基于超聲導(dǎo)波的電站結(jié)構(gòu)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(jī)等）長期處于嚴(yán)苛的運行環(huán)境（如高溫、高壓、腐蝕、輻射等）及復(fù)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(yīng)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(dǎo)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(jì)損失，甚至人員傷亡。因此，電站關(guān)鍵設(shè)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是通過結(jié)構(gòu)信息（例如溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、振動等）采集、信息處理分析、健康狀態(tài)診斷及壽命預(yù)測等方法，監(jiān)測結(jié)構(gòu)的健康情況以及預(yù)測結(jié)構(gòu)的剩余壽命。一個完備的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的狀態(tài)，提供結(jié)構(gòu)的健康信息，適時觸發(fā)安全防護(hù)措施以及發(fā)出結(jié)構(gòu)維護(hù)指令。在各種不同的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)中，超聲導(dǎo)波法具有很多優(yōu)點，例如傳播距離遠(yuǎn)，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(dǎo)波法被

3、廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，如航空鋁板或復(fù)合材料的健康監(jiān)測。
　　雖然結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在航空領(lǐng)域發(fā)展迅速，但是在電力領(lǐng)域尚處于起步階段。本研究提出了電站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的概念，建立電站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的基本框架，并且分析了電站結(jié)構(gòu)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(dǎo)波法在電站結(jié)構(gòu)損傷檢測中的應(yīng)用。本文主要研究內(nèi)容可分為以下4部分:
　　(1)超聲導(dǎo)波的基礎(chǔ)理論（第2章）:本章研究了超聲導(dǎo)波的基礎(chǔ)理論，例如頻散

4、關(guān)系和模態(tài)結(jié)構(gòu)的求解。特別是:本章集中研究了三類電站常用結(jié)構(gòu)（厚壁結(jié)構(gòu)、管道和與水接觸的結(jié)構(gòu)）中的導(dǎo)波傳播模式。
　　(2)導(dǎo)波的解析和數(shù)值模擬（第3章）:本章研究了導(dǎo)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(cè)有水平板中導(dǎo)波的傳播。利用有限元法模擬了具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的蜂窩夾芯板中導(dǎo)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(zhǔn)確性。
　　(3)基于傳感器陣列的損傷成像機(jī)理（第4章）:本章研究并比較了兩種常用的導(dǎo)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(diào)控波束集成的方向。其次，本章從傳感器布置、設(shè)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(jìn)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(diào)控法。
　　(4)基于導(dǎo)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(dǎo)波傳播的影響。其次，本章建立了基于導(dǎo)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的基礎(chǔ)，并且本研究成功地將超聲導(dǎo)波手段引入了電站的結(jié)構(gòu)損傷檢測和健康監(jiān)測中。相信在不久的將來，電站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠建立，并且在電站中應(yīng)用