聲發射技術在高噪聲背景下的檢測應用

田亞團，蔣仕良，李 杰，李 東

（1.中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300271；2.山東華魯恒升化工股份有限公司，德州 253024）

某公司一臺氣化爐在運行中發生超溫，導致器壁局部開裂，廠方對開裂部位進行了挖補和更換壁板處理（見圖1），并對更換壁板后的四條焊縫進行了相應的檢測。超聲及TOFD 檢測發現HB2、HB3焊縫上共有10處內部缺陷，其中HB2上有6處缺陷，HB3 上有4 處缺陷，最深缺陷距外壁為69.4mm，最長104.3mm，未作消缺處理。為了確定這些缺陷的活動狀況，筆者對該補焊部位的四條焊縫在高背景噪聲情況下進行了在線聲發射檢測，對檢測數據通過濾波分析等數據處理，參考設備修復處理情況，最終確定，HB3 焊縫中的缺陷為活動缺陷，應作為重點監控對象［1－2］。

圖1 氣化爐現場挖補部位（白色線標示）

1 背景介紹

1.1 設備參數及問題

該氣化爐為潔凈煤氣化生產裝置中的重要設備，主體材料為SA387Cr11C12＋316L（修補部位為：SA387Cr11C12 ＋304L ＋316L），規 格 為φ2 820mm×16 202 mm×（84＋4）mm 修補部位壁厚為：80＋4＋4mm，設計壓力為6.9 MPa，設計溫度為425℃，實際工作壓力為6.2～6.45MPa，工作溫度為270 ℃，介質為O2、H2、CO、H2O、H2S、爐渣，2006年8月制造，2007年1月投用。2010年3月份廠方在巡檢中發現器壁有漏氣現象，拆除保溫層后，發現該部位存在一條長300mm、寬20mm 的裂口，且開裂部位附近有鼓凸現象，經查閱DCS運行記錄發現，該氣化爐運行中曾經超溫達1 000℃。

1.2 廠方處理經過

事后，廠方抽取泄漏部位附近的材料進行了拉伸、沖擊、金相等檢驗，最終分析開裂由超溫引起。根據材料的各項分析指標結合生產實際綜合考慮，廠方最終選擇挖補法進行修補，挖補寬度為3 840mm，高度為1 400mm，修補部位焊縫編號為HB2、HB3、HA1、HA2（見圖1標注）。考慮挖補后整體容器應力分布問題，對四個焊口的開設方式做了相應的調整，不同部位采用了不同的坡口方式，如圖2所示。焊接用焊材牌號為R307，采用內打底外清根的焊接步驟進行焊接，焊接前先對原器壁焊接部位進行消氫處理，后對坡口兩側進行150 ℃以上焊前預熱，焊后消氫處理，焊后，筒節進行720 ℃整體熱處理，耐壓試驗過程中，在四條焊道上均布應力測試片，測得HB2、HB3兩條焊縫的應力相對較高。

圖2 焊縫坡口方式

焊后廠方進行的超聲波檢測發現的內部缺陷位置見圖中31～10 所示，其中HB2 上有6 處、HB3上有4處。缺陷大小見表1，2010年5月該容器在重新投用前未對這10處內部缺陷進行處理。

表1中缺陷位置前項字母表示缺陷所在焊縫，后項數字表示缺陷距本條焊縫零點的距離。

圖3 修補部位焊縫內部缺陷分布

表1 埋藏缺陷超聲波檢測評級表

2 聲發射檢測

2010年6月，對該容器挖補部位四條焊縫進行聲發射在線檢測，以確定其內壁缺陷的活動情況及是否有新生缺陷。此次檢測采用美國物理聲學公司（PAC）的SAMOS 聲發射檢測系統，主機型號為SAMOS－MAIN－48，檢 測 軟 件 為 AE－WIN－TBLOC，選取的探頭型號為R15I－AST，參考GB／T 18182－2000《金屬壓力容器聲發射檢測及結果評價方法》進行檢測。因此次檢驗為在線檢驗，設備工作溫度為270℃，超出探頭承受范圍，不能在容器器壁上直接布置探頭，故此次借助波導桿進行檢測。檢測采用線性定位及區域定位兩種方式進行，以判別缺陷活動位置。

2.1 探頭布置

在容器修補完后，廠方已在器壁上布置了相應的波導桿，如圖4所示，波導桿長度為600 mm，此次檢測根據檢測需要選取相應的波導桿進行檢測，探頭布置選取A1，A2，A5，A6，A7，A8，A11，A12共計8個波導桿位置進行檢測，線性檢測分四組，其中A1，A12對HA1焊縫進行檢測；A2，A5對HB3焊縫進行檢測；A6，A8對HA2焊縫進行檢測；A7，A11對HB2焊縫進行檢測。區域檢測分三組，其中A11波導桿處探頭針對缺陷1／2／3進行檢測；A8波導桿處探頭針對缺陷4～6進行檢測；A5波導桿處探頭針對缺陷7～10進行檢測。

圖4 波導桿布放位置示意

2.2 檢測過程

檢測過程依據GB／T 18182進行。檢測前，測得背景噪聲高達80dB，超過常規檢測值（40dB 以下）。為了獲得背景噪聲的信號特征值，在正式檢測前，采集15分鐘的背景噪聲信號作為標準分析數據。檢測中將儀器的門檻值設置為35dB，以期獲得更多的檢測過程數據，為后期數據分析提供完整的數據庫。

