聲發(fā)射技術(shù)在大型壓力容器檢驗(yàn)中的應(yīng)用研究

楊宇博

(1.天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院,天津 300192;2.國家市場監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(特種設(shè)備數(shù)字孿生共性技術(shù)),天津 300192)

壓力容器是承載化學(xué)物品的特殊設(shè)備,具有承壓性和密閉性的特點(diǎn),在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位,有著廣泛的應(yīng)用空間。受材質(zhì)、環(huán)境、操作等因素的影響,大型壓力容器易出現(xiàn)介質(zhì)泄露的問題。一旦發(fā)生泄漏,將對周圍環(huán)境造成污染,損害人的身體健康,因此檢驗(yàn)人員必須以科學(xué)的技術(shù)手段,以嚴(yán)謹(jǐn)負(fù)責(zé)的工作態(tài)度,加強(qiáng)對大型壓力容器質(zhì)量的檢驗(yàn)。而聲發(fā)射技術(shù)作為一種無損害、高效率的技術(shù),基于其技術(shù)優(yōu)勢可以達(dá)到精準(zhǔn)檢驗(yàn)容器質(zhì)量的目的,及時(shí)找到容器存在的缺陷,促進(jìn)維修養(yǎng)護(hù)工作的開展,提高容器使用的安全性和穩(wěn)定性。

1 壓力容器的危險(xiǎn)性

壓力容器是盛裝化學(xué)物質(zhì)的密閉容器,按照性質(zhì)和功能,可將其劃分為反應(yīng)壓力容器、換熱壓力容器、分離壓力容器、儲存壓力容器四大類。按照使用的位置可將其劃分為移動式壓力容器和固定式壓力容器兩大類。通常壓力容器儲存的物質(zhì)有易燃性、易爆性及高腐蝕性,對壓力容器的材料質(zhì)量和使用性能要求極高,基于材料老化、操作不當(dāng)和外界環(huán)境影響等因素,增大了壓力容器應(yīng)用的危險(xiǎn)程度。相較于中小型壓力容器,大型壓力容器在應(yīng)用時(shí)危險(xiǎn)性更高。容器在使用的過程中,其本身承受巨大壓力,如果工作人員沒有控制好容器壓力的標(biāo)準(zhǔn)值,那么很可能引發(fā)爆炸,尤其是大型壓力容器存儲的是高能量的化學(xué)物質(zhì),這些化學(xué)物質(zhì)在爆炸時(shí)將釋放巨大的能量,產(chǎn)生熱浪、輻射及沖擊波,會對周圍建筑造成巨大破壞,嚴(yán)重威脅生產(chǎn)人員的安全。不僅如此,這些化學(xué)物質(zhì)往往有劇毒,能夠污染環(huán)境和破壞生態(tài),人一旦觸碰到這些有毒物質(zhì),很可能誘發(fā)重大疾病,如臟器功能減退,血液感染、癌癥等、加之大型壓力容器爆炸的威力巨大,通常還會引起一系列的連鎖事故。比如1992年通遼市油脂化工廠發(fā)生一起特大的傷亡事故,主要是因壓力容器失控引起的爆炸,整個(gè)車間廠房東側(cè)被炸塌,附近建筑被大面積破壞,個(gè)別墻體被爆炸飛物貫穿,伴有大火災(zāi),直接造成8人死亡,4人重傷,13人輕傷的慘劇。借鑒于此次事故的發(fā)生,在實(shí)際的生產(chǎn)工作中,工作人員必須重視檢驗(yàn)大型壓力容器,及時(shí)排除安全隱患問題,為工業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)設(shè)安全穩(wěn)定的環(huán)境[1]。

