ITER包層脫粘缺陷的聲發(fā)射檢測

解社娟，馬向鋒，陳玲莉，趙瑩，陳振茂

(西安交通大學 機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室，陜西省無損檢測和結(jié)構(gòu)完整性評價工程技術(shù)研究中心，西安 710049)

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ITER包層脫粘缺陷的聲發(fā)射檢測

解社娟，馬向鋒，陳玲莉，趙瑩，陳振茂

(西安交通大學 機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室，陜西省無損檢測和結(jié)構(gòu)完整性評價工程技術(shù)研究中心，西安 710049)

包層是ITER(國際熱核聚變實驗堆，International Thermonuclear Experimental Reactor)的關(guān)鍵部件之一。包層中第一壁界面脫粘是其主要的損傷形式之一，因此包層脫粘缺陷檢測對ITER的安全運行具有重要意義。采用聲發(fā)射技術(shù)對ITER包層脫粘缺陷的產(chǎn)生和擴展進行檢測，以雙層板為對象，進行了雙層板脫粘聲發(fā)射檢測試驗；提出了區(qū)域定位法和最小二乘法多傳感器的組合定位方法，實現(xiàn)了對脫粘缺陷的有效定位；驗證了聲發(fā)射檢測方法對ITER包層脫粘缺陷檢測的有效性。

聲發(fā)射；ITER包層；脫粘缺陷；缺陷定位

ITER(國際熱核聚變實驗堆，International Thermonuclear Experimental Reactor)是一個正在規(guī)劃建設(shè)中的為驗證全尺寸可控核聚變技術(shù)可行性而設(shè)計的國際托卡馬克實驗堆[1]。包層是其中的關(guān)鍵部件之一，主要對真空室及其外部部件的熱和核起屏蔽作用。每個包層由第一壁、屏蔽塊以及柔性支撐組成。包層中第一壁界面脫粘是其主要的損傷形式之一，對脫粘缺陷的檢測[2-3]具有重要意義。

聲發(fā)射檢測技術(shù)主要應用于結(jié)構(gòu)的無損檢測、完整性評價和實時在線監(jiān)測等[4]。聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種通過傳感器接收聲發(fā)射彈性波信號，對信號進行分析來判斷結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)和損傷位置的方法。該技術(shù)是一種動態(tài)檢測方法，在合理布置聲發(fā)射傳感器的情況下，可以同時檢測整個結(jié)構(gòu)，也可以實現(xiàn)連續(xù)的在線監(jiān)測。基于以上背景，筆者采用了聲發(fā)射技術(shù)來檢測ITER包層脫粘缺陷的產(chǎn)生和擴展，并搭建了雙層板脫粘聲發(fā)射檢測試驗系統(tǒng)。

1　聲發(fā)射檢測原理

聲發(fā)射(Acoustic Emission，簡稱AE)是局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，也被稱為應力波發(fā)射[5]。聲發(fā)射產(chǎn)生的過程是：材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，伴隨著能量的轉(zhuǎn)換，一部分能量以彈性波的形式向四周傳播。

聲發(fā)射檢測技術(shù)是應用傳感器等儀器記錄和分析聲發(fā)射信號，得到聲源損傷信息和位置信息的技術(shù)[6-9]。其檢測過程為：聲發(fā)射源產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波，彈性波傳播到界面后引起界面的微小運動，利用傳感器探測到界面微小運動，這種微小運動被信號采集系統(tǒng)記錄并處理，最后對結(jié)構(gòu)進行評價。聲發(fā)射檢測方法區(qū)別于其他無損檢測方法的特點主要有：① 是一種動態(tài)檢測方法，不需要提供激發(fā)信號；② 需要在缺陷產(chǎn)生過程中進行檢測，穩(wěn)定的缺陷不產(chǎn)生聲發(fā)射信號;③ 合理布置聲發(fā)射傳感器，可同時檢測整個結(jié)構(gòu)；④ 可實現(xiàn)連續(xù)的在線監(jiān)測；⑤ 可識別出缺陷產(chǎn)生的初期階段，進而預報缺陷的出現(xiàn)。

