10 079 m3丁烷球罐的聲發(fā)射檢測(cè)

曾德程 王春強(qiáng)

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 南寧 530219）

10 079 m3丁烷球罐的聲發(fā)射檢測(cè)

曾德程 王春強(qiáng)

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 南寧 530219）

介紹采用兩套聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)完成10079m3丁烷球罐的在線檢測(cè)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開罐檢驗(yàn)。介紹其操作要點(diǎn)、檢驗(yàn)程序、注意事項(xiàng)，能實(shí)現(xiàn)大規(guī)格球罐的在線檢測(cè)，說明該方法是快速、經(jīng)濟(jì)、有效的不開罐檢測(cè)手段，可供今后此類球罐的檢驗(yàn)提供參考。

聲發(fā)射檢測(cè) 球罐 HITEN610U2鋼

1 情況介紹

某能源有限公司一臺(tái)10079m3丁烷球罐主要技術(shù)參數(shù)為：設(shè)計(jì)壓力0.79MPa，設(shè)計(jì)溫度-5℃～50℃，工作介質(zhì)為丁烷，主體材質(zhì)為日本鋼板HITEN610U2，球罐內(nèi)徑為Sφ26800mm，結(jié)構(gòu)形式為混合式，14個(gè)支柱，公稱壁厚為31mm（上極板，上溫帶）、32mm（赤道帶）、33mm（下溫帶，下極板）。設(shè)計(jì)單位：合肥通用機(jī)械研究所，球殼板制造單位：大連金鼎石油化工機(jī)器有限公司，安裝單位：沈陽工業(yè)安裝集團(tuán)球罐分公司。安裝時(shí)該球罐進(jìn)行了100%射線檢測(cè)，2010年1月首次檢驗(yàn)，內(nèi)外表面焊縫經(jīng)磁粉檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)磁痕顯示，超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷兩處，缺陷暫未處理，安全狀況等級(jí)為：3級(jí)。

2 檢驗(yàn)介紹

按照傳統(tǒng)的檢驗(yàn)手段，需要對(duì)球罐物料進(jìn)行置換，打開人孔，內(nèi)外搭設(shè)腳手架及作業(yè)平臺(tái)，并請(qǐng)人員對(duì)內(nèi)外焊縫進(jìn)行打磨，輔助工作需要3個(gè)月的時(shí)間，對(duì)使用單位而言，時(shí)間的耽擱意味著經(jīng)濟(jì)利益的損失。大量實(shí)踐證明[1-5]，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用在大型球罐上是可行的，確保檢驗(yàn)質(zhì)量的同時(shí)也不影響使用單位的正常生產(chǎn)。

結(jié)合首次全面檢驗(yàn)的情況，查閱使用單位提供的物料成分分析報(bào)告（重點(diǎn)分析含水量及H2S成份），調(diào)查國(guó)內(nèi)HITEN610U2材質(zhì)制造的球罐檢驗(yàn)情況[6]，分析可知，對(duì)該大型球罐采用在線的檢測(cè)手段是可行的。

3 檢驗(yàn)方案

3.1 檢驗(yàn)方案的可行性分析

由于NB/T 47013.9—2012《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第9部分：聲發(fā)射檢測(cè)》關(guān)于聲發(fā)射定位源的強(qiáng)度分級(jí)是依據(jù)Q345R材料進(jìn)行分析的[7]，而該球罐的主要材質(zhì)為日本鋼板HITEN610U2(下屈服強(qiáng)度ReL≥490MPa級(jí)的低焊接冷裂紋敏感性高強(qiáng)度鋼)[8-9], 按鋼廠證明書數(shù)據(jù)，鋼板為調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨，拉伸試驗(yàn)的下屈服強(qiáng)度ReL=590MPa，抗拉強(qiáng)度Rm=683MPa，伸長(zhǎng)率A=27%。HITEN610U2鋼板的化學(xué)成分見表1[10]，Q345R板材的化學(xué)成分見表2[11]。

