壓力管道聲發(fā)射檢測試驗(yàn)

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(1.瀘州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，瀘州 646000；2.武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430205)

壓力管道聲發(fā)射檢測試驗(yàn)

趙恒忠1，張從彬1，2，周學(xué)喬1

(1.瀘州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，瀘州 646000；2.武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430205)

用無縫鋼管、大小頭、彎頭、三通、流量計(jì)、帶裂紋管段、聲發(fā)射檢測儀等建立了一套壓力管道聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。分析了壓力管道承載壓力與20鋼焊接裂紋缺陷活動(dòng)性的關(guān)系；指出了在低流速情況下，介質(zhì)在大小頭、彎頭處的折流沖擊不會產(chǎn)生連續(xù)聲發(fā)射信號?？蔀閴毫艿缆暟l(fā)射檢測技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用提供參考。

聲發(fā)射；帶裂紋管段；活動(dòng)性；流速

根據(jù)國家相關(guān)法規(guī),如TSG D0001-2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程-工業(yè)管道》與《在用工業(yè)管道定期檢驗(yàn)規(guī)程(試行)》的規(guī)定，化工裝置中在用工業(yè)壓力管道需要定期停產(chǎn)，以進(jìn)行原料清空、置換、清洗、保溫層拆除和焊接接頭表面防腐層去除等工作，并需采用常規(guī)的無損檢測方法對重點(diǎn)焊接接頭進(jìn)行局部掃查。這種常規(guī)的檢測方法不僅檢測周期長、成本高，還不能做到對管道系統(tǒng)的整體檢測，甚至常常將大量的非活動(dòng)性缺陷判定為需要維修的缺陷(裂紋缺陷無論大小、位置，一律要求維修)，造成極大的浪費(fèi)。而壓力管道聲發(fā)射檢測可以有效解決上述問題，其已成為應(yīng)用的熱點(diǎn)。

通常，對壓力管道聲發(fā)射檢測的研究主要集中在泄漏及其定位上[1-4]，而筆者從以下幾方面進(jìn)行試驗(yàn)：① 統(tǒng)計(jì)分析小樣本20鋼壓力管道焊接裂紋試樣在不同承載壓力下的活動(dòng)性情況；② 介質(zhì)在大小頭、彎頭處折流時(shí)，是否會產(chǎn)生連續(xù)聲發(fā)射信號及其與介質(zhì)流速的關(guān)系。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的建立

用無縫鋼管、大小頭、彎頭、三通、熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)、渦街流量計(jì)、帶裂紋管段試樣、截止閥、聲發(fā)射檢測儀等建立一套長約70 m的壓力管道試驗(yàn)系統(tǒng)(見圖1)。無縫鋼管規(guī)格(外徑×壁厚)分別為φ203 mm×12 mm，φ159 mm×12 mm，φ108 mm×12 mm；材料為20鋼；執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 8163-2008《輸送流體用無縫鋼管》。大小頭型號[DN表示公稱通徑,R(C)表示同心大小頭]為 DN 200 mm×150 mm-12 mm R(C)，DN 150 mm×100 mm-12 mm R(C)；材料為20鋼；執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 12459-2005《鋼制對焊無縫管件》。彎頭型號[E(L)表示長半徑彎頭]為DN 150 mm-12 mm 90E(L),DN 100 mm-12 mm 90E(L)；材料為20鋼；執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 12459-2005。三通型號[T(S)表示等徑三通]為DN 100 mm-12 mm T(S)；材料為20鋼；執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 12459-2005。熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)型號為SKRSL100G-E-0-A-2,渦街流量計(jì)型號為SKLU-100-N-F1-J1-L2-E1-T1-P3-D2-B1，均由江蘇省蘇科儀表有限公司生產(chǎn)。帶裂紋管段試樣(共6個(gè))由山東濟(jì)寧模具廠生產(chǎn)，材料為20鋼，每個(gè)試樣的焊縫內(nèi)均含3條裂紋(詳細(xì)情況見表1)。采用德國Vallen公司的AMSY-6型32通道聲發(fā)射儀進(jìn)行檢測試驗(yàn)。

