声发射检测技术应用深度解析：从材料表征到结构完整性评价

声发射检测技术（Acoustic Emission Testing, AET）的应用领域早已超越了传统的金属与复合材料范畴，其触角已延伸至陶瓷、岩石、混凝土乃至木材、骨骼等各类固体材料及其结构件的健康监测。这项技术的应用图谱极为广阔，主要可归纳为五大方向：材料性能表征、构件结构完整性评价、运行与工艺过程监视、声-超声融合技术应用以及泄漏检测。如今，从航空航天、船舶兵器到石油化工、核电能源，再到建筑、地质、电力、医学及矿山港口，声发射技术正成为保障安全、优化工艺的关键一环。

材料表征：聆听材料内部的微观“絮语”

在材料科学的实验室里，声发射技术作为一种研究工具，其应用历史源远流长。通过在材料表征试验中同步进行声发射监测，研究人员得以在宏观的力学特性与微观的损伤机制之间建立起一座桥梁。这通常服务于两个核心目的：一是深入分析并评价材料在受力过程中的变形与断裂机制及力学行为；二是通过大量试验，为后续的构件无损评价建立起一个内容广泛、数据可靠的声发射特性数据库。可以说，对材料声发射特征的精准表征，是该技术走向工程应用不可或缺的基础工作。

表1 总结了声发射技术在材料表征方面的典型应用。

表1 材料表征方面的声发射技术应用

结构件完整性评价：守护关键装备的“生命线”

对压力容器、储罐、管道等承压类特种设备进行结构完整性评价，是声发射技术最核心、最成熟的应用领域。整个评价过程贯穿于设备的全生命周期，具体可分为新制品验收检测、在役定期检测以及运行中的连续监视。

适用范围与核心价值

声发射检测在结构完整性评价中的角色，根据设备所处阶段的不同而有所侧重，具体见表2。

表2 结构完整性评价的适用范围

对于新制品的验收，声发射检测主要扮演“补充者”和“攻坚者”的角色。因为常规无损检测方法在许多情况下已能提供满意的结果，声发射的优势体现在那些常规方法难以施展或有特殊要求的场合，例如复合材料构件、多层容器、航空航天领域的气瓶和发动机壳体等。

相比之下，在役构件的维修检测是声发射技术应用最广泛、经济效益最显著的领域。它能有效发现服役期间新生的缺陷，为石油化工、交通运输等行业的压力容器、储罐、管道、桥梁等提供了重要的安全保障。

而对于运行中的连续监视，尽管面临环境噪声干扰等技术挑战，但由于尚无其他更有效的替代方法，声发射技术在重大事故隐患的早期预报方面受到了高度重视。

结构完整性监视的核心目标是定位出关键结构缺陷的所在区域。一旦发现声发射活动超标的区域，通常需要采用其他无损检测方法（如超声、射线）进行复检，以进一步明确缺陷的性质和尺寸，从而为设备的验收、继续使用、降载使用、修复或报废提供决策依据。

声发射检测的一大突出优点在于，它能够替代或极大辅助其他检测方法。尤其是在役或连续监视中，它无需进行繁琐的大面积扫查，甚至不必拆除外部的保温层或排空内部介质，从而大大缩小了常规复检的范围，显著缩短甚至避免了停产周期，其带来的安全和经济效益是巨大的。

当然，合理的加载方式是检测成功的关键。验收检测多利用既有的加载程序；在役检测通常施加超过工作压力10%的过载；而运行中的短期监视则可利用设备启停或运行压力波动。对于某些特殊设备，如核电站蒸汽管路，还可以利用加热或冷却周期产生的热应力作为加载源。

需要强调的是，声发射检测通常只有一次加载机会，且数据解释与评定相对复杂，这对检测人员的技术水平和经验提出了极高要求。因此，专业的技术培训和资格认证至关重要。我国原航天工业总公司、劳动部等单位早已将声发射检测人员纳入无损检测人员资格鉴定与认证体系。

