声发射技术在化工过程中的应用
储油罐声发射检测
储油罐声发射检测(一)金属油罐金属油罐是采纳钢板材料焊成的容器。
一般金属油罐采纳的板材是一种代号叫A3F的平炉沸腾钢；冰冷地区采纳的是A3平炉冷静钢；关于超过10000m3的大容积油罐采纳的是高强度的低合金钢。
常见的金属油罐形状，一样是立式圆柱形、卧式圆柱形、球形等几种。
立式圆柱形油罐依照顶的结构又可分为桁架顶罐、无力矩顶罐、梁柱式顶罐、拱顶式罐、套项罐和浮顶罐等，其中最常用的是拱顶罐和浮顶罐。
拱顶罐结构比较简单，常用来储存原料油、成品油和芳烃产品。
浮顶罐又分内浮顶罐和外浮顶罐两种，罐内有钢浮顶浮在油面上，随着油面升降。
浮项不仅降低了油品的消耗，而且减少了发生火灾的危险性和对大气的污染。
专门是内浮顶罐，蒸发损耗较小，能够减少空气对油品的氧化，保证储存油品的质量，对消防比较有利。
目前内浮顶罐在国内外被广泛用于储存易挥发的轻质油品，是一种被推广应用的储油罐。
卧式圆柱形油罐应用也极为广泛。
由于它具有承担较高的正压和负压的能力，有利于减少油品的蒸发损耗，也减少了发生火灾的危险性。
它可在机械，一成批制造，然后运往工地安装，便于搬运和拆迁，机动性较好。
缺点是容量一样较小，用的数量多，占地面积大。
它适用于小型分配油库、农村油库、都市加油站、部队野战油库或企业附属油库。
在大型油库中也用来作为附属油罐使用，如放空罐和计量罐等。
球形油罐具有耐压、节约材料等特点，多用于石油液化气系统，也用做压力较高的溶剂储罐。
(二)非金属油罐非金属油罐的种类专门多，有土油罐、砖油罐、石砌油罐、钢筋混凝土油罐、玻璃钢油罐、耐油橡胶油罐等等。
石砌油罐和砖砌油罐应用较多，常用于储存原油和重油。
该类油罐最大的优点是节约钢材、耐腐蚀性好、使用年限长。
非金属材料导热系数小，当储存原油或轻质油品时，因罐内温度变化较小，可减少蒸发损耗，降低火灾危险性。
又由于非金属罐一样都具有较大的刚度，能承担较大的外压，适宜建筑地下式或半地下式油罐，有利于隐藏和保温。
泄漏预防的技术措施
防漏技术措施一、提高认识，加强管理首先，从思想上，要树立“预防泄漏就等于提高经济效益”的认识。
试想，泄漏轻则造成物料损失、停产，重则厂毁人亡，哪里还谈得上经济效益呢？预防可以事半功倍。
其次，完善管理、按章行事，这是防止泄漏的重要措施。
事实上，各种物质的泄漏往往会发现管理漏洞。
制定一套完善的管理措施是非常必要的，如“巡回检查制”；强化劳动纪律；经常对职工进行业务培训和职业教育，提高技术素质和责任感。
职工要熟悉生产工艺流程和设备，了解、掌握泄漏产生的原因和条件，才能做到心中有数，以及早采取措施，减少泄漏发生。
第三，要加强立法，以提高管理者的责任。
美国联邦法律规定，新建油罐必须采取防腐措施，按有关规范安装，并配置泄漏检测和冒顶报警装置，石油及化工产品储罐必须设置二次封闭；同时要求石油公司监测、报告油罐的泄漏，并进行泄漏预防及控制对策的研究。
从1994年起，美国要求新的和更新的管道必须配备智能清管器发射器和接收器，对管道定期进行检测。
对违法者予以重罚。
我国对锅炉压力容器的制造、安装和使用的管理，制定了《锅炉压力容器安全监察暂行规定》。
应该进一步健全法制，加大执法力度。
但是，由于人为的错误，这是无法避免的，还必须依靠多种技术措施，进行综合治理。
二、可靠性设计为减少泄漏的发生，在设计上应采取提高可靠性的技术措施。
例如，航天器由上百万个零部件组成，又需要经受苛刻的条件，极易发生事故，但是由于对可靠性的高度重视，火箭在升天之前必须经过严格的热试验和测试检查，与航空、陆上各种交通工具比较，载人航天器有着最好的安全飞行记录。
1．拧紧过程可靠性理论告诉我们，环节越多，可靠性越差。
当前，化工行业将拧紧过程作为提高生产装置安全性的一项关键技术，即尽量缩小工艺设备，用危害性小的原材料和工艺步骤，简化工艺和装置，减小危险物存储量。
2．生产系统密封生产过程中的所有物流和加工过程应密封在管道中、容器内部，实现“搞油不见油”。
3．正确选择材料和材料保护措施材料选用的正确与否，直接关系到设计的成败。
