聲發(fā)射檢測(cè)在超高壓水晶釜安全評(píng)估中的應(yīng)用

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(四川省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院, 成都 610061)

超高壓水晶釜是生產(chǎn)人造水晶的重要設(shè)備，根據(jù)生產(chǎn)水晶品種的不同，其使用壓力不同，一般為115 MPa～150 MPa，使用溫度一般為350～390 ℃，介質(zhì)為堿溶液及石英砂等。由于其長(zhǎng)期在高溫高壓下運(yùn)行，一旦發(fā)生事故后果非常嚴(yán)重[1]。四川省是超高壓水晶釜的使用大省，共有在用超高壓水晶釜1 000余臺(tái)，有的已經(jīng)服役20 a以上，其安全狀況不容樂觀。

超高壓水晶釜的失效模式主要是堿應(yīng)力腐蝕和底部變形，當(dāng)前對(duì)超高壓水晶釜的檢驗(yàn)方法主要是常規(guī)檢驗(yàn)，檢測(cè)項(xiàng)目以超聲波檢測(cè)為主，再輔以硬度和金相檢測(cè)[2-3]。但由于超高壓水晶釜在使用過程中，其內(nèi)壁會(huì)附著一層堅(jiān)硬的水晶膜，在定期檢驗(yàn)中不能將其有效清除，所以采用內(nèi)窺鏡等檢查方法很難從內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)水晶釜的開裂情況。同時(shí)，對(duì)外壁的超聲波檢測(cè)也很難發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁的腐蝕或裂紋缺陷，而采用聲發(fā)射方法對(duì)服役年限比較長(zhǎng)的超高壓水晶釜進(jìn)行安全評(píng)估是有效發(fā)現(xiàn)和檢測(cè)內(nèi)壁缺陷的一種手段。

筆者從服役年限較長(zhǎng)的超高壓水晶釜安全評(píng)估的角度出發(fā)，通過分析聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)及其在特種設(shè)備安全評(píng)估中的應(yīng)用案例，探討了該技術(shù)在超高壓水晶釜安全評(píng)估中應(yīng)用的可行性，并根據(jù)超高壓水晶釜的特殊結(jié)構(gòu)形式提出了對(duì)其進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)的注意事項(xiàng)。

1 聲發(fā)射檢測(cè)概述

材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(AE)。聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象，大多數(shù)材料變形和斷裂時(shí)都會(huì)有聲發(fā)射產(chǎn)生。采用專業(yè)儀器探測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)，并由其推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。

20世紀(jì)90年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以美國(guó)PAC公司、德國(guó)Vallen公司為代表的數(shù)字化多通道聲發(fā)射檢測(cè)分析系統(tǒng)得到大量應(yīng)用。聲發(fā)射技術(shù)作為一種成熟的無損檢測(cè)方法，已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，主要包括以下幾個(gè)方面。

(1) 特種設(shè)備

各種壓力容器、壓力管道和常壓儲(chǔ)罐的檢測(cè)和結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)，閥門和管道的泄漏檢測(cè)等。

(2) 電力工業(yè)

鍋筒、管道和閥門的檢測(cè)，變壓器局部放電的檢測(cè)。

(3) 民用工程

樓房、橋梁、隧道、大壩的檢測(cè)，水泥結(jié)構(gòu)裂紋開裂和擴(kuò)展的連續(xù)監(jiān)測(cè)等。

(4) 航天和航空工業(yè)

航空器殼體主要構(gòu)件、發(fā)射塔架的檢測(cè)和結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)等。

(5) 金屬加工

切削工具磨損和斷裂的檢測(cè)，金屬加工過程的質(zhì)量控制，焊接過程監(jiān)測(cè)，振動(dòng)檢測(cè)等。

(6) 交通運(yùn)輸業(yè)

