太陽能熱發(fā)電（Concentrating solar power，CSP）是一種將太陽能轉化為熱能，再經(jīng)由熱功轉換過程實現(xiàn)發(fā)電的系統(tǒng)[1]，屬于新興清潔能源。與光伏、風電相比，光熱發(fā)電具有長時儲能的優(yōu)勢，能夠24 h連續(xù)且平穩(wěn)地發(fā)電，對電網(wǎng)友好，不存在棄風、棄光的問題，是構建新型電力系統(tǒng)的重要支撐性技術，對我國實現(xiàn)“雙碳”目標有著重要意義[2]。槽式光熱是全球范圍內(nèi)最早投入使用且裝機容量最大的太陽能熱發(fā)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(nèi)的導熱油，并通過導熱油蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組做功發(fā)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(huán)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(nèi)循環(huán)變化。在國內(nèi)，TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》等特種設備安全技術規(guī)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(xù)運行且溫度循環(huán)變化的特點，所以只能對其進行高溫在線檢測，而常規(guī)的無損檢測方法難以實施[4-6]。利用聲發(fā)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(huán)工況下，AE信號的變化規(guī)律尚不明確，需要進一步開展試驗研究。

圖 1槽式光熱裝置工作原理示意

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(shù)在熱循環(huán)工況下的變化規(guī)律，以完善槽式光熱裝置高溫熱循環(huán)工況下聲發(fā)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(chǎn)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(nèi)側的兩處10 mm圓形區(qū)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(fā)射信號監(jiān)測裝置

采用北京聲華公司生產(chǎn)的多通道SAEU3H型聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為信號監(jiān)測裝置，對試件拉伸過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進行采集、濾波、放大，然后將聲發(fā)射信號波形顯示出來，并對信號的特征參數(shù)進行提取。根據(jù)金屬材料的斷裂特性，選用了兩個SR150M型傳感器搭配PAS聲發(fā)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(nèi)，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(xiàn)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(xiàn)場布置

1.2 聲發(fā)射系統(tǒng)調(diào)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(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)傳感器幅值繪制出衰減特性曲線，如圖4所示。測試數(shù)據(jù)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）。

圖 4傳感器衰減特性曲線

1.2.2 環(huán)境噪聲測試和通道門檻值的設定

開啟聲發(fā)射系統(tǒng)主機，在沒有拉伸載荷的情況下，采集現(xiàn)場噪聲信號10 min，經(jīng)測量，最大環(huán)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(chǎn)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(xiàn)場環(huán)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(guī)力學性能實驗室內(nèi)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(fā)射傳感器進行耦合，并連接前置放大器和聲發(fā)射系統(tǒng)主機。

1.3.1 溫度控制

為模擬高溫循環(huán)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(tǒng)將試件升至目標溫度并保溫。

1.3.2 拉伸參數(shù)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(shù)設置如表2所示。

2. 試驗結果與分析

開啟升溫系統(tǒng)，通過聲發(fā)射系統(tǒng)，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(xù)時間、振鈴計數(shù)、上升時間、上升計數(shù)等AE特征參數(shù)。

2.1 AE參數(shù)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(shù)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(shù)、上升時間、能量和持續(xù)時間等AE參數(shù)隨時間歷程的分布規(guī)律不明顯，文章不展開分析。

圖 525 ℃時的試件AE特征參數(shù)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(chǎn)生1 565次撞擊，其AE特征如下。

（1）線彈性變形階段。該階段發(fā)生于0~27 s，期間產(chǎn)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(shù)則集中分布在0~4 200。

（2）塑性屈服階段。該階段發(fā)生于27~64 s，期間產(chǎn)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(shù)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(qū)分度較大。

（3）加工硬化階段。該階段發(fā)生于64~454 s，期間產(chǎn)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(shù)集中分布在0~2 000，無明顯特點。

（4）頸縮斷裂階段。該階段發(fā)生于454~582 s，僅產(chǎn)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(shù)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(shù)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(fā)平緩，屈服階段逐漸消失，但幅值和振鈴計數(shù)等參數(shù)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(fā)生在28~66 s，此時幅值和振鈴計數(shù)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(shù)的聚集分布情況推斷屈服發(fā)生的時間。

圖 6150 ℃時的試件AE特征參數(shù)歷程分布曲線

圖 7275 ℃時的試件AE特征參數(shù)歷程分布曲線

圖 8400 ℃時的試件AE特征參數(shù)歷程分布曲線

2.2 高溫熱循環(huán)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(shù)的聚集規(guī)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(tǒng)計結果如表3所示，并計算出了單位時間內(nèi)的AE撞擊率，結果如表4所示。

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(shù)量也有所增加。在不同的試驗溫度下，具有以下規(guī)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(jīng)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(shù)在材料屈服過程中表現(xiàn)出較高的敏感性，且呈現(xiàn)出明顯的聚集效應。該特性為利用其參數(shù)特征規(guī)律對槽式光熱承壓設備進行在線監(jiān)測提供了有力依據(jù)。

（2）在25 ℃至275 ℃的范圍內(nèi)，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?；诖?，可以借助AE撞擊率準確判斷材料是否經(jīng)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(huán)工況下的聲發(fā)射檢測評價方法具有參考意義。

文章來源——材料與測試網(wǎng)