Innovene气相法聚丙烯卧式搅拌反应器运行分析
未能反应的丙烯气体通过冷凝的方式来进行回收，之后于反应器顶部喷洒液态丙烯作为急冷液，通过丙烯气化吸热来撤走反应系统所累计的大量热量，维持反应器温度在60～70 ℃的范围内。
在反应器底部通入混有丙烯，乙烯和氢气的循环气，使得整个床层保持接近流化的松动状态。
床层在具有特定结构搅拌桨叶的搅拌作用下缓慢地向反应器下游移动，在出口形成符合生产要求的聚丙烯颗粒。
本文将就Innovene 公司开发的高效的气相聚丙烯反应装置即卧式搅拌反应器中影响实际生产效果的主要流体力学性质进行介绍。
1 流动特性Innovene 气相法工艺最大的优势在于采用了流动模型接近于理想平推流的卧式搅拌反应器，其可以在节约设备制造成本，减小流程复杂程度的同时实现多级全混釜的串联[2]。
卧式搅拌反应器的停留时间分布(RTD)曲线比立式搅拌床(VSBR)窄，显示出HSBR 对比VSBR 的主要优势。
HSBR 中停留时间非常短或非常长的催化剂颗粒的比例明显降低，因此催化剂颗粒尺寸和聚合物性质更加均匀[3]。
在实际生产过程中，反应器内的流体由于各种原因会出现不同程度的停留时间分布现象。
一部分流体受到外界影响发生反向运动并在流场横截面上混合的返混现象是引起停留时间分布的一大因素，但是停留时间分布并不能成为我们推断返混0 引言气相法聚丙烯工艺是迄今为止最为先进的聚丙烯生产工艺之一，由于其消除了脱气和挥发性液相转移过程，使得聚丙烯可以作为流动的颗粒来直接进行生产和输送，进一步简化了本体法聚合的流程。
气相法工艺与传统的淤浆法与液相本体法相比，在调节产品性能来切换牌号、控制产物分子量和共聚单体含量、生产过程安全性和开停车操作简易程度等方面具有相当大的优势[1]。
随着聚丙烯工艺的快速发展，不同形式的气相法聚合反应器被越来越多的应用在聚丙烯生产过程当中。
Unipol 工艺采用了两台上部扩径的流化床反应器，丙烯气化后与循环气混合再从反应器底部通入，引入了气锁系统来防止原料随颗粒排出；Novolen 工艺通过两台双螺带搅拌的立式反应器来进行丙烯的聚合，液相丙烯与少量的气相丙烯从顶部和底部加入，聚丙烯颗粒借助压差来进入第二反应器；Spherizone 工艺的多区循环反应器使聚合物颗粒在上升区被原料气体流化上升，通过顶部旋风分离沉降到下降区，再循环至上升区，下降区排料；Innovene 工艺(又名BP-Amoco 工艺)采用两台具有特殊结构搅拌桨的卧式搅拌反应器，多点进料，循环气自底部均匀透过床层，达到所谓的“亚流化”状态。
声发射培训教材
声发射技术简介及有关标准国家质检总局锅检中心第一章概论1.1 声发射技术概念声发射技术（AET—Acoustic Emission Technique），是一种新兴的动态无损检测技术，其涉及声发射源、波的传播、声电转换、信号处理、数据显示与记录、解释与评定等基本概念，基本原理如图1-1所示。
图1-1 声发射技术基本原理声发射（AE—Acoustic Emission,），是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象,这种现象叫声发射。
在应力作用下，材料变形与裂纹扩展，是结构失效的重要机制。
这种直接与变形和断裂机制有关的源，通常称为传统意义上或典型的声发射源。
另外，流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等与变形和断裂机制无直接关系的另一类弹性波源，称为其它或二次声发射源。
声发射波的频率范围很宽，从次声频、声频直到超声频，可包括数Hz到数MHz；其幅度从微观的位错运动到大规模宏观断裂在很大的范围内变化；按传感器的输出可包括数μV到数百mV。
不过，大多数为只是使用高灵敏的传感器（Sensor）或称探头，才能探测到的微弱振动。
目前，用最灵敏的传感器，可探测到约为10-11mm表面振动。
声发射源发出的弹性波，经介质传播到达被检物体的表面，引起表面的机械振动。