2　雙層板脫粘聲發(fā)射檢測試驗

為了驗證聲發(fā)射檢測方法對ITER包層脫粘缺陷檢測的有效性，搭建了雙層板脫粘聲發(fā)射檢測試驗系統(tǒng)。試驗所采用的試件是兩塊L型不銹鋼板(奧氏體304不銹鋼)，經(jīng)過釬焊加工工藝制作成雙層板，兩塊L型金屬板的尺寸相同，如圖1所示。

圖1　試件尺寸和受力方式示意

為了模擬脫粘的產(chǎn)生和擴展，設(shè)置了三處單獨的焊接區(qū)域和一處大面積的焊接區(qū)域，如圖2所示。雙層板的焊接是在真空爐中進行的，所使用的焊劑是鎳基釬焊粉。釬焊是在真空度為10-2Pa的環(huán)境下進行的，釬焊過程溫度控制為：首先經(jīng)過1 h的勻速升溫達到1 050 ℃，然后保溫30 min，最后隨爐冷卻。

圖2　釬焊前焊跡的分布區(qū)域與釬焊后實際的焊接區(qū)域示意

圖3　聲發(fā)射在線檢測試驗系統(tǒng)框圖與實物照片

雙層板脫粘過程是在MTS材料試驗機上進行的，加載方式是靜力拉伸，載荷從零緩慢增加(直到兩層金屬鋼板完全脫離)。在加載的過程中，利用聲發(fā)射檢測系統(tǒng)進行連續(xù)監(jiān)測。聲發(fā)射傳感器采用的是SR150M型的速度傳感器。采集的信號經(jīng)過放大器和16通道的聲發(fā)射儀，最終上傳到計算機中。放大器的放大倍數(shù)為40 dB，聲發(fā)射儀各通道閾值設(shè)置為100 mV，采樣頻率為3 MHz。整個試驗系統(tǒng)的框圖和實物照片如圖3所示。圖4是六通道傳感器接收到的同一個聲發(fā)射事件信號的時域圖。

圖4　六通道中的聲發(fā)射信號時域圖

3　聲發(fā)射信號處理方法

3.1簡化波形特征參數(shù)分析方法

聲發(fā)射簡化波形特征參數(shù)分析方法是20世紀50年代就開始使用的一種經(jīng)典的聲發(fā)射信號處理方法[10]。聲發(fā)射信號本身,一方面具有不確定性，例如在相同條件下，每次鉛筆芯折斷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號都不是完全相同；另一方面,聲發(fā)射波形信號頻率比較高，也就要求很高的采樣頻率，最終會導致聲發(fā)射完整波形信號的數(shù)據(jù)量很大。而采用參數(shù)分析法可以得到聲發(fā)射信號的統(tǒng)計特性，同時數(shù)據(jù)量較小，比較適合工程應用環(huán)境。參數(shù)分析方法定義了很多波形特征參數(shù)：撞擊計數(shù)、振鈴計數(shù)、能量、幅度、持續(xù)時間和上升時間等，它們的定義如圖5所示。

圖5　聲發(fā)射波形特征參數(shù)的定義示意

參數(shù)分析方法包括：單參數(shù)分析方法(總振鈴計數(shù)經(jīng)歷圖分析和總能量經(jīng)歷圖分析等)和多參數(shù)分析方法(參數(shù)分布分析和參數(shù)關(guān)聯(lián)分析)。

3.2區(qū)域定位法和最小二乘法多傳感器的組合定位方法

區(qū)域定位法是通過合理布置傳感器位置，判斷信號到達傳感器的次序，實現(xiàn)對聲發(fā)射源所處區(qū)域的初步判斷[11]方法。區(qū)域定位法只能粗略地定位出聲源所在的區(qū)域。傳感器布置陣列如圖6所示，黑色點為傳感器。首先，獲取聲發(fā)射信號最先到達的四個傳感器1,2,3和4，判斷聲發(fā)射源位于A,B,C和D區(qū)域;再根據(jù)信號到達四個傳感器的時間次序來確定聲發(fā)射源所處的區(qū)域。

圖6　聲發(fā)射傳感器布置陣列

聲發(fā)射信號的平面定位只需要三個傳感器信息就可以實現(xiàn)定位，以其中一個傳感器為基準得到兩個時差(信號初次到達兩個傳感器的時間差)，再根據(jù)三個傳感器的位置信息和聲發(fā)射信號的傳播速度，可以得到兩個獨立的方程。聯(lián)立求解這兩個方程可以得到聲源的位置坐標(兩個參數(shù)表達的位置信息)[12]。