金属结构件应用实例

(1) 钛合金气瓶

钛合金气瓶的检测是声发射技术用于新制品批量验收试验的经典案例。这类气瓶的关键缺陷是常规方法难以检出的偏析类组织缺陷。自1980年代以来，声发射检测被相继写入企业、行业乃至国家军用标准，在液压验收工序中扮演着不可替代的角色，用于评定结构完整性等级、剔除次品以及指导批次抽检爆破。

这种气瓶通常由两个半球对接焊而成，典型直径约340mm，壁厚3-4mm。检测时，传感器常采用面阵列布置在赤道焊缝附近，以便在定位图上清晰区分焊缝区和母材区的信号。

图1 钛气瓶声发射检测装置示意

典型检测参数：

• 检测门槛：40dB
• 传感器谐振频率：150kHz
• 滤波器带宽：100-350kHz
• 传感器灵敏度：约65dB (相对于1V/(m/s))
• 系统一致性：各通道对Φ0.5mm的2H笔芯标准模拟源响应幅度偏差应在±2dB以内。
• 定位精度：优于传感器间距的5%。

加压过程采用电动或手动试压泵，加压速率控制在0.2MPa/s以下，升压时间大于2分钟，并在验收压力下保压10分钟。压力信号同步接入声发射主机，与声发射数据一同记录。

图2 典型钛合金气瓶声发射结果图

爆破验证清晰地表明，声发射源的级别与缺陷严重程度及最终破坏压力有很强的关联性。例如，I级气瓶断口组织正常，均能达到设计压力；而III级气瓶则暴露出宏观偏析或焊接缺陷，破坏压力低于设计值。在批量生产中，III级通常作为拒收基准，并从II级中选取表现最差的气瓶进行抽爆，为整批产品的验收提供依据。

(2) 车载无缝气瓶

美国运输部（DOT）使用无缝管状气瓶拖车（如下图）运输工业气体。每个拖车装载多达12个铬钼钢气瓶，直径约54cm，长达10m，工作压力高达18.2MPa，每年充气次数可达100次。原规定每5年进行一次水压试验，但这种方式很难检出使用中萌生的疲劳裂纹。

图3 车载无缝气瓶拖车实例

为此，声发射检测被整合到日常充装操作中。在进行10%超压加载时，利用声发射技术监测裂纹的亚临界扩展。

图4 车载气瓶声发射检测流程

检测采用线阵列，将传感器置于气瓶两端。若在特定区域（如圆柱段轴向20cm范围内）的声发射事件计数超过规定值，则立即使用超声波进行局部复检。一旦确认裂纹深度超出断裂力学评定的允收标准，该气瓶将被立即拆除。

(3) 金属压力容器与储罐

金属压力容器与储罐因其数量庞大、安全风险高、常规检测成本高昂，一直是国内外声发射检测的重点对象。

上世纪70年代，美国已尝试检测了超过600件容器，但受限于当时的技术和经验，成功率有限。到了80年代，孟山都（Monsanto）公司经过多年攻关，在信号分析、源定位方式、加载程序和评价判据等方面取得重大突破。例如，针对大型容器，放弃了易受衰减影响而导致数据丢失的时差定位法，转而采用更稳健的区域定位。评价判据也发展得更为丰富，综合考量恒载声发射、计数率、事件数、高幅事件数及能量等多个参数。至1988年，该公司已检测超过2000个压力容器和储罐，成功检出了大量包括腐蚀、应力腐蚀裂纹、焊接缺陷在内的结构问题，避免了重大事故，创造了千万美元级的经济效益。1988年，该方法被正式纳入ASME锅炉与压力容器规范，成为一项标准的工业无损检测方法。

在我国，面对近百万台在役压力容器和储罐，自80年代中期起，相关行业单位也积极开展了大量的现场应用和标准化工作。至今已检测了超过400台各类容器和储罐，涵盖了石化、化肥、炼油、橡胶、造纸等多个行业，取得了显著的经济效益。1994年，声发射检测被正式列为《劳动人事部锅炉压力容器规范》中可采用的无损检测方法之一。