经耦合在被测物体表面的声发射传感器将表面的瞬态位移转换成电信号，声发射信号再经放大、处理后，形成其特性参数，并被记录与显示。
最后，经数据的解释，评定出声发射源的特性。
声发射检测的主要目标是：①确定声发射源的部位；②分析声发射源的性质；③确定声发射发生的时间或载荷；④评定声发射源的严重性。
一般而言，对超标声发射源，要用其它无损检测方法进行局部复检，以准确确定缺陷的性质与大小。
1.2 声发射技术的特点与其它无损检测方法相比，声发射技术具有两个根本的差别：①检测动态缺陷，而不是检测静态缺陷，如缺陷扩展；②缺陷本身发出缺陷信息，而不是用外部输入对缺陷进行扫查。
这种差别使得该技术具有以下优点和局限性。
声波在材料性能测试中的应用
声波在材料性能测试中的应用在现代材料科学与工程领域，对材料性能的准确测试和评估至关重要。
声波作为一种有效的探测手段，在材料性能测试中发挥着不可或缺的作用。
声波，简单来说，就是介质中质点的振动传播。
当声波在材料中传播时，其传播特性会受到材料的各种性能参数的影响。
通过对声波传播的测量和分析，我们能够获取关于材料的丰富信息。
首先，声波在检测材料的弹性性能方面表现出色。
弹性模量是描述材料在弹性范围内抵抗变形能力的重要参数。
利用声波的传播速度与材料的弹性模量之间的关系，我们可以准确地测定材料的弹性模量。
例如，在金属材料中，通过测量纵波和横波的传播速度，结合相关的理论公式，就能计算出金属的杨氏模量、剪切模量等弹性参数。
这对于评估金属材料在结构中的使用性能、设计机械零件等具有重要意义。
声波还能够用于检测材料的内部缺陷。
当材料内部存在裂纹、孔隙、夹杂等缺陷时，声波在传播过程中会发生散射、反射和衰减。
通过接收和分析反射回来的声波信号，我们可以确定缺陷的位置、大小和形状。
这种无损检测技术广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑等领域，能够在不破坏材料的前提下，及时发现潜在的质量问题，保障工程结构的安全性和可靠性。
在复合材料的性能测试中，声波也具有独特的优势。
复合材料通常由两种或多种不同性质的材料组成，其性能具有各向异性的特点。
通过测量不同方向上声波的传播速度和衰减情况，我们可以评估复合材料的纤维取向、界面结合强度等性能，为复合材料的优化设计和质量控制提供依据。
此外，声波在材料的声学性能测试中也起着关键作用。
例如，对于隔音材料和吸声材料，声波的反射系数、透射系数和吸收系数等参数能够反映材料的隔音和吸声效果。
通过对这些参数的测量和分析，我们可以筛选出性能优良的隔音和吸声材料，应用于声学工程中，改善环境噪声问题。
在实际的声波测试中，常用的方法包括超声检测、声发射检测等。
超声检测是利用高频超声波对材料进行检测，具有检测精度高、适用范围广等优点。
声波在医疗工业等领域有哪些应用
声波在医疗工业等领域有哪些应用一、协议关键信息1、声波的类型：包括超声波、次声波等。
2、医疗领域应用范围：如诊断、治疗、康复等。
3、工业领域应用场景：如无损检测、材料加工等。
二、声波的基本概念1、声波的定义声波是一种机械波，是由物体振动产生，并通过介质传播的一种能量形式。
11 声波的特性包括频率、波长、振幅、速度等。
111 频率决定了声波的音调高低，单位为赫兹（Hz）。
112 波长是相邻两个波峰或波谷之间的距离。
113 振幅表示声波的能量大小。
114 声波在不同介质中的传播速度不同。
三、声波在医疗领域的应用1、诊断方面11 超声成像利用超声波的反射和折射特性，生成人体内部器官的图像，如腹部、心脏、妇产科等的检查。
111 优点无创、安全、可重复检查。
112 局限性对某些细小结构的分辨率有限。
12 多普勒超声用于检测血流速度和方向，常用于心血管疾病的诊断。
121 应用场景评估心脏瓣膜功能、血管狭窄程度等。
2、治疗方面21 超声碎石通过聚焦超声波的能量，将体内结石击碎，使其易于排出体外。
211 适用范围肾结石、输尿管结石等。
212 注意事项术后可能的并发症及预防措施。
22 高强度聚焦超声（HIFU）用于肿瘤的热消融治疗，局部高温杀死肿瘤细胞。
