壓力容器聲發(fā)射檢測技術(shù)論述

耿雪峰

(上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院,上?！?00333)

壓力容器聲發(fā)射檢測技術(shù)論述

耿雪峰

(上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院,上海200333)

在石油化工、核工業(yè)領(lǐng)域中壓力容器應(yīng)用條件十分嚴格,絕大部分運行在高壓高溫、高壓低溫、高載荷介質(zhì)中,條件非常惡劣,聲發(fā)射檢測技術(shù)就是對上述問題有效解決的方法之一。本文通過對聲發(fā)射檢測的主要原理有效闡述,總結(jié)了聲發(fā)射檢測的優(yōu)點和不足,介紹了壓力容器常見缺陷的聲發(fā)射特征,并且概述了聲發(fā)射檢測技術(shù)在壓力容器中的應(yīng)用情況。

壓力容器聲發(fā)射檢測技術(shù)缺陷

1　聲發(fā)射技術(shù)原理及檢測系統(tǒng)

1.1聲發(fā)射技術(shù)概念

聲發(fā)射技術(shù)是一種新型動態(tài)無損檢測技術(shù)，它與一般的無損檢測例如超聲波、射線等其它無損檢測技術(shù)不同，其是一種定期對壓力容器進行檢驗的一種創(chuàng)新方法。聲發(fā)射技術(shù)原理如圖1所示。

聲發(fā)射源，具體是指聲發(fā)射事件的物理源點或者出現(xiàn)聲發(fā)射波的機制源。對聲發(fā)射材料局部引發(fā)變化稱為聲發(fā)射事件。此外，另一類與泄漏流體、摩擦、撞擊、燃燒等變形與斷裂機制沒有直接關(guān)系的彈性波源，稱之為二次聲發(fā)射源。

壓力容器聲發(fā)射檢測的主要工作為:(1)明確聲發(fā)射源的位置; (2)研究聲發(fā)射源的特點;(3)明確聲發(fā)射出現(xiàn)的時間或者載荷;(4)對聲發(fā)射源的嚴重程度有效評定。通常來說，通過其它無損檢測方法對超標聲發(fā)射源實行局部復(fù)檢，以便對缺陷性質(zhì)和大小積極明確。

1.2聲發(fā)射技術(shù)的特點

1.2.1優(yōu)點

第一，可以檢測危害結(jié)構(gòu)安全的活動性缺陷。由于在應(yīng)力作用下提供缺陷動態(tài)信息，適合評價缺陷危害結(jié)構(gòu)的實際程度;

第二，可以整體或者大范圍快速檢測大型構(gòu)件。由于不需要采取復(fù)雜的掃查操作，而只需要布置充足數(shù)量的傳感器，通過一次加載或者試驗，就能夠明確缺陷位置，進一步有效提高檢測效率;

第三，可以提供缺陷隨著載荷、時間、溫度等外變量變化的實時連續(xù)信息，在工業(yè)過程的在線監(jiān)控和早期破壞預(yù)報中十分適用;

第四，由于對被檢件的接近要求較低，因此與其它方法適用很難或者無法接近環(huán)境下的檢測;

第五，由于對構(gòu)件的幾何形狀并不敏感，因此在檢測其它方法受到限制的復(fù)雜形狀的構(gòu)件中較為適用。

1.2.2局限性

第一，聲發(fā)射特點對材料十分敏感，機電噪聲又會對其造成干擾，因此，解釋數(shù)據(jù)過程中需要進行十分詳細的數(shù)據(jù)分析與現(xiàn)場檢測經(jīng)驗。第二，聲發(fā)射檢測通常需要實行合理的加載程序。大部分情況下，可以采用目前的加載條件，但有時還需要特殊準備。第三，聲發(fā)射檢測所發(fā)現(xiàn)缺陷的定量定性，有些時候還需要借助于其它無損檢測方法。

表1　加氫精制預(yù)反應(yīng)器參數(shù)表

圖1　聲發(fā)射技術(shù)原理

圖2　加載曲線

1.3聲發(fā)射檢測系統(tǒng)

1.3.1單通道聲發(fā)射儀器

通常包含了傳感器、前置放大器、主放大器、測量信號參數(shù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、記錄和顯示等。

傳感器傳輸?shù)男盘?，通過前置放大器有效放大，由濾波器鑒別頻率，進一步利用主放大器實施放大，得到信號參數(shù)，單元運算分析，最終向記錄和顯示單元輸出。隨著檢測設(shè)備的不同類型，測量參數(shù)以及分析顯示也會形成極大差異。

1.3.2多通道聲發(fā)射系統(tǒng)

(1)微機控制式多通道系統(tǒng)。這一系統(tǒng)通過多處理器并行處理結(jié)構(gòu)，具體包含了高速采集用單獨通道控制器、協(xié)調(diào)用總體通道控制器和統(tǒng)計數(shù)據(jù)用主體算機。