圖1 聲發(fā)射檢測壓力管道試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.2 焊接裂紋活動(dòng)性試驗(yàn)

在圖1所示的每個(gè)帶裂紋管段試樣的兩側(cè)約2.5 m的位置(A1～A9部位)各布置1個(gè)VS150-RIC探頭(頻率范圍100 kHz～450 kHz，內(nèi)置前放34 dB);采集參數(shù)設(shè)置為：重整時(shí)間(Rearm Time)3 200 ms，持續(xù)鑒別時(shí)間(Duration dicr.Time)400 μs，幅度門檻(Threshold)40 dB；用電動(dòng)試壓泵對管道系統(tǒng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，先升壓到10.0 MPa,穩(wěn)壓30 min后泄壓，以消除內(nèi)外表面氧化皮剝離(落)、內(nèi)外表面焊接藥皮爆裂等產(chǎn)生的噪聲信號，然后再分別升壓到2.0，4.0，6.0，8.0 MPa,各穩(wěn)壓30 min，采集在每個(gè)壓力值下6個(gè)帶裂紋管段試樣內(nèi)裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射信號。

1.3 介質(zhì)折流試驗(yàn)

在圖1的B1～B3部位各布置1個(gè)VS45-H探頭(頻率范圍20 kHz～450 kHz)，采用AEP4前置放大器(放大倍數(shù)34 dB),采集參數(shù)設(shè)置為：重整時(shí)間(Rearm Time)3 200 ms、持續(xù)鑒別時(shí)間(Duration dicr.Time)400 μs、幅度門檻(Threshold)40 dB，分別用空氣壓縮機(jī)(江蘇超力機(jī)械有限公司生產(chǎn),型號為W-0.6/30)和輕型不銹鋼立式多級離心泵(新界泵業(yè)集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn),型號為BLT8-18)進(jìn)行動(dòng)平衡加壓試驗(yàn)，用流量計(jì)記錄流量，試驗(yàn)介質(zhì)分別為空氣和潔凈水。介質(zhì)流動(dòng)循環(huán)平衡后(以壓力值波動(dòng)小于±5%衡量)，采集大小頭[DN 200 mm×150 mm-12 mm R(C)]、彎頭[DN 150 mm-12 mm 90E(L)]處30 min內(nèi)的聲發(fā)射信號。

1.4 試驗(yàn)系統(tǒng)的調(diào)試

為保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，每次試驗(yàn)前，嚴(yán)格按NB/T 47013.9-2012《承壓設(shè)備無損檢測》的規(guī)定進(jìn)行通道靈敏度測試、定位校準(zhǔn)等操作。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 焊接裂紋活動(dòng)性試驗(yàn)

對試驗(yàn)過程中采集到的聲發(fā)射數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的試驗(yàn)條件、試樣情況匯總成表1。

由表1所示的試驗(yàn)結(jié)果可知，承載壓力在4.0 MPa(含)以下，6個(gè)20鋼試樣的18處焊接裂紋缺陷均是非活動(dòng)性的；承載壓力上升到6.0 MPa時(shí)，編號為JMHS-153082的焊接裂紋缺陷試樣中檢測到了聲發(fā)射定位事件，表明在6.0 MPa下，JMHS-153082試樣的3處裂紋缺陷中，至少有1處演變成了活動(dòng)性缺陷；承載壓力上升到8.0 MPa時(shí)，JMHS-153085試樣也有裂紋缺陷演變成了活動(dòng)性缺陷。

