圖 1 槽式光熱裝置工作原理示意
分享：槽式光熱裝置典型金屬材料高溫熱循環工況下的聲發射特性分析
太陽能熱發電（Concentrating solar power，CSP）是一種將太陽能轉化為熱能，再經由熱功轉換過程實現發電的系統[1]，屬于新興清潔能源。與光伏、風電相比，光熱發電具有長時儲能的優勢，能夠24 h連續且平穩地發電，對電網友好，不存在棄風、棄光的問題，是構建新型電力系統的重要支撐性技術，對我國實現“雙碳”目標有著重要意義[2]。槽式光熱是全球范圍內最早投入使用且裝機容量最大的太陽能熱發電技術，其運行原理[3]為：聚光器通過單軸跟蹤太陽，將投射在鏡面的陽光反射至位于焦線的吸熱管上，從而加熱管內的導熱油，并通過導熱油蒸汽發生器產生過熱蒸汽，驅動汽輪機發電機組做功發電，如圖1所示。受地球自轉的影響，槽式光熱裝置的光照條件每天都會循環變化，熔鹽罐、換熱器、導熱油管道等核心設備的工作溫度在160 ℃至380 ℃的范圍內循環變化。在國內，TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》等特種設備安全技術規范對光熱裝置承壓設備的定期檢驗提出了強制要求。由于導熱油在常溫下易凝固堵塞，槽式光熱裝置具有高溫連續運行且溫度循環變化的特點，所以只能對其進行高溫在線檢測，而常規的無損檢測方法難以實施[4-6]。利用聲發射（Acoustic emission，AE）檢測技術結合波導桿，可對高溫承壓設備進行檢測[7-8]，但在熱循環工況下，AE信號的變化規律尚不明確，需要進一步開展試驗研究。
針對上述難題，文章選取槽式光熱裝置的典型材料（20鋼）試件，在不同溫度下進行高溫拉伸試驗，采集試件在彈性、屈服、強化、頸縮等階段的AE信號，分析AE信號在拉伸過程中的歷程分布，總結AE特征參數在熱循環工況下的變化規律，以完善槽式光熱裝置高溫熱循環工況下聲發射檢測的評價方法。
1. 試驗方案
1.1 試驗準備
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 第 2 部分：高溫試驗方法》的要求，對槽式光熱裝置的典型材料（20鋼）進行了加工，制做出了非比例板狀拉伸試件。拉伸試件及波導桿結構示意如圖2所示，試件兩端采用銷釘孔軸配合的方式進行夾持固定，減少了拉伸過程中產生的機械噪聲。試件長度為200 mm，寬度為8 mm，厚度為4 mm，銷孔直徑為10 mm，靠內側的兩處10 mm圓形區域用于焊接波導桿，波導桿長度為500 mm。
圖 2 拉伸試件及波導桿結構示意
1.1.2 聲發射信號監測裝置
采用北京聲華公司生產的多通道SAEU3H型聲發射數據采集系統作為信號監測裝置，對試件拉伸過程中產生的聲發射信號進行采集、濾波、放大，然后將聲發射信號波形顯示出來，并對信號的特征參數進行提取。根據金屬材料的斷裂特性，選用了兩個SR150M型傳感器搭配PAS聲發射前置放大器。試驗的采樣頻率為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，傳感器具有較高的靈敏度，能有效獲取關鍵信號。
1.1.3 高溫拉伸試驗裝置
高溫拉伸試驗裝置主要包括MTS E45型電子萬能試驗機、MTS FGW900型高溫爐及控制器，試驗現場布置如圖3所示。其中，電子萬能試驗機極限輸出載荷為30 t；高溫爐采用圓筒對開式設計，最高加熱溫度為1 100 ℃，誤差為±3 ℃，均能滿足試驗的拉伸載荷和溫控精度要求。
圖 3 拉伸試驗現場布置
1.2 聲發射系統調試
1.2.1 通道靈敏度和衰減測試
在試驗開始之前，依次在1#傳感器、1#波導桿根部、拉伸試件中心點、2#波導桿根部、2#傳感器等位置進行斷鉛試驗，同時記錄兩個傳感器的幅值，具體數據如表1所示。根據傳感器幅值繪制出衰減特性曲線，如圖4所示。測試數據表明，通道靈敏度滿足檢測要求，通過焊接連接的波導桿的透聲效果較好，在拉伸試件中心點處斷鉛信號的衰減量最大為5.5 dB（對于1#傳感器）。
Table 1. 通道靈敏度和衰減測試數據