表1 HITEN610U2鋼板的化學(xué)成分

表2 Q345R鋼板的化學(xué)成分

由于球罐主要材質(zhì)為日本鋼板HITEN610U2，較國(guó)內(nèi)常用Q345R鋼，HITEN610U2鋼中含Ni 為0.02%，而Q345R中含Si為0.35%，其它元素HITEN610U2優(yōu)于Q345R。硅（Si）與鎳（Ni）兩種元素在鋼材中有提高淬透性和固溶強(qiáng)化作用，結(jié)合聲發(fā)射在不同材質(zhì)下檢測(cè)情況分析，可參照Q345R經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷。本著謹(jǐn)慎的原則，前期確定方案時(shí)，預(yù)先在球罐罐壁采用2Hφ0.3mm鉛芯折斷測(cè)量實(shí)際距離—衰減曲線，測(cè)量情況見表3。

表3 HITEN610U2衰減測(cè)定

根據(jù)試驗(yàn)確定將最大傳感器間距控制在6m以內(nèi)。

圖1 HITEN610U2鋼材的衰減測(cè)試

3.2 檢驗(yàn)方案的確定

在球罐外部搭設(shè)腳手架及作業(yè)平臺(tái)，提高球罐內(nèi)部介質(zhì)的液位，采用液態(tài)的原介質(zhì)加載進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)，根據(jù)加壓和保壓階段出現(xiàn)的有效聲發(fā)射源定位信號(hào)確定需要驗(yàn)證的部位，采用JB/T 4730.2～ 4730.6、NB/T 47013.7～ 47013.8、NB/T 47013.10所規(guī)定的檢測(cè)方法進(jìn)行表面和（或）內(nèi)部缺陷檢測(cè)。對(duì)上一個(gè)檢驗(yàn)周期發(fā)現(xiàn)的問題采用同樣無損檢測(cè)手段進(jìn)行復(fù)核，判斷可記錄的缺陷是否擴(kuò)展。對(duì)于兩套聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的重合區(qū)（見圖2）應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行常規(guī)無損檢測(cè)抽查。對(duì)上下極板環(huán)縫、上下溫帶環(huán)縫、赤道帶環(huán)縫外表面進(jìn)行表面磁粉及超聲波檢測(cè)。

4 聲發(fā)射檢測(cè)

4.1 聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的調(diào)試

由于該規(guī)格球罐的聲發(fā)射檢測(cè)需配備的檢測(cè)通道數(shù)極大，單獨(dú)使用一臺(tái)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)成本極高，國(guó)內(nèi)的檢測(cè)單位目前擁有通道數(shù)最多的是112通道。經(jīng)分析，可使用兩臺(tái)美國(guó)PAC公司聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)并聯(lián)，其中一套系統(tǒng)為SAMOS-88通道（檢測(cè)上半球及部分下半球），外借另一套系統(tǒng)為48通道（檢測(cè)下半球）?；緟?shù)如下：傳感器為R15IAST(帶前置放大器，可自激發(fā)標(biāo)定) 、R15I、DP15I諧振型傳感器，中心頻率為150kHz，放大器增益為40dB，測(cè)量背景噪聲＜35dB,觸發(fā)門檻值為40dB，浮動(dòng)門檻為6dB，采用2Hφ0.3mm鉛芯折斷信號(hào)為模擬源，模擬濾波器頻率為100～400kHz，設(shè)置為球面定位方式，全波形采集和參數(shù)采集，傳感器平均靈敏度為96dB，波速用時(shí)差法在球罐表面進(jìn)行實(shí)測(cè)。

4.2 傳感器的安裝

傳感器1—88通道檢測(cè)上半球及部分下半球，傳感器1—48通道檢測(cè)剩余部分下半球，兩套檢測(cè)系統(tǒng)1-18號(hào)分別設(shè)置在同一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)上（即下圖的“重合區(qū)”），實(shí)現(xiàn)兩套檢測(cè)系統(tǒng)的對(duì)接。對(duì)出現(xiàn)在重合區(qū)的信號(hào)應(yīng)在兩套檢測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行對(duì)比分析，排除干擾。對(duì)于某檢測(cè)系統(tǒng)，在有效檢測(cè)區(qū)域外出現(xiàn)某定位事件，應(yīng)對(duì)比分析，是否同樣也出現(xiàn)在另一套檢測(cè)系統(tǒng)中，可排除干擾。上下人孔各布置一個(gè)傳感器，中間共布置9層，相臨兩層之間的弧長(zhǎng)約為4218mm，共計(jì)136通道。傳感器布置的經(jīng)緯度展開圖如圖2所示。

