社会主流趋势。

从20世纪90年代，声发射技术在全球的研究和应用不断的发展。

声发射检测技术应用于大型常压储罐的检测，是现在国际上唯一认可的罐底在线检测方法。

储罐的声发射技术在线检测与安全评价技术的研究和应用，为储罐设备的延寿和定期检修提供了安全先进的技术保障，对大型储罐的安全稳定运行，减少和避免环境污染提供了可靠依据。

声发射检测技术作为一种动态的无损检测方法，在设备运行过程中进行检测，为企业减少了劳动力和资金的投资。

第2章声发射检测技术

2.1声发射检测基本原理

声发射﹙AcousticEmission，AE﹚现象是指材料局部因能量的快速释放而发生瞬