液氨罐式集裝箱聲發(fā)射檢測及缺陷評定

顧建平 張延兵 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院南通分院

日前受企業(yè)委托對5只超純液氨罐式集裝箱進行全面檢驗，依據(jù)TSG R7001-2013《壓力容器定期檢驗規(guī)則》要求，該容器需要開罐、清洗和置換，達到檢驗條件后，方可進行檢驗。而容器一旦打開，外部空氣進入，將會破壞容器內(nèi)表面穩(wěn)定的鈍化層，目前國內(nèi)還沒有超純液氨罐的鈍化技術(shù)；另一方面，由于容器內(nèi)部盛裝純度達到99.99999%的液氨, 國內(nèi)也沒有能將容器內(nèi)部置換為純度達到7個9真空度的工藝,整個鈍化和置換過程都需要在國外完成，檢驗成本耗費巨大。依據(jù)TSG R7001-2013第二十九條規(guī)定：對于無法進行內(nèi)部檢驗的壓力容器，應(yīng)當(dāng)采用可靠的檢測技術(shù)（例如內(nèi)窺鏡、聲發(fā)射、超聲檢測等）從外部檢測內(nèi)部缺陷。為保證檢驗的順利進行, 采用同樣高純度的液氮對容器進行氣密性試驗，在此過程中使用聲發(fā)射檢測技術(shù)排查容器本體活性缺陷的分布狀態(tài)，利用超聲檢測對疑似缺陷部位進行復(fù)查，兩種檢測方法綜合使用從而為全面檢驗提供可靠無損檢測數(shù)據(jù)支撐。

1 聲發(fā)射檢測過程

超純液氨罐式集裝箱的容積24.1mm3，設(shè)計壓力為2.2MPa，氣密試驗壓力為2.2MPa，壁厚20mm，無內(nèi)襯，材質(zhì)為16MnDR。

1.1 檢測儀器及傳感器布置

采用美國PAC公司的SAMOS型48通道聲發(fā)射儀，傳感器型號為DP15I，其測點布置見圖1。由于容器上部有遮陽板，底部與車體連接，在封頭部分有人孔、閥門和儀表等，整個容器表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本次檢測采用對整個容器表面密布傳感器逐點監(jiān)測的方法實現(xiàn)缺陷的定位。聲發(fā)射儀器的設(shè)置參數(shù)見表1。

表1 聲發(fā)射儀器參數(shù)設(shè)定

1.2 氣密性試驗加載過程

本次檢測是在容器的氣密性試驗基礎(chǔ)上對容器進行整體聲發(fā)射檢測，以衡量容器是否有活性缺陷。由于氣密性試驗只需要做一次加載程序，所以無法按照GB18182-2012《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價方法》中的要求進行完整的兩次加載循環(huán)，故不能對其進行定量的缺陷源的綜合等級評價。但這并不影響對容器檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的判定，主要是因為聲發(fā)射檢測中兩次加載過程中，第二次加載循環(huán)為第一次加載循環(huán)的復(fù)驗，其主要目的是為防止一次加載循環(huán)中出現(xiàn)人為或環(huán)境干擾等因素造成聲發(fā)射信號采集的不準(zhǔn)確。在很多情況下，在一次加載循環(huán)中出現(xiàn)擴展的缺陷，由于已將缺陷累積的活性能量釋放，二次加載在沒有超過一次加載最高壓力的情況下，將不再有擴展現(xiàn)象，除非具有較強活性的缺陷，在第二次加載過程中再次出現(xiàn)缺陷擴展。這種情況只要對所有在一次加載循環(huán)中出現(xiàn)的疑似缺陷部位進行復(fù)查即可滿足要求。這也是聲發(fā)射檢測“重第一次升壓、輕第二次升壓”原則的緣由。加載分四個階段進行，如圖2所示。

圖2 氣密性試驗載荷曲線圖

2 聲發(fā)射檢測數(shù)據(jù)分析

按照預(yù)定的加載程序?qū)θ萜鬟M行氣密性試驗，并采用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測其缺陷的活動情況。在0～2.2MPa四個加載、保壓循環(huán)中，在前三個階段均未發(fā)現(xiàn)有異常聲發(fā)射信號，從2.0MPa升壓至2.2MPa過程中，在壓力臨近2.2MPa時，在3號通道（前封頭）附近出現(xiàn)了大量的聲發(fā)射信號集中現(xiàn)象如圖3所示，同時在2.2MPa保壓階段此信號繼續(xù)保持，見圖4所示。