2 聲發(fā)射技術(shù)的基本原理及發(fā)展現(xiàn)狀

了解聲發(fā)射檢測技術(shù)的基本原理,首先要正確認(rèn)識聲發(fā)射的概念。聲發(fā)射是指材料在發(fā)生變形或出現(xiàn)裂紋時(shí),以彈性波的形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象?；谶@種現(xiàn)象特點(diǎn),工程師依托聲電、數(shù)字等技術(shù)發(fā)明了聲發(fā)射檢測技術(shù)。聲發(fā)射檢測技術(shù)的基本原理是聲發(fā)射源釋放的彈性波在構(gòu)件內(nèi)部傳播,產(chǎn)生一定的波形位移,此時(shí)利用傳感器捕捉信號,經(jīng)過電子設(shè)備的處理,使之生成電信號或數(shù)字符號。在檢測工作中,為了準(zhǔn)確了解材料的缺陷問題,技術(shù)人員可以通過放大、處理、記錄和分析這些信號,從中掌握缺陷信息的情況,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對材料質(zhì)量的檢測[2]。聲發(fā)射儀器主要有單通道聲發(fā)射儀和多通道發(fā)射儀兩種。單通道發(fā)射儀的運(yùn)作原理相對簡單,檢測的精準(zhǔn)度稍差。多通道發(fā)射儀的運(yùn)作原理較為復(fù)雜,檢測的精準(zhǔn)度更高。對于大型壓力容器質(zhì)量的檢測,應(yīng)選擇多通道聲發(fā)射儀。如果材料內(nèi)部存在缺陷,依托多通道系統(tǒng)能夠快速掌握缺陷程度及發(fā)現(xiàn)缺陷的具體位置。

聲發(fā)射技術(shù)作為一種高效化、便捷化及無損害化的動態(tài)檢測技術(shù),在檢測材料和構(gòu)件上有著廣泛的應(yīng)用,現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對壓力容器的使用需求和使用質(zhì)量在不斷提高,加強(qiáng)聲發(fā)射技術(shù)在材料檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用勢在必行。一方面,國家高度重視聲發(fā)射技術(shù)的研究,投入大量的人力、物力及財(cái)力,以求在提高檢測穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性上有更多的突破。另一方面,隨著聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用的創(chuàng)新與完善,其已走向?qū)I(yè)化和規(guī)范化的發(fā)展道路,隨其應(yīng)用效果的不斷提高,將進(jìn)一步推動我國工業(yè)的發(fā)展。

3 聲發(fā)射技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

在對大型壓力容器使用質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí),聲發(fā)射技術(shù)是一種可依賴、可信任的檢測技術(shù)。壓力容器是用于盛裝化學(xué)物質(zhì)的容器,在其使用前、使用中及使用后都要進(jìn)行常規(guī)的檢驗(yàn)。對于容器外表情況的檢查較為直觀簡單,對于容器內(nèi)部情況的檢查較為隱晦復(fù)雜。聲發(fā)射技術(shù)基于其優(yōu)勢,可以有效避免人工檢驗(yàn)不全面、不細(xì)致等問題,而且還能有效降低檢驗(yàn)成本。同時(shí)聲發(fā)射技術(shù)不僅適用于檢驗(yàn)應(yīng)用時(shí)間較長的壓力容器,也適用于檢驗(yàn)應(yīng)用時(shí)間較短的壓力容器,并且能夠取得良好的檢驗(yàn)效果,為壓力容器的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。在檢驗(yàn)工作中,通過應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)檢驗(yàn)容器,依托檢驗(yàn)結(jié)果判斷容器是否存在缺陷。聲發(fā)射技術(shù)作為全新、無損及高效的動態(tài)檢驗(yàn)技術(shù),更能滿足壓力容器檢驗(yàn)的工作需求,比如在動態(tài)信息處理方面,基于該技術(shù)的檢驗(yàn)原理,可知有變形或裂紋的容器構(gòu)件發(fā)出彈性波,經(jīng)過傳感器收集和電子設(shè)備的處理,可以顯示出信息情況,從而了解是否存在缺陷以及存在的缺陷大小程度和具體位置。尤其通過綜合分析,參考與對比數(shù)據(jù),可以對壓力容器的使用情況、使用壽命等作出評價(jià)[3],提出相應(yīng)的維修養(yǎng)護(hù)建議。同時(shí)還便于對容器內(nèi)部缺陷活動規(guī)律的探測,提出相應(yīng)的安全防范措施,避免發(fā)生安全事故。

