声发射技术在电力设备上的应用

声发射技术在电力设备上的应用

李文春赵长庆李宁

（北京市特种设备检测中心北京市100029）

摘要：声发射技术是一门新兴技术，它能对材料进行实性大量的实践证明，声发射技术具有很．强的实用。

关键词：声发射；电力；设备

声发射检测技术是电力设备实现状态检修的重要技术手段之一。声发射是指物体在受到形变或外界作用时，因迅速释放弹性能量而产生瞬态应力波的一种物理现象。作为一种整体检测技术，通过按一定阵列布置少量固定不动的传感器，声发射仪就可获得被检对象中声源在检测过程中的一切信息，并可确定声源的位置，这为实际检测和评价工作带来了极大的方便[1]。

1.声发射检测技术

声发射检测技术是最近几年兴起的一种利用接收声发射信号进行检测的技术，其与其他无损检测技术最大的区别就是动态性，这就奠定了该技术诸多的优点：能检测出活动性缺陷；提供整体性、大范围快速检测；可根据载荷、时间、温度等变化信息开展在线监控和检测；适用于其他方法无法开展环境下的检测和受限复杂形状结构的检测。声发射技术目前在诸多电力设备无损检测中得到了广泛的应用，其中一个重要方向就是对变压器、GIS、绝缘子等设备局部放电进行检测，其与传统局部放电检测方法的有效结合提高了无损检测效率。以绝缘子放电检测为例，绝缘子放电时将空气瞬间击穿，使空气急剧膨胀，膨胀结果以声波的形式向外传播形成声源，利用声发射技术对该声源进行定位，从测出绝缘子的放电位置，可实现绝缘子的长期在线检测。可以看出声发射技术动态检测优势较为明显，能够全过程监测缺陷的产生、扩展到破坏，因此，该检测技术特别适合电力设备的在线监测。

可想而知，在电力设备状态检修的大发展趋势下，能适用于在线监测的声发射技术将开辟更宽广的天地。

2.检验阀门的严密性

阀门发生内漏或不严密时对火电厂和核电站的运行危害很大，如主汽阀、调节汽阀、中联阀、抽汽逆止阀等不严密时就可能引起汽轮机超速。有些阀门，如各种疏水阀、给水旁路阀等发生内漏时会影响机组热经济性。可见，在运行状态下和机组启、停前检查阀门的泄漏情况是非常重要的[2]。

利用声发射技术，在检测阀门严密性方面研制出声发射检漏仪，它可在运行过程中检验阀门是否严密，及时发现有事故隐患的阀门并及时进行修复；在停机前检验，可确定哪些阀门该修，哪些不该修；在启机前检验，可发现影响安全运行的阀门是否正常，保证机组的安全经济运行。当阀门的严密性较差时，总有少量汽或水经过阀门的缝隙喷射而出产生高速射流，此高速流体对管壁产生冲击而激发弹性波，即产生声发射信号。

3.检测钢铁件微观损伤与残余应力

钢铁材料使用过程中，有时会出现破坏造成事故，其原因并非使用不当，而是内部损伤和残余应力所致。对于机械、桥梁、机车和铁轨等大型钢铁件，由于经常受到大负荷冲击，产生破坏更为频繁。对在役工件，即使在弹性变形范围内使用，也会产生微观损伤。服役时间较长的钢铁件，微观损伤和残余应力将不断积累，到一定程度后将导致破坏。因此，经常无损地监测微观损伤和残余应力是非常必要的。

铁磁材料中，磁畴的运动引起磁声发射(MAE)。反过来，MAE的产生和传播又受到磁畴壁运动的影响。然而，磁畴壁运动要受到材料内部结构、缺陷和应力等诸因素的影响。MAE对材料内的微观损伤和残余应力十分敏感，通过对MAE强度变化，就可以探知材料中的微观损伤和残余应力状态。