2.1 幅值分析

圖3 升壓階段2.0～2.2MPa 3號傳感器幅值圖

圖4 保壓過程2.2MPa 3號傳感器幅值圖

對保壓過程中的聲發(fā)射信號幅值進行分析，這些聲發(fā)射信號的幅值并不是很高，絕大部分都在60dB以下，但由于聲發(fā)射技術(shù)重活性輕幅值的信號分析原則，還需要更加重視信號的具體活性分布情況。從幅值圖上可以看出，其幅值信號相對于常規(guī)聲發(fā)射噪聲信號有兩處明顯不同：首先信號比較密集，即信號的活性較強，這說明在這一過程中有較強活性的聲發(fā)射源的存在；另一方面，其聲發(fā)射信號都呈現(xiàn)瞬時特征，即異常信號都是在某一時刻突然增加，信號從發(fā)生到消失持續(xù)時間非常短，這是典型的突發(fā)型信號。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可以說明在實際的檢測過程中在3號通道處有異常聲發(fā)射源的產(chǎn)生，進而傳感器采集到了這一信號，但這一異常信號的性質(zhì)還不能簡單的據(jù)此進行判斷，更不可單純依據(jù)幅值信號的特征就對容器進行安全等級的評定。

2.2 波形分析

任意選取幅值圖上的其中一處突發(fā)型聲發(fā)射聚集信號，觀察其波形，可以看出，其為典型的沖擊波如圖5所示?；緵]有其他相近能量的信號波形混入，證明其信號來源單一，信號指向性非常明確。從表3中的該瞬時波形的信號特征參數(shù)中可以看出，其信號的能量非常低，遠遠小于金屬材料缺陷擴展信號的能量數(shù)值，因為缺陷擴展是母材或焊縫材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波，其宏觀表現(xiàn)為缺陷的活動狀態(tài)，其能量一般達到幾千甚至更高，而此次檢測采集到的聲發(fā)射信號其能量顯然不在一個數(shù)量級上，從常規(guī)分析而言，一般只有噪聲信號才會有如此低的能量，此信號不足以判定在3號傳感器處其存在較強活性的疑似缺陷。

圖5 波形分析

表2 選取信號波形特征參數(shù)

2.3 能量分析

為進一步確認(rèn)采集到的異常聲發(fā)射信號類別，對其進行全過程的能量分析，如圖6所示。從3號通道的能量圖上可以看出，在整個保壓過程中，絕大部分信號的能量都集中在非常低的區(qū)域，只有少量的信號能量達到了800左右，這與幅值信號中大量聲發(fā)射信號在短時間內(nèi)快速出現(xiàn)的現(xiàn)象完全不同，如果單從幅值信號看，就會很容易判定在保壓過程中出現(xiàn)的大量瞬時信號集中，為缺陷在載荷作用下的擴展。但從信號的能量分析就會得出截然不同的現(xiàn)象，在整個保壓過程中基本沒有高能量信號，容器本體活性狀態(tài)非常穩(wěn)定。再加上其信號能量非常低，且總體撞擊數(shù)也很少，基本可以排除這些異常信號為金屬內(nèi)部缺陷的活性擴展信號。

圖6 能量-時間歷程圖

2.4 數(shù)據(jù)濾波處理

依據(jù)對采集的聲發(fā)射信號特征參數(shù)分析，可以確定3號通道采集到的聲發(fā)射信號不是金屬材料缺陷擴展信號，為進一步的確認(rèn)推測結(jié)果，對采集到的聲發(fā)射信號進行后期數(shù)據(jù)處理，對于能量小于等于1的信號進行濾波處理，觀察其在整個保壓過程的幅值信號(見圖7)。

圖7 數(shù)據(jù)濾波后的幅值圖

從數(shù)據(jù)濾波后的信號幅值圖上可以看出，經(jīng)過數(shù)據(jù)濾波后，3號通道采集到的大量聲發(fā)射聚集事件消失，只剩下零散的幾個聲發(fā)射信號，說明在保壓過程中的異常聲發(fā)射信號為外界噪聲的干擾。由于噪聲持續(xù)時間較短所以其累積效應(yīng)很小，導(dǎo)致能量很小，也是噪聲信號的典型特征。從處理后的數(shù)據(jù)可以看出，聲發(fā)射信號總體數(shù)量大大降低，在整個保壓過程中，信號離散出現(xiàn)，且幅值較低，這與缺陷擴展瞬時擴展的特征不符，綜合上述分析，可以從信號層面排除容器本體存在活性缺陷。

為進一步驗證聲發(fā)射檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對發(fā)現(xiàn)異常聲發(fā)射信號的區(qū)域進行其他無損檢測方式進行復(fù)查，對于表面缺陷采用滲透探傷進行復(fù)查，對于埋藏缺陷采用超聲波探傷進行復(fù)查，均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷的存在，復(fù)驗結(jié)果證明了聲發(fā)射檢測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析的正確性。