從斷裂力學(xué)理論上說，裂紋擴(kuò)展與否，與載荷(應(yīng)力)、裂紋尺寸、位置、材料等因素密切相關(guān)，當(dāng)裂紋尺寸、位置、材料等因素一定時(shí)，載荷(應(yīng)力)存在1個(gè)門檻值。載荷(應(yīng)力)超過門檻值，裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展；低于門檻值，裂紋基本上不擴(kuò)展或擴(kuò)展速率很低[5]。這就是通常說的裂紋是否具有活動(dòng)性，前述試驗(yàn)結(jié)果完全與這一理論吻合。

表1 焊接裂紋活動(dòng)性試驗(yàn)的試樣情況，試驗(yàn)條件及結(jié)果匯總

2.2 介質(zhì)折流試驗(yàn)

用輕型不銹鋼立式多級離心泵對壓力管道試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行加壓，當(dāng)壓力穩(wěn)定在1.2 MPa、潔凈水的流速為0.4 m·s-1時(shí)，潔凈水達(dá)到了循環(huán)流動(dòng)平衡狀態(tài)。在30 min內(nèi)，大小頭[DN 200 mm×150 mm-12 mm R(C)]、彎頭[DN 150 mm-12 mm 90 E(L)]上均未采集到聲發(fā)射撞擊事件。

用空氣壓縮機(jī)對壓力管道試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行加壓，當(dāng)壓力穩(wěn)定在2.0 MPa、空氣的流速為0.5 m·s-1時(shí)，空氣達(dá)到了循環(huán)流動(dòng)平衡狀態(tài)。在30 min內(nèi)，大小頭[DN 200 mm×150 mm-12 mm R(C)]、彎頭[DN 150 mm-12 mm 90 E(L)]上均未采集到聲發(fā)射撞擊事件。

一般情況下，介質(zhì)在壓力管道內(nèi)流動(dòng)，在流道直徑相同的平直管段內(nèi)產(chǎn)生的噪聲比彎頭、大小頭、閥門等變徑、變向處低。隨著介質(zhì)流速的增大，在彎頭、大小頭、閥門處嚴(yán)重的折流沖擊產(chǎn)生，使得液體產(chǎn)生旋渦，氣流產(chǎn)生阻塞，從而引發(fā)連續(xù)聲發(fā)射信號。該試驗(yàn)的目的是想研究在壓力波動(dòng)不明顯，壓力管道內(nèi)的介質(zhì)正常流動(dòng)的狀態(tài)下，流速達(dá)到多大時(shí)，介質(zhì)流經(jīng)彎頭、大小頭處時(shí)產(chǎn)生的旋渦和氣體介質(zhì)產(chǎn)生的阻塞會引發(fā)連續(xù)聲發(fā)射信號。但由于受試驗(yàn)加壓設(shè)備的限制，試驗(yàn)只能做到壓力1.2 MPa(液體)/2.0 MPa(氣體)、流速0.4 m·s-1(液體)/0.5 m·s-1(氣體)的狀態(tài)。即便如此，也可得出如下的試驗(yàn)結(jié)論：

(1) 介質(zhì)為液體時(shí)，在壓力不大于1.2 MPa，流速不大于0.4 m·s-1的情況下，介質(zhì)流動(dòng)不會在彎頭[DN 150 mm-12 mm 90E(L)]、大小頭[DN 200 mm×150 mm-12 R(C)]處產(chǎn)生旋渦，或者產(chǎn)生的旋渦不足以產(chǎn)生連續(xù)聲發(fā)射信號。

(2) 介質(zhì)為氣體時(shí)，在壓力不大于2.0 MPa，流速不大于0.5 m·s-1的情況下，介質(zhì)流動(dòng)不會在彎頭[DN 150 mm-12 mm 90 E(L)]、大小頭[DN 200 mm×150 mm-12 mm R(C)]處產(chǎn)生氣流阻塞，或者產(chǎn)生的氣流阻塞不足以產(chǎn)生連續(xù)聲發(fā)射信號。