221 治疗优势非侵入性、精准定位、减少周围组织损伤。
222 临床应用现状在肝癌、子宫肌瘤等疾病中的治疗效果。
3、康复方面31 声波理疗利用特定频率和强度的声波，促进组织修复和缓解疼痛。
311 常见的理疗设备超声治疗仪、声波按摩仪等。
312 适用病症肌肉拉伤、关节炎等。
四、声波在工业领域的应用1、无损检测11 超声检测用于检测材料内部的缺陷，如裂纹、气孔等。
111 检测原理声波在材料中的传播和反射特性。
112 应用行业航空航天、汽车制造、石油化工等。
12 声发射检测监测材料在受力过程中的声波发射，评估结构的安全性。
121 优点实时监测、早期预警。
122 局限性对复杂结构的检测难度较大。
声发射技术
西安工业大学岩土工程测试技术读书报告（读书报告、研究报告）考核科目：岩土工程测试技术学生所在院(系) ：研究生院建筑工程学院题目：岩土工程测试技术姓名：李珅熠学号：1507210358一、声发射技术研究表明，承受荷载的固体往往有热发射现象、表面电子发射现象和声发射现象。
从能量的转换角度来看，当固体受到荷载以后，就如同一个能量转换器，将应变能转换成热能、电能、声能发射出去。
这些能量是固体因受外力而引发的固有现象，因此，这些能量的特征和量值的大小就自然代表着固体材料内的某些属性。
当结构或者材料受外力荷载或内力作用产生变形、断裂、材料内部缺陷，或潜在缺陷在外部条件作用下改变状态时，以弹性波的形式释放出应变能的现象称为声发射。
声发射是一种常见的物理现象，各种材料声发射信号的频率范围很宽，从几Hz的次声频、20 Hz～20K Hz的声频到数MHz的超声频；声发射信号幅度的变化范围也很大，从10m的微观位错运动到1m量级的地震波。
如果声发射释放的应变能足够大，就可产生人耳听得见的声音。
大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来。
用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术，人们将声发射仪器形象地称为材料的听诊器。
二、声发射技术基本原理材料的声发射源主要有：材料塑形变形和位错运动；裂纹的形成与扩展。
声发射的发生要具备以下两个条件：第一，材料要受外载作用；第二，材料内部结构或缺陷要发生变化。
对于材料的微观形变和开裂以及裂纹的发生和发展，就可以利用声发射来提供它们的动态信息。
声发射源往往是材料灾难性破坏的发源地，由于声发射现象一般在材料破坏之前就会出现，因此，只要及时捕捉这些声发射信息，根据其特征及其发射强度，不仅可以推知声发射源目前的状态，还可以知道它形成的历史，并预报其发展的趋势。
声发射信号是分析声发射性质和状态的基本依据，通常用压电传感器在试件表面接受并记录这些信号，输入仪器进行各种分析和处理。
论声发射技术在矿区地震监测的应用
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科技 论坛 ｌｌ ｊ
张 彦 吉
论 声发射技术在矿区地震监测 的应用
（ 尔滨 市地 震 局 通 河地 震 台 ， 龙 江 通 河 Ｊ００ ） 哈 黑 ５ ９ ０
摘 要： 随首当今科技 的不断发展和创新 ， 声发射技 术已作 为一种无损的检测方 法， 广泛应用 于诸 多领域， 被 主要 包括煤矿 业、 油化工工业、 石 电力工业 、 材料试验、 民用工程 、 航天和航 空工业、 金属加 工、 交通运输业等 ， 中在矿 区监测和地震初期监测方面的作 用尤为突出。 其 关键词 ： 声发射技 术； 区监测 ； 矿 地震监测 ； 主要应用
责任编辑 ： 李墨洋
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１ ２—
发射源的强度 、 和部位 ， 活性 不能显 示出声 发射 敏度更 高 、 观洲频带旦宽的仪器 ， ！ 很可能在大地 类型、 机理及防治研究｝． Ｊ岩石力学与工程学报， ］
