分享：槽式光熱裝置典型金屬材料高溫?zé)嵫h(huán)工況下的聲發(fā)射特性分析

太陽(yáng)能熱發(fā)電（Concentrating solar power，CSP）是一種將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，再經(jīng)由熱功轉(zhuǎn)換過(guò)程實(shí)現(xiàn)發(fā)電的系統(tǒng)[1]，屬于新興清潔能源。與光伏、風(fēng)電相比，光熱發(fā)電具有長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)，能夠24 h連續(xù)且平穩(wěn)地發(fā)電，對(duì)電網(wǎng)友好，不存在棄風(fēng)、棄光的問(wèn)題，是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要支撐性技術(shù)，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有著重要意義[2]。槽式光熱是全球范圍內(nèi)最早投入使用且裝機(jī)容量最大的太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)，其運(yùn)行原理[3]為：聚光器通過(guò)單軸跟蹤太陽(yáng)，將投射在鏡面的陽(yáng)光反射至位于焦線的吸熱管上，從而加熱管內(nèi)的導(dǎo)熱油，并通過(guò)導(dǎo)熱油蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組做功發(fā)電，如圖1所示。受地球自轉(zhuǎn)的影響，槽式光熱裝置的光照條件每天都會(huì)循環(huán)變化，熔鹽罐、換熱器、導(dǎo)熱油管道等核心設(shè)備的工作溫度在160 ℃至380 ℃的范圍內(nèi)循環(huán)變化。在國(guó)內(nèi)，TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范對(duì)光熱裝置承壓設(shè)備的定期檢驗(yàn)提出了強(qiáng)制要求。由于導(dǎo)熱油在常溫下易凝固堵塞，槽式光熱裝置具有高溫連續(xù)運(yùn)行且溫度循環(huán)變化的特點(diǎn)，所以只能對(duì)其進(jìn)行高溫在線檢測(cè)，而常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)方法難以實(shí)施[4-6]。利用聲發(fā)射（Acoustic emission，AE）檢測(cè)技術(shù)結(jié)合波導(dǎo)桿，可對(duì)高溫承壓設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)[7-8]，但在熱循環(huán)工況下，AE信號(hào)的變化規(guī)律尚不明確，需要進(jìn)一步開(kāi)展試驗(yàn)研究。 

圖  1  槽式光熱裝置工作原理示意

針對(duì)上述難題，文章選取槽式光熱裝置的典型材料（20鋼）試件，在不同溫度下進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，采集試件在彈性、屈服、強(qiáng)化、頸縮等階段的AE信號(hào)，分析AE信號(hào)在拉伸過(guò)程中的歷程分布，總結(jié)AE特征參數(shù)在熱循環(huán)工況下的變化規(guī)律，以完善槽式光熱裝置高溫?zé)嵫h(huán)工況下聲發(fā)射檢測(cè)的評(píng)價(jià)方法。 

1.   試驗(yàn)方案

1.1   試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1.1   試件加工

文章參照了GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第 2 部分：高溫試驗(yàn)方法》的要求，對(duì)槽式光熱裝置的典型材料（20鋼）進(jìn)行了加工，制做出了非比例板狀拉伸試件。拉伸試件及波導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，試件兩端采用銷(xiāo)釘孔軸配合的方式進(jìn)行夾持固定，減少了拉伸過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械噪聲。試件長(zhǎng)度為200 mm，寬度為8 mm，厚度為4 mm，銷(xiāo)孔直徑為10 mm，靠?jī)?nèi)側(cè)的兩處10 mm圓形區(qū)域用于焊接波導(dǎo)桿，波導(dǎo)桿長(zhǎng)度為500 mm。 

圖  2  拉伸試件及波導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)示意

1.1.2   聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)裝置

采用北京聲華公司生產(chǎn)的多通道SAEU3H型聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為信號(hào)監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)試件拉伸過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集、濾波、放大，然后將聲發(fā)射信號(hào)波形顯示出來(lái)，并對(duì)信號(hào)的特征參數(shù)進(jìn)行提取。根據(jù)金屬材料的斷裂特性，選用了兩個(gè)SR150M型傳感器搭配PAS聲發(fā)射前置放大器。試驗(yàn)的采樣頻率為10 MHz，放大器增益為40 dB，探頭工作頻率為 100 kHz~400 kHz，諧振頻率為150 kHz。在該頻段范圍內(nèi)，傳感器具有較高的靈敏度，能有效獲取關(guān)鍵信號(hào)。 

1.1.3   高溫拉伸試驗(yàn)裝置

高溫拉伸試驗(yàn)裝置主要包括MTS E45型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、MTS FGW900型高溫爐及控制器，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖3所示。其中，電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)極限輸出載荷為30 t；高溫爐采用圓筒對(duì)開(kāi)式設(shè)計(jì)，最高加熱溫度為1 100 ℃，誤差為±3 ℃，均能滿足試驗(yàn)的拉伸載荷和溫控精度要求。 