單獨通道控制器，分別對兩個單獨信號通道進行控制，進一步測量波擊參數(shù)，包含的常規(guī)參數(shù)包含能量、幅度、持續(xù)時間、提高時間、信號平均電平等，并且在大容量輸出緩沖器中迅速存儲。

總通道控制器，緩沖器容量更大，同時和前端與主機發(fā)揮協(xié)調(diào)功能，它把讀取的波擊參數(shù)組與外變量，通過每個波擊達到傳感器的順序，逐一提供給主機并且存儲至硬盤。

主計算機，可以利用IBM兼容機，在各類軟件的支撐下，能夠完成實時或者事后的分析和顯示。軟件的具體性能包括:第一，實時采集數(shù)據(jù)，分別是設(shè)置、轉(zhuǎn)存與顯示條件方式;第二，源定位，分別是一維、二維定位和顯示事件集中區(qū);第三，事后分析，分別是數(shù)據(jù)濾波與編程性能;第四，在附件支撐下記錄波型和譜分析。

(2)全數(shù)字式多通道聲發(fā)射系統(tǒng)。隨著處理數(shù)字信號技術(shù)的發(fā)展，近年來開發(fā)全數(shù)字式多功能聲發(fā)射系統(tǒng)已經(jīng)成為一種新趨勢。主要特點為經(jīng)過前置放大信號不需要再通過處理一系列模擬電路而是直接轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，同時實施提取常規(guī)特性參數(shù)以及記錄波形。這樣不但完善了電路的穩(wěn)定性與可靠性，并且有效提高了系統(tǒng)處理信號的能力。

2　壓力容器常見缺陷的聲發(fā)射特征

2.1壓力容器的典型聲發(fā)射源

(1)擴展裂紋。壓力容器焊縫表面裂紋與內(nèi)部深埋裂紋的尖端塑性形變鈍化與擴展進一步形成聲發(fā)射信號。

(2)焊接問題開裂。氣孔、夾渣、未熔合與未焊透問題導(dǎo)致的開裂和擴展以及斷裂非金屬渣物出現(xiàn)在壓力容器焊縫內(nèi)進而形成了聲發(fā)射信號。

(3)機械摩擦。壓力容器碰撞外部腳手架、內(nèi)部塔板、外部保溫支撐平臺等全部都可以形成機械摩擦聲發(fā)射信號。此外，由墊板連接立式容器的裙座、臥式容器的馬鞍型支座與容器殼體和支撐板，通常墊板和容器殼體全部或者部分利用焊縫焊接。在加壓過程中，不同的墊板和殼體膨脹造成的摩擦極有可能形成大規(guī)模的聲發(fā)射信號。

(4)釋放焊接殘余應(yīng)力。針對新制壓力容器，第一次加壓容易出現(xiàn)這類信號，對于正在使用的壓力容器，焊縫修理位置容易產(chǎn)生這類聲發(fā)射源。此外在容器的裙座、支座、支柱等角焊縫位置容易形成應(yīng)力集中與殘余焊接應(yīng)力。在升壓工作中重新分布應(yīng)力可形成很多聲發(fā)射信號。

2.2壓力容器常見缺陷的聲發(fā)射特征

2.2.1定位特性

(1)裂紋。采取分階段升壓、保壓、降壓多次循環(huán)實施加壓程序。在整體試驗過程對缺陷采取探頭進行三角定位聲發(fā)射檢測。

第一加壓中，在裂紋附近全部出現(xiàn)了大量成團的聲發(fā)射定位源;針對表面裂紋來講，聲發(fā)射定位源在低壓下就會產(chǎn)生，在壓力接近2Mpa時，裂紋出現(xiàn)最激烈的活動，聲發(fā)射定位源信號出現(xiàn)峰值;針對探埋裂紋來講，聲發(fā)射定位源信號出現(xiàn)在1-1.5Mpa壓力下，裂紋在3Mpa壓力下出現(xiàn)最激烈的活動。

在第一次加壓的10分鐘保壓期間，在裂紋周圍也會形成很多聲發(fā)射定位源信號。在降壓過程中閉合表面開口裂紋也能形成一些聲發(fā)射定位源，而沒有開口的深埋裂紋不會出現(xiàn)聲發(fā)射定位源信號。在降壓過程中的第二次升壓與保壓中，裂紋位置不會或者很少出現(xiàn)聲發(fā)射定位源信號。

(2)為焊透、為熔合、夾渣等焊接缺陷。在升壓過程中，兩個聲發(fā)射定位源以及三個升壓與保壓過程全部產(chǎn)生了聲發(fā)射定位源，試驗之后復(fù)驗射線探傷一處出現(xiàn)大概斷續(xù)500mm的未焊透與未熔合缺陷，另外一處則是大量氣孔夾渣缺陷，根據(jù)射線標準設(shè)定為IV級，需要返修。