| 位置 | 1#傳感器幅值 | 2#傳感器幅值 |
|---|---|---|
| 1#傳感器位置 | 92.9 | 92.9 |
| 1#波導桿根部 | 94.7 | 93.7 |
| 拉伸試件中心點 | 87.4 | 87.8 |
| 2#波導桿根部 | 86.3 | 87.1 |
| 2#傳感器位置 | 75.5 | 77.0 |
圖 4 傳感器衰減特性曲線
1.2.2 環境噪聲測試和通道門檻值的設定
開啟聲發射系統主機，在沒有拉伸載荷的情況下，采集現場噪聲信號10 min，經測量，最大環境噪聲為24 dB。通道門檻值的設置會對所采集的信號信息產生影響，若設置過高，會導致關鍵信號漏檢；若設置過低，則會引入大量噪聲。綜合考慮到此次試驗的現場環境以及對背景噪聲的采集分析結果，最終將所有通道門檻值均設定為30 dB。
1.2.3 聲速測試和定位校準
利用斷鉛信號的時差來進行聲速測試，測得聲速為3 475 m/s。在聲速設置后，采用線性定位的方式在拉伸試件的多個部位進行定位校準，均得到唯一的定位結果，定位誤差滿足試驗要求。
1.3 高溫拉伸試驗
試驗在中國特種設備檢測研究院常規力學性能實驗室內進行，將制做的高溫拉伸試件安裝在電子萬能試驗機上，并確保安裝牢固。將波導桿一端與被檢試件以焊接的方式相連，另一端與聲發射傳感器進行耦合，并連接前置放大器和聲發射系統主機。
1.3.1 溫度控制
為模擬高溫循環工況，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 ℃）進行試驗，并與常溫下（25 ℃）的試驗結果進行比對。升溫前，在拉伸試件兩端固定熱電偶，通過高溫控制系統將試件升至目標溫度并保溫。
1.3.2 拉伸參數設置
在試件達到目標溫度后，啟動電子萬能試驗機開展靜載拉伸試驗，記錄應力-應變曲線，萬能試驗機拉伸參數設置如表2所示。
Table 2. 拉伸試驗萬能試驗機參數設置
| 溫度/℃ | 載荷控制方式 | 拉伸速率/（mm · min－1） |
|---|---|---|
| 25 | 恒定速率軸向位移 | 2 |
| 150 | ||
| 275 | ||
| 400 |
2. 試驗結果與分析
開啟升溫系統，通過聲發射系統，記錄試件在25 ℃，150 ℃，275 ℃，400 ℃下從拉伸至斷裂全過程的AE信號，并采集幅值、能量、持續時間、振鈴計數、上升時間、上升計數等AE特征參數。
2.1 AE參數時間歷程分布分析
以25 ℃時的拉伸試驗為例，繪制幅值、振鈴計數和拉伸載荷隨時間歷程的分布曲線，如圖5所示。鑒于上升計數、上升時間、能量和持續時間等AE參數隨時間歷程的分布規律不明顯，文章不展開分析。
圖 5 25 ℃時的試件AE特征參數歷程分布曲線
由圖5可知，試件拉伸過程可分為以下4個階段：線彈性變形、塑性屈服、加工硬化、頸縮斷裂。以2#傳感器為例，在整個拉伸過程中共產生1 565次撞擊，其AE特征如下。
（1）線彈性變形階段。該階段發生于0~27 s，期間產生335次撞擊，撞擊率約為12.4次/s，幅值集中分布在30~60 dB，振鈴計數則集中分布在0~4 200。
（2）塑性屈服階段。該階段發生于27~64 s，期間產生1 458次撞擊，撞擊率約為39.4次/s，幅值集中分布在32~40 dB，振鈴計數集中分布在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，與其他階段相比，區分度較大。
（3）加工硬化階段。該階段發生于64~454 s，期間產生962次撞擊，撞擊率約為2.5次/s，幅值集中分布在30~60 dB，振鈴計數集中分布在0~2 000，無明顯特點。
（4）頸縮斷裂階段。該階段發生于454~582 s，僅產生11次撞擊，撞擊率約為0.085次/s，信號較少，但強度較大，最大幅值為97.6 dB，最大振鈴計數為4 839，推斷與斷裂有關。