長(zhǎng)管拖車、公路和鐵路罐車及船舶的檢測(cè)和完整性評(píng)價(jià)，火車車輪和軸承的斷裂檢測(cè)等。

聲發(fā)射檢測(cè)是在結(jié)構(gòu)承載過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)整體檢測(cè)的一種技術(shù)，在許多方面不同于其他常規(guī)無損檢測(cè)方法，其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

(1) 動(dòng)態(tài)性

聲發(fā)射是一種動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)方法，能量來自被測(cè)物體本身，對(duì)活動(dòng)的缺陷敏感。

(2) 整體性

在試驗(yàn)過程中，聲發(fā)射檢驗(yàn)?zāi)軌蛘w檢測(cè)和評(píng)價(jià)整個(gè)結(jié)構(gòu)中活性缺陷的狀態(tài)。

(3) 連續(xù)性

可提供活性缺陷隨載荷、時(shí)間、溫度等外變量而變化的實(shí)時(shí)連續(xù)信息，適用于工業(yè)過程在線監(jiān)控及早期或臨近破壞預(yù)報(bào)。

(4) 經(jīng)濟(jì)性

對(duì)于在用設(shè)備的定期檢驗(yàn)，聲發(fā)射檢驗(yàn)方法可以縮短檢驗(yàn)的停產(chǎn)時(shí)間或者不需要停產(chǎn)。

(5) 適用性

對(duì)構(gòu)件的幾何形狀不敏感，可適用于檢測(cè)形狀復(fù)雜的構(gòu)件。

目前，在金屬壓力容器檢驗(yàn)及安全評(píng)定中，聲發(fā)射已是一種重要的無損檢測(cè)方法。聲發(fā)射檢測(cè)利用耦合在壓力容器外側(cè)表面上的壓電傳感器來檢測(cè)材料開裂或缺陷活動(dòng)過程中輻射出來的應(yīng)力波，并對(duì)活動(dòng)性缺陷進(jìn)行定位，通過對(duì)應(yīng)力波的分析來確定缺陷的性質(zhì)。

2 我國(guó)特種設(shè)備聲發(fā)射檢測(cè)典型應(yīng)用分析

隨著我國(guó)特種設(shè)備向大型化、高參數(shù)化方向發(fā)展，企業(yè)有延長(zhǎng)檢修周期、縮短檢驗(yàn)時(shí)間、對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面評(píng)估的需求。近年來，聲發(fā)射檢測(cè)已在鐵路罐車、大型冷庫、重整反應(yīng)器、球罐、多層包扎容器等壓力容器的定期檢驗(yàn)，鍋爐汽包以及起重機(jī)械、游樂設(shè)施的檢測(cè)與評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行了較為廣泛的應(yīng)用，并取得了很好的效果。

2.1 大型冷庫壓力容器的在線檢測(cè)

為解決大型冷庫壓力容器無法停車檢驗(yàn)的難題，山東省特檢院研究并實(shí)施了對(duì)大型冷庫中的壓力容器進(jìn)行聲發(fā)射動(dòng)態(tài)在線檢驗(yàn)的技術(shù)。冷庫壓力容器屬于“無法進(jìn)入內(nèi)部檢驗(yàn)”的壓力容器范圍，介質(zhì)為液氨，有應(yīng)力腐蝕傾向，腐蝕特性比較明確。檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)其多處表面裂紋缺陷以及夾渣等內(nèi)部埋藏缺陷。應(yīng)用情況說明，只要檢測(cè)條件適合，儀器參數(shù)設(shè)置正確，聲發(fā)射對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋就相當(dāng)敏感。

圖1為某貯氨器的聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)筒節(jié)環(huán)焊縫附近存在一D級(jí)聲發(fā)射源，超聲復(fù)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Ⅲ區(qū)缺陷顯示，射線復(fù)驗(yàn)確定為墊板點(diǎn)焊處的裂紋。

圖1 某貯氨器聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果

對(duì)一套3.5萬t大型單體冷庫壓力容器的在線聲發(fā)射檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)有較集中的定位聲發(fā)射源存在。通過對(duì)取得的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，對(duì)聲發(fā)射集中部位進(jìn)行了復(fù)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)是較嚴(yán)重的內(nèi)表面裂紋缺陷(見圖2)。證明聲發(fā)射可以可靠地檢測(cè)出內(nèi)外表面裂紋。