圖2 傳感器布置的經(jīng)緯度展開圖

軟件定位圖的設(shè)置：兩套系統(tǒng)的球罐規(guī)格參數(shù)應(yīng)設(shè)置一樣，硬件參數(shù)及時(shí)間參數(shù)設(shè)置一樣，保證數(shù)據(jù)可對(duì)比的前提條件。軟件定位軟件截圖如圖3、圖4所示：

圖3 88通道軟件截圖

圖4 48通道軟件截圖

4.3 同軸信號(hào)線的敷設(shè)

檢測(cè)通道一共136個(gè)，需要配備相應(yīng)的信號(hào)線，為了更好的利用各種規(guī)格的同軸信號(hào)線，布置前應(yīng)進(jìn)行空間上的優(yōu)化，如圖5所示，這樣可以大大減輕敷設(shè)的難度，也避免了大規(guī)格（100m）線纜的浪費(fèi)。

圖5 線纜的空間優(yōu)化

4.4 加壓過程

傳統(tǒng)的輕烴介質(zhì)球罐在線檢測(cè)受運(yùn)行壓力和溫度的影響，不飽和狀態(tài)會(huì)造成一定的壓力波動(dòng)，故大多都采用潔凈水作耐壓試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。由于該能源有限公司擁有2個(gè)2 萬m3的低溫固定拱頂罐，能提供足夠的原材料。當(dāng)液位升到檢測(cè)采集的初始?jí)毫?，需靜止3天以上，提高罐壁的溫度。因?yàn)榈蜏匚锪蠒?huì)造成罐壁溫度過低，與環(huán)境溫差大，球罐外壁有大量的冷凝水，會(huì)影響聲發(fā)射檢測(cè)的基本操作。用液態(tài)的原材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的潔凈水作為升壓的介質(zhì)，通過提高液態(tài)原材料的液位并用液態(tài)的輕烴泵進(jìn)行加載，可以有效的控制加載時(shí)間，壓力的調(diào)節(jié)穩(wěn)定、便捷，聲發(fā)射非相關(guān)信號(hào)較少，可以大大縮短檢測(cè)時(shí)間且對(duì)使用單位的影響較小。丁烷的物料比重600kg/m3,設(shè)備凈質(zhì)量722260kg，計(jì)算可知，充滿液態(tài)丁烷后總重超過6165t，翻閱球罐安裝時(shí)的竣工資料，掌握預(yù)埋支柱基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)球罐14根支柱實(shí)際不垂直度及使用多年后沉降程度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量后，確認(rèn)該球罐能夠承受液壓試驗(yàn)的液體重量。根據(jù)相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的要求確定聲發(fā)射檢測(cè)最高試驗(yàn)壓力和加載程序，采用二次循環(huán)加壓的程序，如圖6所示。加載過程要注意介質(zhì)的注入速率，控制泵的出口壓力，力求平穩(wěn)，同時(shí)在加載過程中對(duì)基礎(chǔ)的沉降進(jìn)行實(shí)測(cè)記錄，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)須立即停止加壓。檢測(cè)過程中如遇到強(qiáng)噪聲干擾，應(yīng)停止加壓并暫停檢測(cè)，排除強(qiáng)噪聲干擾后再進(jìn)行檢測(cè)。

圖6 加載程序示意圖

4.5 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

聲發(fā)射檢測(cè)成功的關(guān)鍵之一是排除非相關(guān)信號(hào)的干擾[12-13]，這樣才能確保采集信號(hào)有效性，利于后期數(shù)據(jù)的處理與分析。從檢測(cè)數(shù)據(jù)中標(biāo)識(shí)出檢測(cè)過程中出現(xiàn)的噪聲數(shù)據(jù)，并在檢測(cè)記錄中注明。安裝完傳感器后進(jìn)行背景噪聲的檢測(cè)時(shí)，出現(xiàn)的都是高幅值信號(hào)（＞80dB），且定位事件的出現(xiàn)呈幾何級(jí)的增長(zhǎng)，此現(xiàn)象很不正常。把傳感器從罐壁脫離后，安裝在其它鋼板上，測(cè)試未見異常。經(jīng)了解，該球罐表面安裝有外測(cè)振動(dòng)超聲波液位計(jì)，定時(shí)發(fā)送脈沖信號(hào)，把此裝置關(guān)閉后，測(cè)試未見異常。