图5 几种典型压力容器的传感器布置实例

图6 球罐声发射检测现场

图7 压力容器液压试验时的声发射源定位结果图

从上述案例可以看出，声发射检测方案的设计、执行以及数据解读都包含了深厚的专业知识和实践经验。要获得可靠的检测结果，离不开对设备结构、材料特性、加载方式和信号处理的综合把握。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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(4) 金属桁架结构件

在国内，声发射技术应用于金属桁架结构件的时间不长，主要集中在大型设备如梁式起重机、港口火车翻车机、装船机等。

图8 港口翻车机外观

图9 装船机声发射检测现场

这类结构的检测通常需要多通道声发射系统，并根据尺寸和结构特点采用线定位技术，在设备工作状态下对关键节点进行长时间监测，依据定位结果和信号幅度来判断损伤的严重程度。

复合材料构件检测

复合材料因其复杂的成型工艺（如整体固化、混合连接），其性能再现性较差，且内部缺陷类型繁多，许多是传统无损检测方法无法探知的。这些缺陷在后续考核试验中极易引发低应力损伤甚至不可修复的破坏。近年来，我国的声发射技术应用也正向先进复合材料检测方向扩展，典型实例包括加筋壳支架、固体发动机壳体、直升机垂尾和旋翼等。其主要目的有三：在考核试验中防止灾难性破坏、进行结构完整性评定以及深入分析损伤过程。

(1) 玻璃钢（GRP）压力容器、储罐、管道

上世纪70年代，美国化工行业发生了多起玻璃钢容器和储罐的破坏事故，这些事故多与选材、设计、运输及制造缺陷有关，而当时又缺乏有效的无损检测手段。1978年，美国塑料工业协会（SPI）成立了专门的委员会，经过数年攻关，于1982-1983年相继制定了针对玻璃钢压力容器、储罐和管道的声发射检测标准，并随后被纳入ASTM和ASME规范。

图10 玻璃钢容器与储罐的破坏事故次数随年度分布

成果是惊人的。至1986年，已有超过7000件容器储罐和10000件管道接受了检测。自1979年推行100%声发射检测后，破坏事故基本被消除（如图10所示），取得了巨大的社会经济效益。

这类检测通常采用区域定位，根据构件尺寸使用6至30个传感器通道。一个显著特点是同时采用高频（约150kHz）和低频（约30kHz）两种谐振式传感器，前者布置在接头、管嘴、人孔等高应力区，后者则用于大范围的非关键部位。

图11 玻璃钢压力容器与储罐的典型加载程序

图12 玻璃钢压力容器与储罐的典型加载程序（续）

评价判据也颇具特色，主要包括恒载声发射、费利西蒂比（Felicity Ratio）、振铃计数和高幅度事件计数等。

(2) 加筋壳类复合材料声发射检测

下图展示了碳纤维/环氧树脂（CFRP）复合材料加筋壳支架的声发射传感器布置实例。

图13 加筋壳传感器布置图（图中O为传感器位置）

检测采用8通道系统进行区域定位，传感器优先布置在几何不连续处、窗口、修复区等结构薄弱部位。

检测参数与设置：

• 前置放大器增益：40dB
• 检测门槛：60dB
• 滤波器带宽：100-350kHz
• 传感器谐振频率：150kHz
• 可探测半径：约40cm

加载程序采用分级轴压方式，当首次加载的声发射特性超标时，会进行第二次加载以作进一步评估。

图14 加筋壳支架加载程序

其评定参考基准见表3，这是一个典型的结合多种声发射参数进行综合评判的例子。

表3 加筋壳声发射评定参考基准

通过这些具体的应用案例，我们可以看到，声发射检测已从一门实验室科学，发展成为解决工业现场实际问题的强大工程技术。无论是确保新制品的质量，还是保障在役设备的安全运行，它都提供了独特而不可或缺的视角。