實際定位中，由于聲發(fā)射信號到達傳感器時間的提取以及傳感器位置信息的測量會存在誤差。這些誤差累加起來，會使最終計算得到的聲源位置存在很大誤差。這些誤差符合一定的統(tǒng)計規(guī)律。因此，采用多于三個的傳感器來進行定位可以在一定程度上減少誤差，同時可采用篩選機制來剔除誤差較大的傳感器數(shù)據(jù)。采用n個傳感器來定位聲發(fā)射源，得到的方程組中待求量個數(shù)少于方程個數(shù)的方程組：

(1)

式中：(xi,yi)為第i個傳感器的位置坐標；ti為聲發(fā)射信號從聲源到達第i個傳感器的絕對時間；v為聲發(fā)射信號的傳播速度。

常規(guī)的求解方法是：選擇一個傳感器作為基準，其他的方程分別減去基準方程，這樣得到一個n-1階的方程組(2)。而且方程組的右邊項為vdti(dti為第i個傳感器和基準傳感器的時間差)，dti可以從試驗測得數(shù)據(jù)中提取出來。這樣就變成一個待求量為(x，y)的n-1階方程組。

(2)

常規(guī)解法依賴于基準傳感器的選擇，如果傳感器位置測量誤差和到達時間提取誤差較大，會對最終的定位帶來影響。筆者提出:增加一個時間待求量t，設(shè)置一個統(tǒng)一的時間參考點，而不再選擇基準傳感器。這樣可得到聲發(fā)射源到達第i個傳感器的絕對時間為dti+t，其中dti為第i個傳感器信號到達的絕對時間和時間參考點的時間差。最后變成求解待求量(x，y，t)的n階方程組(3)。

(3)

為了求解方程組(3)，可以采用最小二乘原理定義目標函數(shù)f(x,y,t)，尋找目標函數(shù)最小值時對應的(xg,yg,tg)，作為方程的近似解(見方程組4)。誤差指標為：f(xg,yg,tg)/n。當誤差指標超過一定的值時，判定需要剔除一部分傳感器的數(shù)據(jù)，剔除后再進行定位計算。

(4)

區(qū)域定位法和最小二乘法多傳感器的組合定位方法是先通過區(qū)域定位法得到聲發(fā)射源所在區(qū)域，求得區(qū)域的中心位置(x0,y0)；然后將(x0,y0, 0)作為初始值，應用最小二乘法求解(xg,yg,tg)。組合定位方法的流程如圖7所示。這樣可盡量避免得到局部最小值，還可減少迭代的次數(shù)。

圖7　多傳感器組合定位方法的定位流程圖

4　試驗結(jié)果與討論

在試件靜力拉伸的全過程中，通過六通道聲發(fā)射傳感器進行數(shù)據(jù)采集，保存全部波形信息，后期可采用不同的信號處理方法進行處理。工程應用中，只需要在實時處理過程中保存部分信息。

4.1脫粘聲發(fā)射信號的波形特征參數(shù)處理

試驗過程中，載荷是分段加載(在暫停階段，載荷值保持當前值不變)，直到兩塊不銹鋼板完全的脫離。這樣的加載方式便于聲發(fā)射信號分段采集(利于后期處理)。暫停階段沒有聲發(fā)射信號產(chǎn)生，因此，分段加載和連續(xù)加載產(chǎn)生的效果區(qū)別不大。選取聲發(fā)射波形特征參數(shù)中的總振鈴計數(shù)和總能量進行單參數(shù)經(jīng)歷圖分析，如圖8所示。圖中上部的曲線為載荷的曲線，下部的曲線為總能量曲線和總振鈴計數(shù)曲線。