本次聲發(fā)射檢測(cè)是球罐在用原介質(zhì)加壓過程中，進(jìn)行聲發(fā)射整體監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，壓力從0.35MPa開始對(duì)被檢容器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，共進(jìn)行兩個(gè)加壓循環(huán)。升壓速度一般不應(yīng)大于0.5MPa/min。在兩次加壓循環(huán)和保壓過程中沒有出現(xiàn)可記錄的聲發(fā)射定位源信號(hào)。

4.6 磁粉檢測(cè)及超聲波檢測(cè)(A超及TOFD檢測(cè))

對(duì)上一個(gè)檢驗(yàn)周期發(fā)現(xiàn)的問題采用同樣無損檢測(cè)手段進(jìn)行復(fù)核，判斷可記錄的缺陷是否擴(kuò)展，測(cè)量缺陷的自身高度。對(duì)于兩套聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的重合區(qū)（分析如下）應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行常規(guī)無損檢測(cè)抽查。對(duì)上下極板環(huán)縫、上下溫帶環(huán)縫、赤道帶環(huán)縫外表面進(jìn)行表面磁粉及超聲波檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)危害性缺陷，驗(yàn)證了聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果的正確性。

5 結(jié)論

1）10079m3球罐的聲發(fā)射檢測(cè)國(guó)內(nèi)目前開展極少，主要的原因是配套的聲發(fā)射檢測(cè)儀器通道數(shù)極多，一般的檢測(cè)單位不具備此硬件設(shè)施，該檢驗(yàn)實(shí)例為采用聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)大型球罐積累了經(jīng)驗(yàn)，提供一種可行的檢測(cè)思路。

2）聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)材料非常敏感，對(duì)本文中HITEN610U2材料參照了Q345R材料的聲發(fā)射特性，對(duì)檢測(cè)結(jié)果的判斷會(huì)引入一定的誤差，在條件許可的情況下，對(duì)球罐材料的聲發(fā)射特性進(jìn)行研究，有助于提高聲發(fā)射信號(hào)源判斷的準(zhǔn)確性；

3）加壓方式的不同。傳統(tǒng)的輕烴介質(zhì)球罐在線檢測(cè)受運(yùn)行壓力和溫度的影響，不飽和狀態(tài)會(huì)造成一定的壓力波動(dòng)，故大多都采用潔凈水作耐壓試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。由于該能源有限公司擁有2個(gè)2萬m3的低溫固定拱頂罐，能提供足夠的原材料。用液態(tài)的原材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的潔凈水作為升壓的介質(zhì)，通過提高液態(tài)原材料的液位并用液態(tài)的輕烴泵進(jìn)行加載，可以有效的控制加載時(shí)間，壓力的調(diào)節(jié)穩(wěn)定、便捷，聲發(fā)射非相關(guān)信號(hào)較少，可以大大縮短檢測(cè)時(shí)間且對(duì)使用單位的影響較小。但應(yīng)在檢測(cè)前制定詳細(xì)的安全措施，時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)球罐基礎(chǔ)沉降，避免接近最大充裝量帶來的危險(xiǎn)，確保檢測(cè)加載過程的安全。

4）排除非相關(guān)信號(hào)的干擾是關(guān)鍵。檢驗(yàn)前期中受安裝在球罐表面的外測(cè)振動(dòng)超聲波液位計(jì)的干擾，出現(xiàn)的都是高幅值信號(hào)（＞80dB），排除這一干擾相當(dāng)重要。

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The Detection of 10079 Cubic Meters Spherical Tank by Acoustic Emission

Zeng Decheng Wang Chunqiang
(Guangxi Special Equipment Inspection and Research Institute Nanning 530219)

This paper introduced the use of two sets of acoustic emission detection system to complete 10079m3butane spherical tank on-line detection, instead of the traditional open-can inspection, and introduces the operation points, inspection procedures and precautions, which can realize the on-line detection of large-scale spherical tank. It shows that the method is fast, economical and effective means for detecting the cans.

Acoustic emission Spherical tank HITEN610U2 steel

X924

B

1673-257X(2017)05-0049-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.05.011

曾德程(1985～)，男, 本科,工程師,從事壓力容器定期檢驗(yàn)工作。

曾德程，E-mail: gxtjy204@126.com。

2017-02-13）