源内缺陷的大小 和性质 ，仍需结 合于其它无撕 震发生前会记录到震前 高频搬微震或地 声信息 ２ ０ ，ｌ ０ ３｝ｌ 榆测方法一起使用 而作出 种程度的预警 ， 灾难就会搿以巾的应用 在地震孕育过程 中，震源部位 的岩体受压 声发射 （ｃｕｔ ｍｓｏ）简称 Ａ 也 Ａ ０ｓｅＥ ｉｉ ｉ ｓｎ Ｅ， 众所周知，我 国矿产产出地的 自 然条件 比 压力聚集 ，内应力增大。当地震孕育到一定 阶 称 为应力波发射，是指材料 内部局部区域在外 较差 ， 地质情况也 比较复杂 。 主要是 由于我 国内 段 ， 震源部位岩体所受压力到一定程度后 ， 岩体 界（ 温度或应力 ） 的影 响下， 随能量快速释放 陆大多是 由多幕 次的小型地块组 合而成的 ， 内会产生微 观裂纹和宏观裂隙的扩展以及产生 伴 主 而产生的瞬态弹性波现象 。它是一种常见的物 要 矿产经受 了多方 向和 多期 次强度 较大 的改 新的宏观裂隙 ，甚至会伴随着一定 范围内岩体 理现象 ， 各种材料声发射信号的频率范 围很宽 ， 造 ，这样就造成 了煤矿产出地的地质条件极为 的局部断裂破坏。微观裂纹 和宏观裂隙的扩展 但各不相同 ， 几赫兹的次声频、 从 二十赫兹至两 复杂 ， 随之产生 的灾害较多。 世界一几乎所有国 和新宏 观裂隙 的产生 ． ｈ 岩体 内局部岩体的断裂 万赫兹的声频 到数兆赫兹的超声频 ； 声发射信 家 的煤矿都 不同程 度地 受到冲击矿压 的威胁 ， 破坏 ， 都会发生声发射现象， 其中岩体内局部岩 号有很大幅度 的变化范围 ，主要表现为从一米 所谓的冲击 矿压叉可以称之为岩爆 ，是指矿井 体先行发生断裂破坏 ，一定会发生极强 的声发 量级的地震波到十米的微观位错运动 。当声发 井巷或者采矿工作面四周 的岩体 ，由于机械外 射事 件，这其实就是人们通常所说 的大震之前 射释放的应变能足够大时 ，就会产生人耳听得 力造成弹性变形能的瞬时释放 ，便会产生具有 有预震 的现象。 随着岩体受压压力的增 加， 声发 贝 声音。大多数材料变形和断裂时都会有声 强烈破坏的能量 ， 常会 伴有巨响及气浪和煤 射事 件的频度和强度会随之加速增 加，到达临 通 发射发生 ， 但是许多材料的声发射信号强度 比 岩体抛出等现象。 它的破坏性巨大， 是煤矿重大 震前 ， 声发射事件的频度 与强度会 十分强烈。 特 较弱 ， 致使人耳不能直接听见 ， 而是需要借助灵 灾害之一 。 因此 ， 通过声 发射技术对矿压的预测 别是大地震及 特大地震 ， 临震前 ， 岩体 内局部岩 敏的电子仪器才能检测出来 。因而 ，用仪器记 预防也是煤矿开采安全生产 的关键之一 。 体先行发生断裂破坏 的现象会 十分明显 ， 强烈 录、 探测 ， 并且分析声发射信号和利用声发射信 在煤矿开采过程 中，岩石在机械外力而产 的声发射事件会很多 。 总之 ， 经过多年 的不懈 努 号推断声发射源的技术被称之为声发射技术 。 生的压力作 用下发 生开 裂和变 形的破坏 过程 力 ， 我国的地震预报总结出长、 短、 中、 临渐进式 ２ 世 纪 ５ 年代 初期 ， ａ ｅ 在德 国做 了 中， Ｏ ０ Ｋｉ ｒ ｓ 将会以脉冲形式释放弹性能 ， 此时就会产生 的预报思路 。在确定 了中、 短期地震危险 区后 。 大量的研究 工作 ， 观察 到锡 、 锌 、 、 、 声发射或应 力波现象 ，也可以把这种声发射现 进一步跟踪震情发展 ，加密布设埋设 在井下基 他 铝、 钢 铜 铅、 铸铁 、 黄铜等金属 和合金在形变过程中都会 象称为地音。 由此可见 ， 煤岩体再被破 坏时的能 岩中的可以监测地层微破裂高频信号的宽频仪 产生声发射现象。他最有意义的发现是材料形 量 释放程度 可以 由声发射信 号 的强弱反 映 出 器 ， 比人耳和动物更早监测到大量高频极微 会 变声发射的不可逆效应即 ：材料在被重新加载 来 。也就是 说， “ 地音监测法的原理是 ， 用拾震 器 震和地声 。对这些来 自 地下宝贵信息 的科学分 时，在应力 值达到上次加载最大应力之前不产 或微震 仪连续或 问断地 监测 岩体 的声发射 现 析 ， 定能帮助震区摆脱噩运 。 