雖然聲發(fā)射技術(shù)含量和應(yīng)用水平在不斷提高,但是在某些方面仍存在明顯的不足。依托聲發(fā)射技術(shù)檢驗(yàn)壓力容器的安全穩(wěn)定性,主要以檢測數(shù)據(jù)為評定依據(jù),但受外界環(huán)境的影響,容器材料可能對檢驗(yàn)工作產(chǎn)生一定的敏感度,進(jìn)而造成檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性下降。通常情況下,這種敏感性帶來的影響較小,但直接影響了檢驗(yàn)的質(zhì)量和效率。值得一提的是,聲發(fā)射技術(shù)在投入使用后,檢驗(yàn)人員需要調(diào)試儀器設(shè)備,加載系統(tǒng)程序,任何一個(gè)細(xì)節(jié)出現(xiàn)錯誤,都直接影響檢測結(jié)果,檢驗(yàn)人員必須做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作。此外,從發(fā)展和應(yīng)用的角度來說,我國聲發(fā)射技術(shù)尚處于初步發(fā)展完善階段,仍要繼續(xù)提高技術(shù)含量和積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),技術(shù)應(yīng)用范圍有待拓展,技術(shù)瑕疵有待克服。在利用聲發(fā)射技術(shù)檢驗(yàn)材料和構(gòu)件的安全穩(wěn)定性時(shí),檢驗(yàn)人員還需要進(jìn)行多次反復(fù)的檢驗(yàn),通過加強(qiáng)數(shù)據(jù)整理與分析,以對材料和構(gòu)件的安全穩(wěn)定性作出合理的判斷。這無疑增加了檢驗(yàn)的工作量和工作難度,對檢驗(yàn)人員的素質(zhì)和能力提出了更高的要求。

4 聲發(fā)射技術(shù)在大型壓力容器檢驗(yàn)中的應(yīng)用要點(diǎn)

首先,技術(shù)人員要科學(xué)地選擇檢驗(yàn)儀器。針對大型壓力容器檢驗(yàn)儀器的選擇應(yīng)用,主要考慮以下三點(diǎn)內(nèi)容:一是準(zhǔn)確掌握大型壓力容器的基本特征,包括大型壓力容器的型號、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用環(huán)境等,依據(jù)實(shí)際情況選擇適合檢驗(yàn)的儀器設(shè)備,避免增加檢驗(yàn)的工作量和工作難度。二是保證儀器設(shè)備有較好的彈性波采集能力。聲發(fā)射檢驗(yàn)技術(shù)的工作原理是通過采集聲發(fā)射源釋放的彈性波,經(jīng)過電子設(shè)備的綜合處理后,將彈性波轉(zhuǎn)化成電子信息或數(shù)字符號,進(jìn)而為技術(shù)人員提供參考數(shù)據(jù)。如果儀器設(shè)備對彈性波的采集能力較弱,采集效果不穩(wěn)定,那此次檢驗(yàn)工作將失去價(jià)值和意義,所以,在選擇聲發(fā)射檢驗(yàn)儀器時(shí),應(yīng)選擇受外界影響小,且波形采集能力強(qiáng)的設(shè)備。三是在完成上述兩項(xiàng)工作后,還需結(jié)合工程實(shí)際需求,做好系統(tǒng)加載工作,調(diào)整和優(yōu)化數(shù)據(jù),以實(shí)現(xiàn)對參數(shù)條件的高效控制。