3 關(guān)于現(xiàn)有壓力容器缺陷評定規(guī)則合理性的探討

針對此次超純液氨罐聲發(fā)射檢測做一個大膽的假設(shè)：假如對3號傳感器采集到的信號進行能量分析并進行噪聲濾波處理，其結(jié)果仍然呈現(xiàn)出與幅值信號類似的大量瞬時能量集中現(xiàn)象，信號能量在200-500范圍內(nèi)，相對于正常的金屬缺陷開展信號能量，其數(shù)值較小且甚至差了一個數(shù)量級。由于《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評定方法》重活性輕強度的信號評定原則，此缺陷信號仍然屬于強活性，需要進行其他無損檢測復(fù)查，而采用射線或超聲檢測進行缺陷的復(fù)查后，該區(qū)域被評定為Ⅰ級片或缺陷均在評定線以下，此時聲發(fā)射檢測顯示強活性，而壓力容器的評判規(guī)則顯示容器是安全的，如果出現(xiàn)此種情況該如何判定壓力容器的安全性。

依據(jù)現(xiàn)有的壓力容器檢驗標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程，容器安全狀況等級評定的標(biāo)準(zhǔn)都是依據(jù)缺陷的大小、深度、長度等幾何尺寸進行判定，當(dāng)缺陷小于某一個數(shù)量級時就認(rèn)為容器是安全的。筆者認(rèn)為這種評定方法有一些不合理之處，依據(jù)聲發(fā)射技術(shù)對缺陷的分類，將缺陷分為兩種：活性缺陷和死缺陷，對于死缺陷聲發(fā)射評定方法認(rèn)為其合格，對于活性缺陷就需要針對其活性程度等級進行相應(yīng)的安全狀況等級評定。對比壓力容器的評判標(biāo)準(zhǔn)與聲發(fā)射檢測標(biāo)準(zhǔn)，在兩者之間存在一個交叉區(qū)域，即當(dāng)缺陷尺寸很小，又達不到壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的缺陷評定等級（如超聲檢測中的評定線以下的小缺陷，射線檢測中的Ⅰ級底片等），此時就會評定為合格。但是如果這個小的缺陷其活性程度非常高，在試驗載荷下其缺陷擴展的速度非?？?，聲發(fā)射信號事件呈現(xiàn)快速增加趨勢，此時依據(jù)聲發(fā)射檢測標(biāo)準(zhǔn)要求，此種壓力容器是不合格的壓力容器，需要立即停止試驗，找出缺陷修復(fù)合格后才可以繼續(xù)進行檢測。而這種小缺陷強活性的案例確實存在。

如我國進口的一結(jié)晶壓力容器，在設(shè)備驗收時，對容器進行整體無損檢測，傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)如射線、超聲、磁粉、滲透等均未發(fā)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)缺陷存在，但通過電鏡掃描發(fā)現(xiàn)在容器母材表面存在大量微裂紋，長度均為千分之幾毫米左右(容器筒體卷板為冷成型)，在聲發(fā)射檢測中，發(fā)現(xiàn)在大量的微裂紋集中區(qū)域，其聲發(fā)射信號活性非常強，如果按照GB/T18182-2012進行評判，此容器的安全等級就會下降很多，但依據(jù)現(xiàn)有的壓力容器評定規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)，此容器是安全的（具體見《中國特種設(shè)備安全》2013年第11期“金屬壓力容器水壓試驗聲發(fā)射檢測”)，目前該容器已申請進行安全評估。

4 結(jié)論

從上面的分析可以看出，單純依據(jù)現(xiàn)有壓力容器檢測標(biāo)準(zhǔn)對缺陷進行安全評定有一些值得商榷的東西，至少是不全面的，尤其對于有較高使用要求的壓力容器（如核電、軍工、航天等領(lǐng)域）其對容器本身的要求相當(dāng)高，容不得些許隱患的存在。此時對缺陷的排查及評定就顯得非常重要。壓力容器聲發(fā)射檢測在對缺陷評定時引入了活性的概念，從缺陷的活性方面實現(xiàn)了對缺陷的安全等級評定，避免了強活性小尺寸缺陷的漏檢，是對傳統(tǒng)缺陷形狀尺寸評定的一種有益補充，綜合利用兩種評定方法可以實現(xiàn)對缺陷更準(zhǔn)確更科學(xué)的判定，對于更大程度上保證設(shè)備的安全應(yīng)該具有積極的意義。