生声发射信 号” 现在材料 的这种不可逆现象被 象 ，然后根据正常波与测得 的声发射波或应 力 。 结束语 人们称为“ ａｅ效应” Ｋｉ ｒ ｓ 。与此同时 ，ａｅ还提 波的变化规律对 比， 判断岩体或煤层发 生冲 Ｋｉｒ ｓ 来 由此可见 ，煤矿矿 区的岩体声发射信号和 出了突发型和连续型声发射信号的概念 。这些 击时所造成 的倾向度。再根据震相曲线和地 震 地震初期声发射信号 与地质岩体发生破坏的综 都标志着现代声发射技术的开始 。 学的相关经验 ，便可 以计算 出发生冲击地压 准 合状态有关 ， 随着不 同的破坏阶段 ， 其参数也相 １ 声发射技术监测的基本原理 确的震源位置 。由于各种煤岩体的微震和声发 应 的发生变化。 因此 ， 过对声发射各参数随时 通 声发射技术的基本原理是 ： 由外部条件（ 如 射有不 同的特性 ， 并且具有各向异性 和不均质 问的变化情况进行实时的分析 和监测 ，就可 以 热 、 、 电等） 力 磁、 的作用丽使 物体变形 、 后 性等特点 ， 断裂 其传播 速度差异性较大。此外 ， 各处 保证矿区生产 的稳定性 ，还可 以减少地震所带
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CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2011年第30卷第5期 ·918·
化 工 进 展
声发射技术在化工过程中的应用 任聪静，陈 敏，曹翌佳，黄正梁，王靖岱，阳永荣 （浙江大学化学工程与生物工程学系化学工程国家重点实验室，浙江 杭州 310027）
摘 要：在简要介绍声发射技术原理、测量手段与分析分析方法的基础上，系统回顾了被动声发射技术在化工过程中对于物理化学变化以及设备状态监控的广泛应用，对声发射技术在流程工业中各个单元操作以及设备监控等各个方面的应用进行了综述。总结表明，声发射技术适用于各种恶劣的工业环境，能够实时在线、准确地实现流程工业中关键过程参数的检测，具有广阔的工业应用前景；相比于传统的检测手段，声发射技术具有更为广阔的工业应用前景。 关键词：声发射；振动；无损；在线检测 中图分类号：TQ 021.1 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2011）05–0918–12
Application of passive acoustic emission measurement in chemical processes
REN Congjing，CHEN Min，CAO Yijia，HUANG Zhengliang，WANG Jingdai，YANG Yongrong （State Key Laboratory of Chemical Engineering，Department of Chemical and Biochemical Engineering， Zhejiang University，Hangzhou 310027，Zhejiang，China）
Abstract：The applications of acoustic emission（AE）technology in monitoring the state of equipment and the physico-chemical changes in chemical processes are reviewed in this paper，with a brief introduction of the principles of AE，hardware and analysis methods，Furthermore，detail cases in different unit operations and equipment monitoring are presented. AE technology has a broader prospect for industrial application than other detection methods. Key words：acoustic emission（AE）；vibration；non-invasive；on-line detection
