[发明专利]基于声发射及自组织临界理论的热轧态和淬火态16锰钢承力件形变损伤评估系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种对港口大型机械设备中的不同热处理状态的承力件进行形变损伤状态的评估方法，更特别地说，是指一种基于声发射技术和自组织临界理论，对热轧态和淬火态16锰钢（16Mn钢）承力件的形变损伤状态进行评估的系统。 

背景技术

港口大型机械设备中的岸边设备：如装船机、卸船机、抓斗机等，常应用16Mn钢作为关键承力件。岸边设备在使用一段时间后，作为主要承力件的16Mn钢的形变损伤状态对整个岸边设备的使用寿命将造成重要影响。 

16Mn钢是结合我国资源情况（锰是我国富产元素）发展起来的一种低合金钢，已被广泛使用。16Mn钢承力件经常在热轧组织状态或焊接部位热影响区的淬火组织状态下使用，在服役一定的时间后，时常会发生一些失效事故，而形变损伤是造成其失效的主要原因之一。为此要对不同组织状态下16Mn钢承力件的形变损伤状态作出评估，及时、正确地评价不同组织状态下16Mn钢承力件的损伤状态，为其安全运行及寿命预测提供依据。 

声发射技术（Acoustic Emission Technique）因具有动态、实时检测等优点，已广泛的应用于结构和构件的损伤检测。实践表明，材料在受载荷作用时会发生不同程度的损伤，而损伤状态的变化会导致声发射波形信号特征发生一系列变化。例如在受静拉伸载荷作用时会发生弹性损伤状态转变为屈服损伤状态，这些损伤状态转变都将引起声发射波形信号幅度、相位、频率的变化；因此可以利用声发射技术作为监测16Mn钢承力件形变损伤状态的工具。 

声发射信号幅值的幂次分布规律（即某一幅值声发射信号出现的频次与幅值大小呈幂次关系）在很多物理过程中都是普遍存在的，例如位错雪崩、裂纹扩展、马氏体相变等过程。实际上，事件尺度的幂次分布（即某一物理量在某尺度出现频次P(X)与其尺度大小X呈幂次关系：P(X)＝X^-γ，其中γ为该物理量的幂次分布指数）形式实际上广泛存在于自然界，不仅局限于位错运动或相变等微观过程，例如地震、自然灾害、太阳耀斑等自然过程中都有类似的规律。这种事件尺度的幂次分布形式说明过程处于复杂的非线性的临界状态，一般称之为自组织临界状态。自组织临界理论（即物理量的尺度分布规律、分布指数等信息）适于描 述这些系统的状态并起到预测作用。不同组织状态16Mn钢不同形变损伤过程也不同程度属于自组织临界过程，因此形变损伤过程中的声发射幅值也符合幂次分布规律。声发射幅值的幂次分布系数和分布指数就可以结合声发射波形等特征，很好的应用到对不同组织状态16Mn钢形变损伤过程的监测中。 

随着现代工业日益向大规模、高效率发展，作为港口重要物流装备的大型岸边起重机械，具有以下几个特点： 

1、目前使用中的很多大型起重机是上世纪60年代至70年代我国自行设计制造或从东欧进口，还有少数是从美、日等国进口的二手设备，按设计寿命20～25年考虑，很多设备也己进入服役后期或超期服役阶段； 

2、任务重，随着生产规模的扩大，许多起重机的工作日趋繁重，超载的情况也时有发生； 

3、起重机使用的16Mn钢存在不同的热处理组织如供货热轧态组织以及焊接部位热影响区的淬火态组织，因此导致损伤状态的复杂多样。 

4、目前的损伤检测方法在大型钢结构检测方面都存在不同程度的局限性，如超声波检测和磁粉检测等方法对起重机进行的部分抽样检测，盲目性大、易出现漏检且检测的周期长，工作量大，费用昂贵； 

5、预警评估系统目前尚不完善，目前应用的分析判别技术还不能对起重机承力件的形变损伤做出准确的预警和安全评估，尤其是我国港口大型机械设备安全事故时有发生，其中，超载引起的拉伸形变损伤是港口大型岸边起重装备承力件主要的损伤模式之一。 

因此，为确保大型岸边起重机械安全可靠的运行，须对不同组织状态的16Mn钢承力件进行检测、判断形变损伤状态，从而进行安全评估。声发射技术以及自组织临界理论则为实现这一目的提供了技术方法。 

发明内容

为了减少大型岸边起重机械在使用过程中，由于形变损伤导致的16Mn钢承力件突然断裂造成的损失，本发明提出一种采用声发射技术对不同热处理组织状态16Mn钢承力件进行监测，得到声发射形变损伤状态波形及自组织临界参数矩阵表示的形变损伤状态信息。应用本发明的监测结果能够对不同热处理组织状态16Mn钢承力件形变损伤状态进行评估判断，从而做出预警，减少装备及人员伤亡等损失。