(3)結(jié)構(gòu)摩擦。在檢驗壓力容器過程中，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)摩擦形成大量的聲發(fā)射定位源信號是普遍現(xiàn)象。一般由腳手架、支座、平臺等焊接墊板產(chǎn)生結(jié)構(gòu)摩擦。結(jié)構(gòu)摩擦形成的聲發(fā)射定位源在較大范圍內(nèi)散步，也就是在降壓之后的第二次升壓中還會出現(xiàn)聲發(fā)射信號。

(4)泄漏。穿透裂紋、人孔、法蘭與閥門的泄漏等都會出現(xiàn)持續(xù)的聲發(fā)射信號。由于通過泄漏會產(chǎn)生連續(xù)的聲發(fā)射信號，因此無法采取時差定位法實行定位。但是，針對多通道儀器來講，探頭與泄漏源通道越接近，就會采集越多的聲發(fā)射信號，也會獲得越大的信號幅度、能量等參數(shù)。利用聲發(fā)射信號撞擊次數(shù)、幅度、能量等和聲發(fā)射通道分布圖，能夠明確泄漏源的區(qū)域。

2.2.2分布特點

測試結(jié)果說明，表面裂紋、深埋裂紋與未熔合、未焊透、氣孔等焊接缺陷形成的聲發(fā)射信號參數(shù)沒有顯著的差異，除了電子噪音與泄漏聲發(fā)射信號擁有巨大的能量與持續(xù)時間之外，其它聲發(fā)射源信號的聲發(fā)射參數(shù)分布特點基本上類似的。

3　聲發(fā)射技術(shù)在壓力容器檢測中的應(yīng)用

3.1基本參數(shù)(表1) 3.2 檢測儀器及參數(shù)

32通道聲發(fā)射檢測設(shè)備，具體參數(shù):40dB門檻，30dB增益;R15傳感器，1220A前置放大器;靜態(tài)應(yīng)變測量分析設(shè)備。

3.3檢測方案

(1)聲發(fā)射檢測方案。利用二次加載方法，進一步獲得更加充分和可靠的檢測數(shù)據(jù)。完成加載，再次對各通道進行標定，明確在加載期間各通道全部正常。

(2)應(yīng)變檢測方案。將18點布片設(shè)置在進料與出料管道和反應(yīng)器中，為了獲得準確的測量，利用一個應(yīng)變片采取一個公共線的方式，如此雖然增加了導(dǎo)線數(shù)量，但是防止了應(yīng)變片之間的干擾。由于各個部分溫差會導(dǎo)致測量差異，選擇三個補償塊，6個溫度補償塊，很好對全部溫度梯度的各個位置完成溫度補償操作。

3.4加壓過程

根據(jù)圖2可知。設(shè)定設(shè)備目前壓力是8Mpa，設(shè)備系統(tǒng)安全閥起跳壓力是9.3Mpa，實驗壓力為12.87Mpa，按照現(xiàn)場具體情況，設(shè)定最高實驗壓力為15Mpa。盡可能實現(xiàn)平穩(wěn)加載，設(shè)計加載速度是0. 5M pa/m in。

3.5檢測結(jié)果及分析

3.5.1聲發(fā)射檢測結(jié)果

認真事后處理與分析各個加載過程的檢測數(shù)據(jù)，本次聲發(fā)射檢測一共明確3點聲源，其中下封頭法蘭密封面滲漏引起了1聲源，之后采取緊固螺栓對其影響有效消除，2和3均是有效聲源，并且全部是1級，不需要采取無損復(fù)檢。

3.5.2應(yīng)變檢測結(jié)果

檢測數(shù)據(jù)準確，應(yīng)變檢測數(shù)據(jù)都是簡體上環(huán)向應(yīng)力二倍于軸向應(yīng)力的關(guān)系，具體檢測結(jié)果為:

(1)反應(yīng)器進出料口管道位置形成的四點檢測結(jié)果全部是軸向力在15-17Mpa之間，環(huán)向應(yīng)力在30-40Mpa之間，應(yīng)力值不大，達到了安全要求。

(2)測試容器封頭上的兩點結(jié)果說明，由于封頭擁有較大的厚度，因此應(yīng)力數(shù)值并不大。

(3)分布在筒體上的四點較為均勻，沒有出現(xiàn)強烈的波動，環(huán)向接近于軸向應(yīng)力的二倍。(4)在接管位置由于存在加強高，無法對接管跟部進行檢測。上述數(shù)據(jù)實測條件是15Mpa，按照檢測結(jié)果說明這一反應(yīng)器符合操作強度要求。