工业过程运行时，体系内产生的大量声音信号和振动信号蕴含了丰富的与过程物理化学状态有关的信息。有别于主动式的声波检测技术，本文所述的声发射（acoustic emission，AE）技术是一种被动式的声波检测技术，它通过聆听工业过程中各种物理和化学过程所产生的声音和振动信号来获取系统的运行信息。作为一种非侵入式的检测技术，被动声发射技术适用于各种恶劣的工业环境，能够实时在线、准确地实现过程关键参数的检测，具有广阔的工业应用前景。然而，声发射技术的难点在于如何从繁杂的信号中提取有用信息进行分析，实现对被测对象的准确度量。因此，全面细致地掌握声发射技术的测量原理、分析方法及其具体应用，不仅具有科学意义，也极具挑战性。
近年来，声发射技术在各个领域尤其是化学工程中的应用有了很大的发展，同时，相关研究方兴未艾，在研究的广度和深度上都有长足的进步[1]。
本文作者在介绍声发射技术的检测原理、流程、设备和分析方法的基础上，归纳总结了声发射技术在流化、搅拌、干燥、结晶、化学反应、设备监控等化工过程中的研究应用进展和现状，并对其优势和不足进行了细致的讨论。
进展与述评 收稿日期：2010-09-03；修改稿日期：2010-10-29。 基金项目：国家自然科学基金（21076180）及中央高校基本科研业务费专项资金（2009QNA4028）项目。 第一作者：任聪静（1983—），女，博士。联系人：王靖岱。E-mail wangjd@zju.edu.cn。 第5期 任聪静等：声发射技术在化工过程中的应用 ·919·1 声发射技术的测量原理和分析方法 1.1 声音（波）产生的原理 声发射是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象。材料的变形、断裂是典型的声发射源；流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等也可以划归到声发射源范畴，称为其它声发射源或二次声发射源[2]。本文主要讨论流体的撞击和摩擦所产生
的声发射。流体撞击或摩擦固体表面致使固体表面形状发生变化从而激发弹性波。声发射波的频率范围很宽，从数赫兹到数兆赫兹，包括次声、可听声和超声。弹性波在介质中的传播，根据质点的振动方向的不同，可以分为纵波、横波、表面波（瑞利波）、板波等不同形式。横波、表面波和板波只能在固体中传播，而不能在气体和液体中传播[2]。当遇
到不同介质的界面时，声波会发生反射和折射。任何一种波在界面上反射时都要发生波型变换，同时出现纵波和横波[3]。波的传播速度等于频率和波长
的乘积[1]，如式（1）。 vfλ= （1）
式中，v为波的传播速率；λ为波的波长；f为波的频率。 声波的传播过程中会发生衰减。引发声波衰减的3个主要机制为：波的几何扩展、材料吸收和散射[2]。平面波在介质中向x方向传播时的衰减可用
式（2）表示。
0eaxxPP−= （2）
式中，P0为x=0位置的声压；Px为传播至x距离后的声压；a称为衰减系数[3]。 传播衰减的大小关系到每个传感器可以监视的距离范围，是源定位中确定传感器间距或工作频率的关键因素[2]。
声发射检测过程是以振动波形式存在的一系列能量产生、传播和接收的过程，其中涉及声发射源、声波的传播、声电转换、信号采集、信号调理、信号处理、数据记录与显示、解释与评定等过程，其基本原理如图1所示。声发射源发出的声波通过介质传播到声电换能器转化为电信号，再经前置放大器、滤波器和主放大器等进行信号调理后送入数据采集卡进行A/D转换，把模拟信号转化为数字信号，最后经过信号处理进行记录显示并用于解释评定声发射源的特性。
图1 声发射技术基本原理 图2 传递函数示意图 在实际声发射检测过程中，检测到的信号是经过多次反射和波型变换的复杂信号。信号波形可能发生严重畸变，波型前沿变钝，出现明显的频散现象，一个峰的波可能分离为多峰的波。这种畸变的信号通过声电换能器转换为电信号，再经由电路处理，最后由显示仪器显示出来[3]。在这些过程中对