圖  3  拉伸試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置

1.2   聲發(fā)射系統(tǒng)調(diào)試

1.2.1   通道靈敏度和衰減測(cè)試

在試驗(yàn)開(kāi)始之前，依次在1#傳感器、1#波導(dǎo)桿根部、拉伸試件中心點(diǎn)、2#波導(dǎo)桿根部、2#傳感器等位置進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)，同時(shí)記錄兩個(gè)傳感器的幅值，具體數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)傳感器幅值繪制出衰減特性曲線，如圖4所示。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，通道靈敏度滿足檢測(cè)要求，通過(guò)焊接連接的波導(dǎo)桿的透聲效果較好，在拉伸試件中心點(diǎn)處斷鉛信號(hào)的衰減量最大為5.5 dB（對(duì)于1#傳感器）。 

圖  4  傳感器衰減特性曲線

1.2.2   環(huán)境噪聲測(cè)試和通道門(mén)檻值的設(shè)定

開(kāi)啟聲發(fā)射系統(tǒng)主機(jī)，在沒(méi)有拉伸載荷的情況下，采集現(xiàn)場(chǎng)噪聲信號(hào)10 min，經(jīng)測(cè)量，最大環(huán)境噪聲為24 dB。通道門(mén)檻值的設(shè)置會(huì)對(duì)所采集的信號(hào)信息產(chǎn)生影響，若設(shè)置過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵信號(hào)漏檢；若設(shè)置過(guò)低，則會(huì)引入大量噪聲。綜合考慮到此次試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及對(duì)背景噪聲的采集分析結(jié)果，最終將所有通道門(mén)檻值均設(shè)定為30 dB。 

1.2.3   聲速測(cè)試和定位校準(zhǔn)

利用斷鉛信號(hào)的時(shí)差來(lái)進(jìn)行聲速測(cè)試，測(cè)得聲速為3 475 m/s。在聲速設(shè)置后，采用線性定位的方式在拉伸試件的多個(gè)部位進(jìn)行定位校準(zhǔn)，均得到唯一的定位結(jié)果，定位誤差滿足試驗(yàn)要求。 

1.3   高溫拉伸試驗(yàn)

試驗(yàn)在中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院常規(guī)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，將制做的高溫拉伸試件安裝在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，并確保安裝牢固。將波導(dǎo)桿一端與被檢試件以焊接的方式相連，另一端與聲發(fā)射傳感器進(jìn)行耦合，并連接前置放大器和聲發(fā)射系統(tǒng)主機(jī)。 

1.3.1   溫度控制

為模擬高溫循環(huán)工況，文章分別選取槽式光熱裝置的溫度上限（400 ℃）、下限（150 ℃）和中間值（275 ℃）進(jìn)行試驗(yàn)，并與常溫下（25 ℃）的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。升溫前，在拉伸試件兩端固定熱電偶，通過(guò)高溫控制系統(tǒng)將試件升至目標(biāo)溫度并保溫。 

1.3.2   拉伸參數(shù)設(shè)置

在試件達(dá)到目標(biāo)溫度后，啟動(dòng)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展靜載拉伸試驗(yàn)，記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲線，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)拉伸參數(shù)設(shè)置如表2所示。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果與分析

開(kāi)啟升溫系統(tǒng)，通過(guò)聲發(fā)射系統(tǒng)，記錄試件在25 ℃，150 ℃，275 ℃，400 ℃下從拉伸至斷裂全過(guò)程的AE信號(hào)，并采集幅值、能量、持續(xù)時(shí)間、振鈴計(jì)數(shù)、上升時(shí)間、上升計(jì)數(shù)等AE特征參數(shù)。 

2.1   AE參數(shù)時(shí)間歷程分布分析

以25 ℃時(shí)的拉伸試驗(yàn)為例，繪制幅值、振鈴計(jì)數(shù)和拉伸載荷隨時(shí)間歷程的分布曲線，如圖5所示。鑒于上升計(jì)數(shù)、上升時(shí)間、能量和持續(xù)時(shí)間等AE參數(shù)隨時(shí)間歷程的分布規(guī)律不明顯，文章不展開(kāi)分析。 

圖  5  25 ℃時(shí)的試件AE特征參數(shù)歷程分布曲線

由圖5可知，試件拉伸過(guò)程可分為以下4個(gè)階段：線彈性變形、塑性屈服、加工硬化、頸縮斷裂。以2#傳感器為例，在整個(gè)拉伸過(guò)程中共產(chǎn)生1 565次撞擊，其AE特征如下。 

（1）線彈性變形階段。該階段發(fā)生于0~27 s，期間產(chǎn)生335次撞擊，撞擊率約為12.4次/s，幅值集中分布在30~60 dB，振鈴計(jì)數(shù)則集中分布在0~4 200。 