圖2 內(nèi)表面裂紋產(chǎn)生的聲發(fā)射源定位結(jié)果

2.2 重整反應(yīng)器的在線檢測(cè)

某煉油廠的3臺(tái)重整反應(yīng)器因催化劑原因無法進(jìn)行開罐檢驗(yàn)。這3臺(tái)重整反應(yīng)器內(nèi)裝有催化劑，介質(zhì)為油氣、氫氣。根據(jù)前期介質(zhì)腐蝕性調(diào)查結(jié)果，反應(yīng)器不在Nelson(納爾遜)曲線界定的氫腐蝕范圍內(nèi)，根據(jù)長(zhǎng)期使用經(jīng)驗(yàn)表明材料沒有氫腐蝕傾向。

在檢驗(yàn)中，除常規(guī)檢測(cè)外，使用TOFD(超聲波衍射時(shí)差法)對(duì)焊縫進(jìn)行抽查，用聲發(fā)射進(jìn)行整體性能檢測(cè)。

對(duì)3臺(tái)重整反應(yīng)器的聲發(fā)射檢測(cè)定位結(jié)果如圖3所示。在檢測(cè)過程中共發(fā)現(xiàn)一處信號(hào)集中的聲發(fā)射源，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18182-2012《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)及結(jié)果評(píng)價(jià)方法》，該聲發(fā)射源綜合等級(jí)劃分為C級(jí)。使用TOFD進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)3處條狀缺陷。因?yàn)榇巳毕轂榛钚裕ㄗh進(jìn)行處理。處理時(shí)發(fā)現(xiàn)一處為裂紋，其他兩處為夾渣。

圖3 3臺(tái)重整反應(yīng)器聲發(fā)射檢測(cè)定位結(jié)果

通過該次檢驗(yàn)可以確定，采用聲發(fā)射檢測(cè)具有很高的可靠性，可以發(fā)現(xiàn)容器內(nèi)的危險(xiǎn)性缺陷，為缺陷處理提供參考。

2.3 球罐的聲發(fā)射檢測(cè)

球罐的聲發(fā)射應(yīng)用是聲發(fā)射技術(shù)在壓力容器定期檢驗(yàn)中較早的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)有大量的應(yīng)用案例。從20世紀(jì)90年代開始，在定期檢驗(yàn)的水壓試驗(yàn)時(shí)對(duì)球罐進(jìn)行聲發(fā)射評(píng)價(jià)取得了較為廣泛的應(yīng)用。近年來，球罐的聲發(fā)射應(yīng)用大都趨向于對(duì)含超標(biāo)缺陷、使用年限較長(zhǎng)、歷次檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷比較多的球罐的安全評(píng)定中[4]。同時(shí)，在一些無法開罐檢驗(yàn)的球罐上也有一些聲發(fā)射應(yīng)用。

如山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院于2009年對(duì)一臺(tái)液化石油氣球罐進(jìn)行了在線檢驗(yàn)試驗(yàn)。試驗(yàn)中，除常規(guī)的檢驗(yàn)手段外，使用TOFD對(duì)焊縫進(jìn)行局部抽查(20%)，使用聲發(fā)射進(jìn)行整體性能檢測(cè)。聲發(fā)射檢測(cè)過程中使用調(diào)整介質(zhì)操作壓力的方式加載。

在檢測(cè)過程中未發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)集中點(diǎn)，均為分散信號(hào)，初步認(rèn)為該球罐整體狀況良好。

對(duì)下半球丁字口焊縫進(jìn)行抽查，赤道大焊縫進(jìn)行100%檢測(cè)。在球罐底部焊縫處發(fā)現(xiàn)了一條狀缺陷，長(zhǎng)度為100 mm，深度為20 mm，該缺陷為非活性缺陷，決定不作處理。