信号进行了加权处理，信号发生了变化，如图2所示。O(S) 是与显示结果有关的响应函数，等于初始声发射信号E(S) 和传递函数G(S) 的乘积。
()()()()()()()()OSESPSISCSRSESGS=⎡⎤=
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其中，P(S) 是与传递介质有关的函数，与材质和结构的几何形状、声源距传感器的距离等有关；I(S) 是与界面和传感器有关的传递函数，与耦合状态和频响等因素有关；C(S) 是与信号处理电路有关的传递函数，与前置放大器、主放大器、滤波器等的频带、增益和动态范围有关；R(S) 是与参数显示方法有关的传递函数[3]。求出系统的传递函数有助
于更好地评价声发射源的性质。Cody等[4]使用Bruel and Kjaer 8203力锤传感器作为标准信号源对流化床反应器中声发射检测系统的传递函数进行了测定。 1.2 声测量的设备 传感器是声发射检测系统的关键部件。声发射检测中常用的传感器有声发射传感器、加速度传感器、水听器、传声器等。声发射传感器和加速度传感器用于测量通过固体传播的声音和振动信号，传声器用于测量通过气体传播的声音和振动信号，水听器用于测量通过液体传播的声音和振动信号。为了防止传感器输出的微弱信号经过长距离传输后信噪比降低，靠近传感器设置前置放大器将信号提高40～60 dB，经过长距离传输电缆传送到滤波器滤去
噪声，再由主放大器进一步放大，提高40～60 dB化 工 进 展 2011年第30卷 ·920· 后送入信号采集和处理单元进行A/D转换[3]。采样频率根据Shannon采样定理确定，即信号的最大频率为fm，则采样频率必须满足f≥2fm [3]。下文分别介绍4种传感器的检测原理、结构和应用范围。 1.2.1 声发射传感器 声发射传感器基于晶体元件的压电效应，将声发射波所引起的被测元件表面振动转化为电压信号。 声发射传感器可以分为压电型、电容型和光学型。常用的压电型声发射传感器包括单端谐振式、差动谐振式、宽频带式等。谐振式声发射传感器利用检测元件的机械共振而达到高灵敏度。单端谐振式声发射传感器的谐振频率多位于50～300 kHz内，主要取决于晶片的厚度，压电晶片的谐振频率与其厚度呈反比。差动谐振式声发射传感器由两只正负极差接的压电元件组成，输出差动信号，抗共模干扰能力强，适用于强电磁噪声环境。声发射传感器一般由壳体、保护膜、压电元件、阻尼块、连接导线及高频插座组成，单端式和差动式声发射传感器的结构见图3。宽频带声发射传感器在检测元件上粘贴阻尼材料以抑制共振的结构，响应频率为100～1000 kHz，主要优点是采集到的声发射信号丰富全面，当然其中也包含着噪声信号。 1.2.2 加速度传感器 振动传感器中有加速度、速度、位移的测量等，其中压电型加速度传感器在振动和冲击检测的各个领域中使用最多。压电元件是受到惯性力F后产生电荷的功能材料，产生的电荷量Q = dF，其中d为压电常数。压电型加速度传感器包括压缩型、剪切型和挠曲型等。压缩型压电加速度传感器的基本结构如图4所示，压电元件置于基座上，上有质量为m的质量块，用弹簧片将压电元件压紧[5]。作用于
图3 谐振式压电型声发射传感器结构示意图 1—上盖；2—铝壳；3—插座；4—导电胶；5—底座； 6—PZT-5；7—阻尼剂
图4 压电型加速度传感器结构示意图 1—基座；2—压电元件；3—导电片；4—质量块； 5—壳体；6—弹簧片；7—插头
图5 压电型加速度传感器的典型频率响应 压电元件上的惯性力F与加速度的关系为F = ma，由上述两式可得Q= mad。因为d、m为常数，所以产生的电荷与加速度a呈正比。压电元件的刚度为k，对一个简单的单自由度系统，传感器的谐振频率w可以由式（3）计算。 /wkm= （3） 压电加速度传感器的典型频率响应如图5所示[6]。压电加速度传感器的振动频率范围为0.3～10 kHz[6]。