3 結(jié)語

(1) 裂紋缺陷是否具有活動(dòng)性，與其承受的載荷大小有關(guān):當(dāng)其承受的載荷超過某一特定門檻值，該裂紋具有活動(dòng)性;當(dāng)其承受的載荷低于這一特定門檻值，該裂紋不具有活動(dòng)性。這一結(jié)論可應(yīng)用來判別壓力管道定期檢驗(yàn)檢測出的缺陷是否具有活動(dòng)性。NB/T 47013.9-2012規(guī)定按不小于最高工作壓力的1.1倍來進(jìn)行加壓試驗(yàn)，并判別缺陷是否具有活動(dòng)性，可防止過度維修非活動(dòng)性缺陷。

(2) 管道系統(tǒng)內(nèi)，介質(zhì)流經(jīng)彎頭、大小頭形成折流，使得介質(zhì)對管道內(nèi)壁的折流沖擊比流經(jīng)平直管段內(nèi)的大，但在介質(zhì)流速低的情況下，不會引起液體介質(zhì)產(chǎn)生旋渦及氣體介質(zhì)產(chǎn)生氣流阻塞，或者產(chǎn)生的旋渦或氣流阻塞不足以導(dǎo)致產(chǎn)生連續(xù)聲發(fā)射噪聲信號，以致干擾聲發(fā)射檢測的準(zhǔn)確性。

(3) 介質(zhì)折流試驗(yàn)為聲發(fā)射技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用提供了思路，即在壓力管道系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可采用聲發(fā)射檢測來判斷大小頭、彎頭、三通、閥門等變徑、變向處有無介質(zhì)流動(dòng)等因素產(chǎn)生的連續(xù)聲發(fā)射信號，無則可采用分布分析法[6]進(jìn)行在線監(jiān)測；如有連續(xù)聲發(fā)射信號且該信號的頻譜處于低頻段(<100 kHz)，則可采用諧振式窄帶傳感器來過濾該連續(xù)聲發(fā)射信號。

[1] 汪文有.壓力管道泄漏的聲發(fā)射檢測技術(shù)[J].無損檢測,2016,38(3):22-24.

[2] 吳旭景，杜斌，葉陳.基于EMD和小波分解的管道泄漏聲發(fā)射源定位[J].無損檢測,2015,37(10):60-63.

[3] 劉延軍，王瓊，戴光，等.夾套結(jié)構(gòu)內(nèi)管泄漏聲源特性與聲發(fā)射檢測[J].無損檢測,2015,37(1):64-66.

[4] 劉延軍，戴光，王瓊，等.夾套反應(yīng)器內(nèi)管泄漏聲發(fā)射檢測[J].無損檢測,2015,37(3):19-21.

[5] 沈士明.含缺陷承壓設(shè)備安全分析技術(shù)[M].北京：中國石化出版社，2011.

[6] 沈功田，耿榮生，劉時(shí)風(fēng).聲發(fā)射信號的參數(shù)分析方法[J].無損檢測,2002,24(2):72-77.

ExperimentsonAcousticEmissionTestingofPressurePipeline

ZHAO Hengzhong1, ZHANG Congbin1,2, ZHOU Xueqiao1

(1.Luzhou Special Equipment Supervision and Inspection Institute，Luzhou 646000, China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology , Wuhan 430205, China)

An acoustic emission testing system for pressure pipeline was constructed with seamless steel pipes, reducers, elbows, tees, flow meters, pipes with cracks, and acoustic emission detector etc. The experiments were carried out with the system. We analyzed the relationship between the loading pressure and the weld crack activity of 20 steel pipe, and we found out the impact of the media would not cause a continuous acoustic emission signal on the reducer and the elbow in the case of low flow velocity. The study provided reference for the field application of pressure pipeline acoustic emission testing.

acoustic emission; cracked pipe section; activity; flow

TG115.28

A

1000-6656(2017)12-0054-03

2017-05-05

瀘州市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013-G-8)

趙恒忠(1970-)，男，高級工程師，主要從事特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測工作

趙恒忠，578921784@qq.com

10.11973/wsjc201712013