4.声发射技术用于诊断发动机活塞与缸套间磨损的故障

发动机活塞与气缸套间的磨损过程是一个比较复杂的过程。在磨损过程中，声发射信号通过材料的结构相变、相互配合表面冲击作用的微过程、磨损带的破坏、相互作用表面层间不断扩展的微裂纹及其磨损颗粒的迁移等作用而产生。声发射能量与发动机转速、活塞与缸套间隙、气体爆发压力及曲柄、连杆、活塞和缸套的结构尺寸等参数有关[3]。根据活塞撞击气缸套的特性原理，随着转速的增强，活塞对气缸套的撞击力增加，声发射源的活动性增强，使其产生的声发射总能量增加。

活塞与气缸套间隙不断增大，即磨损量不断增加时，活塞对气缸套的撞击更加剧烈，声发射信号强度将不断增加。发动机活塞与缸套间不同磨损状态与声发射信号有良好的对应关系，即使在发动机早期磨损阶段，声发射信号时域和频域指示对磨损状态变化的反映也比较敏感，且易于捉取，在现象诊断中，可以同时考虑时域及频域指标，取不同的权函数进行综合诊断。

5.汽轮机动静摩擦监测

汽轮机运行状态可用许多状态参数表示，可以代表汽轮机安全运行状态的参数主要有两个：即转子振动与摩擦。转子振动可以引起摩擦，摩擦也可能引起振动。由于摩擦很难监测，电厂通常根据汽轮机振动信号来间接监测动静摩擦故障，但由于测振仪表的局限性及转子质量较大等原因，效果不理想，有时汽轮机发生了严重的摩擦，而振动表指示值根本没变或者变化很小。故寻找一种可直接监测汽轮机动静摩擦的方法成为必然[4]。

金属摩擦时，在金属表面的金属晶格将发生变化，在这个过程中，它释放出来的能量以弹性波的形式释放出来，产生声发射。根据摩擦产生的声发射信号特点，判断摩擦的程度，这样可以弥补现有汽轮机故障监测系统的不足。如果与振动信号共同使用，可监测汽轮机大部分的故障，对提高机组运行安全性有一定作用。

6.声发射信号预处理方法研究

由于独立分量分析是遵循统计独立原则，因此统计独立衡量成为独立分量分析算法的关键。目前针对独立性度量的方法在，主要有以下几种：互信息量极小化判据、非高斯性极大判据、高阶统计量判据、极大似然判据。针对独立分量分析的优化算法，主要思考的是采用哪种优化算法实现这个目标。换一种方法而言，独立分量分析等同于优化判据加上优化方法。

针对独立分量分析算法的预处理，通过对各种算法进行比较分析发现，高阶统计量法虽然计算简单，但是对噪声的突变值十分敏感，导致处理效果不理想。在基于信息论的独立分量分析算法第一步进行盲源信号的预处理，后采用各种后续独立分量分析算法[5]。两者结合考虑，提出一种新的处理理念。首先对含有噪声的盲源信号进行分析预处理，将原有的白化处理中使用到的主分量分析方法替换掉，针对分析的参数估计问题采用基于期望极大化算法进行极大似然估计法的参数估计。

7.总结

近年来，我国声发射技术在研究、应用的深度和广度上都有比较大的发展。作为一种动态的整体检测技术，其必将在电力设备的监测与诊断方面得到广泛的应用。

参考文献:

[1]王敏，窦洪．超声相控阵技术在电力工业无损检测中的应用[J]．广东电力，2016，(12):85-86.

[2]王达达，魏杰，于虹，等．x射线数字成像对GIS设备的无损检测[J]，云南电力技术，2017，(2):144-146.

[3]王进，杨迎春，昊章勤，等．电网设备无损检测新技术应用[J]．云南电力技术，2016，(5):52-53.

[4]杨明纬.声发射检测［M］.北京：机械工业出版社.2015.

[5]李杰，刘利剑.声发射技术在压力容器无损检测中的应用.化学工程与装备.2016,14(2):71-72.