圖8　脫粘信號的總能量和總振鈴計數(shù)經(jīng)歷圖

加載過程共持續(xù)了大約970 s，聲發(fā)射活動可以分為五個階段。第一階段80～400 s間為脫粘缺陷的萌生階段，持續(xù)時間較長；第二階段是540 s 的時刻，編號1的焊接區(qū)域完全脫離，伴隨著載荷的震蕩和劇烈的聲發(fā)射活動；第三、四階段是690 s和874 s附近的一段時間,編號2和編號3焊接區(qū)域完全脫離。最后一階段是971 s的時候，編號4區(qū)域開始脫離，接著兩層板完全脫離。整個脫粘過程中，編號4區(qū)域中A處界面脫粘不斷地擴展。從總能量和總振鈴計數(shù)的經(jīng)歷圖，可識別出脫粘缺陷的萌生階段和局部區(qū)域的快速脫離階段。因此，在實時監(jiān)測中，根據(jù)萌生階段的數(shù)據(jù)可以預測即將發(fā)生的局部脫粘缺陷。通過參數(shù)分析方法得到的信息反映了聲發(fā)射整體的活動情況，而詳細的缺陷定位要通過聲發(fā)射的源定位方法實現(xiàn)。

4.2脫粘缺陷的定位

為了定位脫粘缺陷的位置，采用了六個通道傳感器進行實時監(jiān)測，六個傳感器的布置位置如圖9所示。文章采用了區(qū)域定位法和最小二乘法多傳感器的組合定位方法，對聲發(fā)射信號中可以識別的聲發(fā)射事件進行定位。在所有定位的聲發(fā)射事件中，其中50% 是由六通道的傳感器數(shù)據(jù)定位得到的，35% 是由四個通道的傳感器數(shù)據(jù)定位得到的。剩余的聲發(fā)射事件定位誤差指標太大，不作為定位依據(jù)。最終，定位誤差指標在可接受范圍內(nèi)的聲發(fā)射事件定位效果如圖10所示。

圖9　傳感器布置位置示意

圖10　聲發(fā)射事件的定位結(jié)果

編號1，2和3處的脫粘缺陷可以清晰地定位出來。其中，編號1和編號2兩處區(qū)域的聲發(fā)射事件比較豐富，是因為這兩塊區(qū)域在開始階段承受的載荷比較大，是最先開始脫粘的區(qū)域。圖11是聲發(fā)射事件定位的誤差指標。可見，控制誤差指標在一定范圍內(nèi)的情況下，通過聲發(fā)射事件定位缺陷的效果較好，可以滿足定位需求。

圖11　聲發(fā)射事件定位的誤差指標

5　結(jié)語

以雙層板為研究對象，進行了雙層板脫粘缺陷聲發(fā)射檢測試驗。首先，提出了區(qū)域定位法和最小二乘法多傳感器的組合定位方法，實現(xiàn)了對多個脫粘缺陷的同時有效定位；其次，基于對聲發(fā)射信號總能量經(jīng)歷圖和總振鈴計數(shù)經(jīng)歷圖的分析，有效識別了脫粘缺陷的萌生階段和局部區(qū)域的快速脫離階段；最后，驗證了聲發(fā)射檢測方法對ITER包層結(jié)構(gòu)中脫粘缺陷檢測的有效性。

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Detection of Debonding Damage of ITER Blanket Based on Acoustic Emission Method

XIE She-juan, MA Xiang-feng, CHEN Ling-li, ZHAO Ying, CHEN Zhen-mao

(Shaanxi Engineering Research Center of NDT and Structural Integrity Evaluation, State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China)

The blanket is one of the key parts of ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Debonding damage is a kind of major damage types of the first wall in blanket structure, therefore the nondestructive testing of debonding damage is of great significance to the safe running of ITER. In this paper, AE (acoustic emission) method is proposed for the detection of debonding damage generation and propagation. The AE experimental setup is established and AE experiment is conducted for debonding damage detection in double-layer plate structure. The damages are effectively located using multi-sensor localization method based on the region localization and least squares principle. Finally, the feasibility of debonding damage detection in ITER blanket using AE method is validated.

Acoustic Emission; ITER blanket; Debonding damage; Damage localization

2016-06-22

國家磁約束聚變資助項目(2013GB113005);國家自然科學基金資助項目(51407132, 51277139, 51577139)

解社娟(1983-)，女，副教授，主要研究方向為電磁無損檢測與斷裂力學。

陳玲莉(1955-)，女，教授，主要研究方向為結(jié)構(gòu)動力學與損傷檢測，E-mail: wwchen@mail.xjtu.edu.cn。

10.11973/wsjc201610001

TG115.28

A

1000-6656(2016)10-0001-05