其次,技術(shù)人員要合理地布置傳感器。依托聲發(fā)射技術(shù)檢驗(yàn)大型壓力容器的安全性時(shí),須在容器的周圍布置一定數(shù)量的聲信號傳感器,這些傳感器最大的作用是探尋容器存在的聲發(fā)射源,獲取缺陷信息,通過這些信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化、記錄與分析處理,技術(shù)人員可以了解容器故障的類型、程度與位置。因此,須充分考慮實(shí)際情況,加強(qiáng)傳感器布置設(shè)計(jì),確保更快更準(zhǔn)地獲取容器變形、裂紋及斷裂的信息。在設(shè)計(jì)中,還要兼顧容器的形狀、質(zhì)量、體積及焊縫結(jié)構(gòu)等,結(jié)合實(shí)際需求,分析布置傳感器的數(shù)量與位置及聲發(fā)射通道的數(shù)量。通常情況下,采用三角形的布置方式,既能達(dá)到節(jié)約資源投入,又能達(dá)到快速獲取缺陷信息的目的。再次,技術(shù)人員要做好加載測試工作。基于該項(xiàng)工作可以提高檢驗(yàn)的質(zhì)效性,促進(jìn)檢驗(yàn)工作的順利完成。在容器加載實(shí)驗(yàn)的過程中,既要嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)要求與細(xì)則完成加載操作,同時(shí)加強(qiáng)檢查,確保操作準(zhǔn)確到位。同時(shí)也要重視控制水壓荷載和容器承載能力,確保滿足實(shí)驗(yàn)所需各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。比如在球狀大型壓力容器聲發(fā)射檢驗(yàn)中,技術(shù)人員可先建立水壓實(shí)驗(yàn)方案,在預(yù)估水壓荷載下限值后,結(jié)合容器的設(shè)計(jì)壓力和運(yùn)行加載歷史,確定水壓試驗(yàn)壓力。然后在加壓和保壓過程中,可以結(jié)合實(shí)際情況,確定發(fā)射聲信號。

最后,技術(shù)人員要進(jìn)行信號源定位和分級。在利用聲發(fā)射技術(shù)檢驗(yàn)大型壓力容器的缺陷時(shí),須充分考慮實(shí)際情況,選用智能檢驗(yàn)設(shè)備,合理布置傳感器的數(shù)量和位置,以快速完成對聲發(fā)射源釋放的彈性波信號的捕捉,隨后借由整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)化、信息傳輸與數(shù)據(jù)分析,將檢驗(yàn)結(jié)果完成地現(xiàn)實(shí)出來。為了提高聲發(fā)射檢驗(yàn)的精準(zhǔn)度,技術(shù)人員要從以下兩個(gè)方面加強(qiáng)對容器缺陷的定位與定量控制:一是利用定位系統(tǒng)分析傳感器收集的電信號數(shù)據(jù),以鎖定容器缺陷的具體位置。二是強(qiáng)化對傳感器收集信號的處理能力,尤其是必須實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化,避免數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)化中出現(xiàn)丟失的情況,以了解容器的缺陷類型和缺陷程度。另外,在完成檢驗(yàn)工作后,技術(shù)人員還要加強(qiáng)容器缺陷情況的分析,包括缺陷形成的原因等,結(jié)合容器的使用需求,制定針對性的缺陷處理方案,在最大限度上提高大型壓力容器的安全性,提升其使用質(zhì)量和效果[4-5]。

值得注意的是,若對處于生產(chǎn)期間對壓力容器進(jìn)行檢驗(yàn)與安全評定,其可能存在超出檢驗(yàn)期限的現(xiàn)象,針對這種情況,可以采用聲發(fā)射技術(shù)對壓力容器進(jìn)行檢驗(yàn),尤其是針對檢驗(yàn)到期的壓力容器。除此之外,通過聲發(fā)射技術(shù)不僅可在線監(jiān)測,還可進(jìn)行安全評定。一方面,技術(shù)人員可以調(diào)整壓力窗口的工作壓力,將生產(chǎn)工藝允許的最高工作壓力作為調(diào)整的方向,經(jīng)過生產(chǎn)介質(zhì)促進(jìn)壓力容器工作壓力提升,將其提升在允許最高范圍內(nèi)。另一方面,經(jīng)過聲發(fā)射檢驗(yàn)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對反饋信號的收集,還能做好相應(yīng)的整理并加以分析,適當(dāng)可將工作時(shí)間進(jìn)一步延長。通過這樣的方式分析壓力容器的安全使用周期,適當(dāng)延長壓力容器的停產(chǎn)受檢期,以實(shí)現(xiàn)效益最大化。