以150 ℃，275 ℃，400 ℃下的高溫拉伸試驗為例，繪制幅值、振鈴計數和拉伸載荷隨時間歷程的分布曲線，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渡愈發平緩，屈服階段逐漸消失，但幅值和振鈴計數等參數仍然能夠表征屈服過程。例如，在150 ℃時，可以觀察到屈服階段發生在28~66 s，此時幅值和振鈴計數有明顯的聚集分布；而在275 ℃和400 ℃時，雖然觀察不到屈服過程，但可以通過上述AE參數的聚集分布情況推斷屈服發生的時間。
圖 6 150 ℃時的試件AE特征參數歷程分布曲線
圖 7 275 ℃時的試件AE特征參數歷程分布曲線
圖 8 400 ℃時的試件AE特征參數歷程分布曲線
2.2 高溫熱循環工況下的AE撞擊信號分析
綜合利用拉伸載荷-時間曲線和AE參數的聚集規律，對不同溫度下拉伸試件的AE撞擊信號分布進行了分析推斷，統計結果如表3所示，并計算出了單位時間內的AE撞擊率，結果如表4所示。
Table 3. 試件的AE撞擊信號統計次
| 溫度/℃ | 線彈性變形階段撞擊次數 | 塑性屈服階段撞擊次數 | 加工硬化階段撞擊次數 | 頸縮斷裂階段撞擊次數 | 總計 |
|---|---|---|---|---|---|
| 25 | 335（0~27 s） | 1458（27~64 s） | 962（64~454 s） | 11（454~582 s） | 1 565 |
| 150 | 322（0~27 s） | 782（27~66 s） | 1 199（66~377 s） | 148（377~455 s） | 2 451 |
| 275 | 782（0~30 s） | 136（30~36.7 s） | 1 837（36.7~423 s） | 109（423~565.2 s） | 2 864 |
| 400 | 765（0~24.4 s） | 142（24.4~31.4 s） | 2 563（31.4~200 s） | 2 736（200~502.7 s） | 6 206 |
Table 4. 試件的AE撞擊率統計
| 溫度/℃ | 線彈性變形階段 | 塑性屈服階段 | 加工硬化階段 | 頸縮斷裂階段 |
|---|---|---|---|---|
| 25 | 12.4 | 39.4 | 2.5 | 0.085 |
| 150 | 11.9 | 20.0 | 3.8 | 1.900 |
| 275 | 26.0 | 20.3 | 4.8 | 0.876 |
| 400 | 31.4 | 20.3 | 15.2 | 9.000 |
由表3，4可知，隨著試驗溫度升高，AE信號變得更加豐富，AE撞擊的總數量也有所增加。在不同的試驗溫度下，具有以下規律。
（1）在25 ℃~275 ℃時，線彈性變形和塑性屈服階段的信號活度更高，達到了12次/s~26次/s，比加工硬化和頸縮斷裂階段的要高一個量級。因此，可以利用AE撞擊率來判斷材料是否經過了屈服階段。
（2）在400 ℃時，材料從彈性變形到塑性變形的過渡更加平緩，與低溫時相比，加工硬化和頸縮斷裂階段的AE撞擊率有明顯上升。
3. 結論
文章對槽式光熱裝置的典型材料（20鋼）試件在 25 ℃，150 ℃，275 ℃，400 ℃下分別進行了拉伸試驗。采集試件在彈性、屈服、強化、頸縮4個階段的AE信號，并對AE信號隨拉伸過程的歷程分布進行分析，得出了以下結論。
（1）幅值和振鈴計數在材料屈服過程中表現出較高的敏感性，且呈現出明顯的聚集效應。該特性為利用其參數特征規律對槽式光熱承壓設備進行在線監測提供了有力依據。
（2）在25 ℃至275 ℃的范圍內，線彈性變形和塑性屈服階段的AE信號活度較高，其撞擊率達到12次/s至26次/s，顯著高于加工硬化和頸縮斷裂階段的。基于此，可以借助AE撞擊率準確判斷材料是否經歷了屈服階段。
（3）在400 ℃時，材料從彈性變形到塑性變形的過渡更為平緩，同時加工硬化和頸縮斷裂階段的AE撞擊率相較于低溫時的有明顯上升。
綜上所述，文章結論對于完善槽式光熱裝置在高溫熱循環工況下的聲發射檢測評價方法具有參考意義。
文章來源——材料與測試網
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