該球罐于試驗(yàn)的次年進(jìn)行了開罐全面檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合，取得了預(yù)期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

2.4 多層包扎尿素合成塔的聲發(fā)射檢測(cè)

由于多層包扎結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，多層包扎尿素合成塔的聲發(fā)射檢測(cè)與單層容器有很大不同，如由于層板摩擦等原因，在升壓過程中產(chǎn)生的噪聲信號(hào)較多，內(nèi)層層板發(fā)出的信號(hào)不易收集，聲發(fā)射源不易定位等。因此，多家機(jī)構(gòu)和高校對(duì)聲發(fā)射信號(hào)特點(diǎn)、識(shí)別以及聲發(fā)射源的分類和級(jí)別評(píng)定方法等都進(jìn)行了研究[5-7]。同時(shí)，由于層板貼合度不好等因素的存在，試驗(yàn)壓力應(yīng)足以保證外側(cè)層板達(dá)到足夠的應(yīng)力水平，以確?；钚匀毕菪纬捎行У穆暟l(fā)射定位源。

圖4是典型的多層包扎結(jié)構(gòu)尿素合成塔的聲發(fā)射源定位結(jié)果[5]。

圖4 典型的多層包扎結(jié)構(gòu)尿素合成塔的聲發(fā)射源定位結(jié)果

2.5 其他特種設(shè)備的聲發(fā)射檢測(cè)

在電站鍋爐應(yīng)用方面，福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)超臨界鍋爐水壓試驗(yàn)過程中的三通管座和管道焊縫進(jìn)行了完整性狀態(tài)監(jiān)測(cè)，分析了在復(fù)雜信號(hào)中找到損傷活動(dòng)信號(hào)的方法。山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院對(duì)定期檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)裂紋較多的電站鍋爐汽包進(jìn)行了聲發(fā)射完整性評(píng)價(jià)，對(duì)管子支撐部位缺陷信號(hào)的分析評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究。

在起重機(jī)械及游樂設(shè)施完整性評(píng)價(jià)應(yīng)用方面，中國(guó)特檢院進(jìn)行了大量的聲發(fā)射研究和應(yīng)用工作[8]，并在起重機(jī)鋼梁、大型游樂設(shè)施主軸等方面進(jìn)行了應(yīng)用。

3 超高壓水晶釜聲發(fā)射檢測(cè)應(yīng)用探討

聲發(fā)射技術(shù)從材料學(xué)的角度完成了設(shè)備在受力狀況下內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，為特種設(shè)備破壞的早期預(yù)防、預(yù)報(bào)提供了可靠、科學(xué)的評(píng)價(jià)方法，對(duì)設(shè)備的破壞事故實(shí)現(xiàn)了事前處理。

從上述介紹和綜述看，聲發(fā)射檢測(cè)在我國(guó)特種設(shè)備領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用成果。特別是在諸如多層包扎容器、超臨界鍋爐三通管座等一些特殊結(jié)構(gòu)壓力容器、壓力管道中的成功應(yīng)用說明，探討聲發(fā)射技術(shù)在超高壓水晶釜安全評(píng)估中的應(yīng)用具有技術(shù)和應(yīng)用基礎(chǔ)。

超高壓水晶釜釜體結(jié)構(gòu)為單層圓筒形鍛造容器，釜體主體材料為CrNiMoV調(diào)質(zhì)鋼，屈服強(qiáng)度在800 MPa以上。內(nèi)徑范圍為180～400 mm，外徑范圍為370～800 mm，壁厚范圍為90～110 mm，長(zhǎng)度范圍為5 000～6 000 mm。有通孔和盲孔兩種結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是內(nèi)徑小、壁厚大、筒體長(zhǎng)。通孔和盲孔的超高壓水晶釜結(jié)構(gòu)示意如圖5，6所示。