5 聲發(fā)射技術(shù)在大型壓力容器檢驗(yàn)中的應(yīng)用案例

某化工企業(yè)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模,引入多組大型壓力容器設(shè)備,用以盛裝生產(chǎn)所需的氣態(tài)原料和液態(tài)原料。企業(yè)認(rèn)真落實(shí)生產(chǎn)安全要求,將現(xiàn)有的氣態(tài)原料和液態(tài)原料分開管理,分別儲存在A和B兩個(gè)大型壓力容器中。A壓力容器是廠房原有設(shè)備,投入使用時(shí)間較長,受作業(yè)環(huán)境、材料老化、承壓受力作用等因素的影響,存在一定程度的介質(zhì)泄露的情況,給企業(yè)生產(chǎn)埋下了安全隱患。為了不影響正常生產(chǎn),確保生產(chǎn)人員的安全,該企業(yè)組織專業(yè)技術(shù)人員運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)對A和B兩個(gè)壓力容器進(jìn)行安全檢驗(yàn)。在具體的檢驗(yàn)過程中,技術(shù)人員加強(qiáng)對聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用方法的控制,及時(shí)準(zhǔn)確地處理檢驗(yàn)中遇到的問題。

首先,技術(shù)人員清理檢驗(yàn)現(xiàn)場,認(rèn)真檢查A和B兩個(gè)壓力容器的外觀,發(fā)現(xiàn)A壓力容器的外表存在很多微小的裂縫,而且這些裂縫有明顯的拓展趨勢。根據(jù)裂縫發(fā)生的位置及其幾何形狀,將A容器上的裂紋劃分為深埋裂紋、表面裂紋和穿透裂紋三類,采取不同的方法進(jìn)行處理。其次,技術(shù)人員重視分析這些裂紋產(chǎn)生的原因,發(fā)現(xiàn)A壓力容器除了外部載荷、環(huán)境和內(nèi)部介質(zhì)外,長期處在運(yùn)行狀態(tài),長期超負(fù)荷工作,導(dǎo)致該容器受損嚴(yán)重。加之相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)工作不到位,進(jìn)一步加重了容器的損傷。再次,技術(shù)人員利用聲發(fā)射技術(shù)開展裂縫的精準(zhǔn)檢驗(yàn)。在整個(gè)操作過程中,技術(shù)人員先后完成儀器選擇、傳感器布置、加載測試、定位與定量等工作,為后續(xù)的容器檢驗(yàn)做好準(zhǔn)備。為了取得理想的檢驗(yàn)效果,技術(shù)人員重點(diǎn)在大型壓力容器焊縫附近布置傳感器,這些傳感器捕捉聲發(fā)射源釋放的彈性波,再依托計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行收集信號的轉(zhuǎn)化處理和分析,確定A壓力容器多處處于亞臨界裂紋擴(kuò)展階段。最后,在利用聲發(fā)射技術(shù)探尋了解裂紋的程度與位置后,技術(shù)人員對容器的裂紋情況進(jìn)行綜合性的評價(jià),并開展了相應(yīng)的修復(fù)工作。尤其是對處于亞臨界裂紋擴(kuò)展階段的裂紋進(jìn)行修復(fù),同時(shí)更換裂紋處于快速擴(kuò)展的容器,有效保證容器使用的安全性,促進(jìn)生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

大型壓力容器在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛,為避免出現(xiàn)安全事故,須加強(qiáng)先進(jìn)的檢驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用。聲發(fā)射技術(shù)作為一種新型無損檢測技術(shù),其在壓力容器安全性的檢驗(yàn)中發(fā)揮了重要作用,提高了檢驗(yàn)的質(zhì)效性,降低了檢驗(yàn)成本的投入,保證了壓力容器的安全運(yùn)行。為加強(qiáng)聲發(fā)射技術(shù)在大型壓力容器檢驗(yàn)中的應(yīng)用,檢驗(yàn)人員還需準(zhǔn)確把握技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn),在實(shí)踐中進(jìn)行拓展應(yīng)用,促進(jìn)該檢測技術(shù)的完善與成熟。