（2）塑性屈服階段。該階段發(fā)生于27~64 s，期間產(chǎn)生1 458次撞擊，撞擊率約為39.4次/s，幅值集中分布在32~40 dB，振鈴計(jì)數(shù)集中分布在2 300~3 600，其下限值明顯高于線彈性變形階段的，具有明顯的聚集效應(yīng)，與其他階段相比，區(qū)分度較大。 

（3）加工硬化階段。該階段發(fā)生于64~454 s，期間產(chǎn)生962次撞擊，撞擊率約為2.5次/s，幅值集中分布在30~60 dB，振鈴計(jì)數(shù)集中分布在0~2 000，無(wú)明顯特點(diǎn)。 

（4）頸縮斷裂階段。該階段發(fā)生于454~582 s，僅產(chǎn)生11次撞擊，撞擊率約為0.085次/s，信號(hào)較少，但強(qiáng)度較大，最大幅值為97.6 dB，最大振鈴計(jì)數(shù)為4 839，推斷與斷裂有關(guān)。 

以150 ℃，275 ℃，400 ℃下的高溫拉伸試驗(yàn)為例，繪制幅值、振鈴計(jì)數(shù)和拉伸載荷隨時(shí)間歷程的分布曲線，如圖6至圖8所示。由圖6至圖8可知，隨著溫度升高，材料從彈性變形到塑性變形的過(guò)渡愈發(fā)平緩，屈服階段逐漸消失，但幅值和振鈴計(jì)數(shù)等參數(shù)仍然能夠表征屈服過(guò)程。例如，在150 ℃時(shí)，可以觀察到屈服階段發(fā)生在28~66 s，此時(shí)幅值和振鈴計(jì)數(shù)有明顯的聚集分布；而在275 ℃和400 ℃時(shí)，雖然觀察不到屈服過(guò)程，但可以通過(guò)上述AE參數(shù)的聚集分布情況推斷屈服發(fā)生的時(shí)間。 

圖  6  150 ℃時(shí)的試件AE特征參數(shù)歷程分布曲線

圖  7  275 ℃時(shí)的試件AE特征參數(shù)歷程分布曲線

圖  8  400 ℃時(shí)的試件AE特征參數(shù)歷程分布曲線

2.2   高溫?zé)嵫h(huán)工況下的AE撞擊信號(hào)分析

綜合利用拉伸載荷-時(shí)間曲線和AE參數(shù)的聚集規(guī)律，對(duì)不同溫度下拉伸試件的AE撞擊信號(hào)分布進(jìn)行了分析推斷，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示，并計(jì)算出了單位時(shí)間內(nèi)的AE撞擊率，結(jié)果如表4所示。 

由表3，4可知，隨著試驗(yàn)溫度升高，AE信號(hào)變得更加豐富，AE撞擊的總數(shù)量也有所增加。在不同的試驗(yàn)溫度下，具有以下規(guī)律。 

（1）在25 ℃~275 ℃時(shí)，線彈性變形和塑性屈服階段的信號(hào)活度更高，達(dá)到了12次/s~26次/s，比加工硬化和頸縮斷裂階段的要高一個(gè)量級(jí)。因此，可以利用AE撞擊率來(lái)判斷材料是否經(jīng)過(guò)了屈服階段。 

（2）在400 ℃時(shí)，材料從彈性變形到塑性變形的過(guò)渡更加平緩，與低溫時(shí)相比，加工硬化和頸縮斷裂階段的AE撞擊率有明顯上升。 

3.   結(jié)論

文章對(duì)槽式光熱裝置的典型材料（20鋼）試件在 25 ℃，150 ℃，275 ℃，400 ℃下分別進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。采集試件在彈性、屈服、強(qiáng)化、頸縮4個(gè)階段的AE信號(hào)，并對(duì)AE信號(hào)隨拉伸過(guò)程的歷程分布進(jìn)行分析，得出了以下結(jié)論。 

（1）幅值和振鈴計(jì)數(shù)在材料屈服過(guò)程中表現(xiàn)出較高的敏感性，且呈現(xiàn)出明顯的聚集效應(yīng)。該特性為利用其參數(shù)特征規(guī)律對(duì)槽式光熱承壓設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)提供了有力依據(jù)。 

（2）在25 ℃至275 ℃的范圍內(nèi)，線彈性變形和塑性屈服階段的AE信號(hào)活度較高，其撞擊率達(dá)到12次/s至26次/s，顯著高于加工硬化和頸縮斷裂階段的?；诖?，可以借助AE撞擊率準(zhǔn)確判斷材料是否經(jīng)歷了屈服階段。 

（3）在400 ℃時(shí)，材料從彈性變形到塑性變形的過(guò)渡更為平緩，同時(shí)加工硬化和頸縮斷裂階段的AE撞擊率相較于低溫時(shí)的有明顯上升。 

綜上所述，文章結(jié)論對(duì)于完善槽式光熱裝置在高溫?zé)嵫h(huán)工況下的聲發(fā)射檢測(cè)評(píng)價(jià)方法具有參考意義。

文章來(lái)源——材料與測(cè)試網(wǎng)