圖5 通孔的超高壓水晶釜結(jié)構(gòu)示意

圖6 盲孔的超高壓水晶釜結(jié)構(gòu)示意

超高壓水晶釜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)類似于厚壁管道，從結(jié)構(gòu)上來說比較便于進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)。但考慮到其結(jié)構(gòu)特殊的特點(diǎn)，為了能夠?qū)赡艿幕钚月暟l(fā)射源進(jìn)行精確定位，其聲發(fā)射檢測(cè)中需要采取的措施及應(yīng)注意的事項(xiàng)如下所述。

3.1 加載方式的選擇

金屬材料在塑性變形時(shí)的聲發(fā)射與作用應(yīng)力之間存在一種不可逆的效應(yīng)，稱為“凱塞爾效應(yīng)”,即材料受到一定的應(yīng)力作用時(shí)有聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生，停止施加應(yīng)力時(shí)則聲發(fā)射也停止，但是在重新施加應(yīng)力時(shí)，如果不超過原來的應(yīng)力，那么材料就不會(huì)再有聲發(fā)射產(chǎn)生。

凱賽爾效應(yīng)為實(shí)現(xiàn)超高壓水晶釜的聲發(fā)射檢測(cè)提供了理論支撐。

可將超高壓水晶釜定期檢驗(yàn)中的水壓試驗(yàn)和聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)合起來，通過對(duì)超高壓水晶釜進(jìn)行加載的方式來定位設(shè)備內(nèi)的活性缺陷，并可采取從高到低多次加載的方式，以排除干擾信號(hào)，得到準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。

3.2 定位方法及探頭布置

超高壓水晶釜在進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)一般采用線定位方式。但檢測(cè)中線定位方式只能定位活性聲發(fā)射源的軸向位置，并不能定位到缺陷的具體部位。因此，考慮采用三角定位方法，即以水晶釜二分之一外周長(zhǎng)選取長(zhǎng)度方向的截面，每個(gè)截面對(duì)稱布置兩個(gè)探頭，相鄰截面探頭連線垂直交叉。

采用這種布置方法可最大限度地定位到聲發(fā)射源的具體位置(見圖7)。

圖7 聲發(fā)射檢測(cè)探頭定位及其平面展開示意

3.3 內(nèi)壁附著物及卡箍、堵底螺的影響

由于超高壓水晶釜在使用過程中,內(nèi)壁會(huì)附著一層堅(jiān)硬的水晶膜，在耐壓試驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)可能會(huì)造成這些附著物的破裂，產(chǎn)生大量的干擾信號(hào)，影響聲發(fā)射結(jié)果的評(píng)定。為了消除附著物的影響，可考慮采用二次加壓的方式過濾掉這些反應(yīng)產(chǎn)物破裂帶來的聲發(fā)射信號(hào)，但具

體效果需要試驗(yàn)確認(rèn)。

在水晶釜耐壓試驗(yàn)過程中，卡箍螺栓及其本身可能會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)或摩擦信號(hào)，但由于其位置確定，區(qū)分起來相對(duì)容易。

通孔結(jié)構(gòu)的堵底螺為螺紋連接，在耐壓試驗(yàn)中也會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射源信號(hào)。由于其位置是超高壓水晶釜產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的重點(diǎn)部位，其信號(hào)的過濾和區(qū)分相對(duì)比較麻煩。當(dāng)聲發(fā)射源信號(hào)比較多時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該部位的超聲檢測(cè)。

3.4 評(píng)定方法

聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)束后采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18182-2012進(jìn)行評(píng)定，如需要復(fù)驗(yàn)的，則采用其他無損檢測(cè)方法進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。

各項(xiàng)檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)束后，根據(jù)聲發(fā)射檢測(cè)及其復(fù)驗(yàn)情況，綜合考慮硬度和金相檢驗(yàn)結(jié)果，對(duì)服役年限比較長(zhǎng)的超高壓水晶釜進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

4 結(jié)語

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在超高壓水晶釜安全評(píng)估中的應(yīng)用是可行的。檢測(cè)中主要應(yīng)該注意加載方式、定位方法的選擇及內(nèi)壁附著物等對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響。

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