檢測采用系統升降壓2次加壓循環方式，加載速率不大于0.5 MPa／min，第一次升壓由6.2 MPa升至6.3 MPa，保壓15min，再升壓至6.5 MPa，保壓30min，降壓至6.2MPa，保壓5min；第二次升壓由6.2 MPa升壓至6.5 MPa，保壓15min，卸壓檢測完成。

3 超聲檢測復驗

7月份在該容器停車檢修過程中，采用超聲波探傷對原檢測部位進行復探，以判斷聲發射檢測數據的正確性，超聲波復探結果詳見表2所示。

表2 埋藏缺陷超聲波復探結果及評級

4 檢測數據分析

此次檢測背景噪聲信號幅值最高達到80dB，超過常規檢測要求，不能采用常規方法分析。數據分析中采用了數據濾波技術對背景噪聲進行濾除，參考GB18182對檢測信號進行分級。

經過對采集的背景噪聲信號的分析，得出其信號特征有如下特點：多數信號的平均頻率小于30；峰值頻率小于10kHz；信號的能量小于20［4］。

經過對以上特征參數的濾波處理，得到此次聲發射檢測具體情況如下如圖5所示：

第一階段為6.2 MPa升壓至6.5 MPa，然后6.5 MPa保壓。

第一階段升壓過程中，HB3焊縫有大量源信號產生，信號較多部位集中在1 000，2 000，3 000mm三個部位，最高幅值為82dB；焊縫HB2有少量有效的信號源產生如見圖5（a），5（b）所示。焊縫HA1，HA2沒有有效的信號源產生。

第一階段保壓過程中，HB3焊縫有大量源信號產生，信號較多部位集中在1 200，2 200，2 800mm三個部位，最高幅值為82dB；焊縫HA2、HB2有少量信號源產生如圖5（c）所示，焊縫HA1沒有有效的信號源產生。

第二階段為6.3 MPa升壓至6.45 MPa，然后6.45 MPa保壓。

第二階段升壓過程中，HB3焊縫有大量源信號產生，信號較多部位集中在2 000，2 300，3 800mm三個部位，最高幅值為81dB 如圖5（e）所示；焊縫HA1、HA2、HB2沒有有效的信號源產生。

第二階段保壓過程中，HB3焊縫有大量源信號產生，信 號 較 多 部 位 集 中 在1 000，2 000，2 400，3 000，3 800mm 五個部位，最高幅值為78dB如圖5（f）所示；焊縫HA1、HA2、HB2 沒有有效的信號源產生。

依據GB18182評價HB3焊縫上1 000mm 附近源為活性中強度，為D 級源；2 000mm 附近的源為強活性中強度，為E 級源；3 000mm 附近的源為活性中強度，為D 級源；3 800mm 附近的源為弱活性中強度，為C級源。表明此四個部位均存在活性源。本次檢測，由于系統工藝調試的限制，未達到裝置滿負荷時的最高工作壓力，僅升壓至6.5MPa，如果繼續升壓，此三個活性缺陷源可能會擴展，也可能有新的活性缺陷源產生。

超聲波復探結果與原廠方檢測數據對比，見表3所示，存在一定差異，考慮到檢測方法的差異，具體數值上會有一定的差異，在超聲波復探中，發現一新缺陷，從超聲波復探缺陷的位置來分析，與聲發射源區基本吻合，據此判斷，HB3 焊縫上由聲發射檢測評定的活動缺陷基本是由這些內部未處理的缺陷，由此也證明，聲發射在高背景噪聲下檢測類似設備的缺陷是可行的，為了進一步檢驗聲發射檢驗的可行性，還需進一步做對比檢測，這樣才能更準確地評價聲發射的可行性。

表3 兩組超聲波檢測數據對比

綜合以上分析，建議該氣化爐在運行期間應周期性地對其進行聲發射在線監測；監測重點為HB3焊縫，運行中嚴禁該容器超壓運行，最高使用壓力應不大于6.45MPa；停車檢修期間或另擇時機對該容器相應部位進行超聲波復驗，以繼續跟蹤原有缺陷的擴展情況。

5 結束語

此次檢測，是聲發射在高噪聲背景下的一次實例應用，也是一次新的嘗試，檢測后發現聲發射檢測技術與常規無損檢測方法發現的缺陷有良好的對應關系。建議該容器在后期運行過程中每季度對該部位進行一次工作狀態下的聲發射在線檢測；建立氣化爐定期聲發射在線檢測數據檔案，對定期檢測數據進行更加詳細的對比分析，及時掌握氣化爐的健康狀況，以便更加有效地保證氣化爐的安全運行，同時也為聲發射在類似工況下的在線檢測積累更多有價值的數據。

［1］ 王春茂，祝衛國，袁濤，等.基于聲發射和超聲TOFD的在線檢驗技術研究及應用［J］.石油和化工設備，2009（3）：20－22.

［2］ 張穎，戴光，李偉，等.吸附塔聲發射定期在線檢測方法的研究與應用［J］.化工機械，2009，36（2）：144－149.

［3］ 張忠正，鞏建鳴，等.聲發射技術在焦炭塔檢驗中的應用［J］.無損檢測，2010，32（2）：143－148.

［4］ 孫雷，沈建民，毛國鈞，等.壓力容器檢測中常見非缺陷信號分析［J］.無損檢測，2008，30（8）：550－552.