4　聲發(fā)射檢測結(jié)果對壓力容器安全性能的評價

4.1未發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射源的壓力容器安全性能評價

(1)設(shè)計、制造和安裝的影響。在檢驗壓力容器時，在沒有發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射源的狀況下，明確壓力容器的安全級別，還需要保證設(shè)計、制造和安裝設(shè)備符合相關(guān)規(guī)定。這些方面沒有符合要求，壓力容器雖然沒有產(chǎn)生聲發(fā)射源，可是壓力容器具有危險隱患。只有資料檢查與結(jié)構(gòu)符合規(guī)定要求之后，按照檢測聲發(fā)射技術(shù)結(jié)果對壓力容器安全級別是否完好發(fā)揮了巨大意義。

(2)設(shè)備運作情況的影響。材料的受載歷史嚴重影響了重復(fù)加載聲發(fā)射特點。重復(fù)載荷在未達到原先增加最大載荷之前無法形成顯著聲發(fā)射，這一聲發(fā)射不可逆性稱為凱賽爾效應(yīng)。其是檢驗壓力容器中利用聲發(fā)射技術(shù)的基礎(chǔ)。由于沒有發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射源信號，對壓力容器安全情況進行判定為1級，記錄設(shè)備運行情況、開停車、操作備件改變情況以及運行中的異常狀況等，實行詳細檢查，明確壓力容器沒有出現(xiàn)超溫超壓運行，反之采集壓力容器檢驗的聲發(fā)射信號便喪失了真實性。

根據(jù)腐蝕機理可以將金屬壓力容器腐蝕劃分為電化學(xué)與化學(xué)腐蝕。在檢驗壓力容器過程中，應(yīng)當認真研究怎樣發(fā)現(xiàn)引起腐蝕情況的介質(zhì)與環(huán)境，必要情況下可以全面宏觀檢查與利用常規(guī)無損檢測技術(shù)復(fù)檢設(shè)備，在明確沒有發(fā)生腐蝕現(xiàn)象時，才能采用聲發(fā)射技術(shù)檢驗過程沒有發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射源信號的特性，判斷壓力容器安全級別，也就是其是否能夠安全運行。

4.2壓力容器常見缺陷的聲發(fā)射特征

聲發(fā)射檢測的主要目標是對聲發(fā)射源的位置與性質(zhì)有效識別，而處理聲發(fā)射信號是解決這一問題的主要途徑。在處理與分析聲發(fā)射信號過程中，除了一般應(yīng)用的典型聲發(fā)射信號參數(shù)與定位研究之外，我們當前還研究了基于波形分析基礎(chǔ)上的模態(tài)分析、經(jīng)典譜分析、小波分析，此外對聲發(fā)射信號參數(shù)也應(yīng)用了模式識別、模糊分析等，我國還獨立研究了分析各種信號的識別模式軟件包。通過處理和分析這些信號，可以在不對聲發(fā)射源位置實行常規(guī)無損檢測復(fù)驗的前提下，直接提供聲發(fā)射源的性質(zhì)和危險級別?？墒沁@些方法僅僅是應(yīng)用于實驗中，在開展大規(guī)模壓力容器聲發(fā)射技術(shù)檢驗中并不適用。

接下來介紹與大型壓力容器檢驗的聲發(fā)射源相適合的一種分析方法，通過評價多臺壓力容器檢驗之后的安全級別，證明了其可靠性。

(1)劃分源的活度。假如源區(qū)的事件數(shù)量隨著升壓或者保壓迅速增多時，則認為這一位置源的活性極強。假如源區(qū)事件數(shù)量隨著升壓或者保壓持續(xù)增加時，則認為該位置的源具有活性。

(2)劃分源的強度?？梢圆捎媚芰俊⒎然蛘哂嫈?shù)參數(shù)表示源的強度，計算源的強度采取源區(qū)前5個最大能量、幅度或者計算參數(shù)的平均數(shù)值。

5　結(jié)語

聲發(fā)射檢測是一種無損檢測的新技術(shù)，在壓力容器定期檢驗中應(yīng)用完全具有可行性。我們需要對這一技術(shù)大力實施推廣，促使在檢驗工作中越來越多的應(yīng)用聲發(fā)射檢測方法，以便有效提高檢驗和檢測效率，保證正常安全運行設(shè)備。隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運行要求嚴格的容器，這樣勢必對檢測技術(shù)與水平形成了更大的挑戰(zhàn)，為了與這一發(fā)展速度有效適應(yīng)，研究聲發(fā)射檢測技術(shù)已經(jīng)成為一種重要的發(fā)展趨勢。

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耿雪峰(1980—),男,上海人,工程師,碩士,長期從事承壓特種設(shè)備的檢驗、檢測研究工作。