基于超聲導波的電站結構健康監(jiān)測.pdf

1、火電站及核電站中很多在役部件（如蒸汽管路、換熱器、汽輪機等）長期處于嚴苛的運行環(huán)境（如高溫、高壓、腐蝕、輻射等）及復雜的運行工況中。在長期的服役過程中，因持續(xù)不斷的腐蝕、蠕變、疲勞、應力等，材料中會出現(xiàn)微觀損傷，隨著時間推移逐漸累積并變?yōu)楹暧^損傷，最終導致材料失效破壞。材料一旦失效破壞，將影響電站安全運行，破壞周圍的環(huán)境，造成巨大的經(jīng)濟損失，甚至人員傷亡。因此，電站關鍵設備的持續(xù)損傷檢測及監(jiān)測，對電站的安全運行等有重要意義。
　　

2、結構健康監(jiān)測是通過結構信息（例如溫度、應力、應變、振動等）采集、信息處理分析、健康狀態(tài)診斷及壽命預測等方法，監(jiān)測結構的健康情況以及預測結構的剩余壽命。一個完備的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)就如同人的神經(jīng)系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測結構的狀態(tài)，提供結構的健康信息，適時觸發(fā)安全防護措施以及發(fā)出結構維護指令。在各種不同的結構健康監(jiān)測技術中，超聲導波法具有很多優(yōu)點，例如傳播距離遠，對不同類型的損傷具有較高的敏感度，適合大面積的損傷檢測或者健康監(jiān)測。近來，超聲導波法被

3、廣泛應用于飛機的結構健康監(jiān)測，如航空鋁板或復合材料的健康監(jiān)測。
　　雖然結構健康監(jiān)測在航空領域發(fā)展迅速，但是在電力領域尚處于起步階段。本研究提出了電站結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的概念，建立電站結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的基本框架，并且分析了電站結構健康監(jiān)測所面臨的問題及難點。除此之外，本文探索了超聲導波法在電站結構損傷檢測中的應用。本文主要研究內容可分為以下4部分:
　　(1)超聲導波的基礎理論（第2章）:本章研究了超聲導波的基礎理論，例如頻散

4、關系和模態(tài)結構的求解。特別是:本章集中研究了三類電站常用結構（厚壁結構、管道和與水接觸的結構）中的導波傳播模式。
　　(2)導波的解析和數(shù)值模擬（第3章）:本章研究了導波模擬所常用的數(shù)值方法，如有限積分法和有限元法。利用有限積分法模擬了一側有水平板中導波的傳播。利用有限元法模擬了具有復雜結構的蜂窩夾芯板中導波的傳播。其次，本章建立了Lamb波全波場的快速解析模擬法。最后，建立了彈性波動模擬在時域及空間域的驗證方法，即采用全場掃描式

5、激光測振儀來驗證彈性波模擬的準確性。
　　(3)基于傳感器陣列的損傷成像機理（第4章）:本章研究并比較了兩種常用的導波損傷成像法（稀疏陣列法和相控陣列法）。在稀疏陣列中，傳感器分布式布置在被測區(qū)域附近，以檢測被測區(qū)域的損傷情況。在相控陣列中，傳感器分布相對緊湊。通過合理的控制相控陣列中每個傳感器的相位延遲，相控陣列可以調控波束集成的方向。其次，本章從傳感器布置、設計理念和成像算法方面，對稀疏陣列和相控陣列兩種方法進行了比較。最后，

6、本章還比較研究了基于時域時間延遲和基于頻域相位延遲的波束調控法。
　　(4)基于導波法的裂紋成像檢測（第5章）:本章分別研究了平板和管道不同尺寸裂紋（深度、寬度和長度）對導波傳播的影響。其次，本章建立了基于導波陣列的損傷成像法用于檢測平板和管道中的裂紋。
　　本研究奠定了電站結構健康監(jiān)測的基礎，并且本研究成功地將超聲導波手段引入了電站的結構損傷檢測和健康監(jiān)測中。相信在不久的將來，電站結構健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠建立，并且在電站中應用