液氨罐式集裝箱聲發射檢測及缺陷評定

顧建平 張延兵 江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院南通分院

日前受企業委托對5只超純液氨罐式集裝箱進行全面檢驗，依據TSG R7001-2013《壓力容器定期檢驗規則》要求，該容器需要開罐、清洗和置換，達到檢驗條件后，方可進行檢驗。而容器一旦打開，外部空氣進入，將會破壞容器內表面穩定的鈍化層，目前國內還沒有超純液氨罐的鈍化技術；另一方面，由于容器內部盛裝純度達到99.99999%的液氨, 國內也沒有能將容器內部置換為純度達到7個9真空度的工藝,整個鈍化和置換過程都需要在國外完成，檢驗成本耗費巨大。依據TSG R7001-2013第二十九條規定：對于無法進行內部檢驗的壓力容器，應當采用可靠的檢測技術（例如內窺鏡、聲發射、超聲檢測等）從外部檢測內部缺陷。為保證檢驗的順利進行, 采用同樣高純度的液氮對容器進行氣密性試驗，在此過程中使用聲發射檢測技術排查容器本體活性缺陷的分布狀態，利用超聲檢測對疑似缺陷部位進行復查，兩種檢測方法綜合使用從而為全面檢驗提供可靠無損檢測數據支撐。

1 聲發射檢測過程

超純液氨罐式集裝箱的容積24.1mm3，設計壓力為2.2MPa，氣密試驗壓力為2.2MPa，壁厚20mm，無內襯，材質為16MnDR。

1.1 檢測儀器及傳感器布置

采用美國PAC公司的SAMOS型48通道聲發射儀，傳感器型號為DP15I，其測點布置見圖1。由于容器上部有遮陽板，底部與車體連接，在封頭部分有人孔、閥門和儀表等，整個容器表面結構復雜，本次檢測采用對整個容器表面密布傳感器逐點監測的方法實現缺陷的定位。聲發射儀器的設置參數見表1。

表1 聲發射儀器參數設定

1.2 氣密性試驗加載過程

本次檢測是在容器的氣密性試驗基礎上對容器進行整體聲發射檢測，以衡量容器是否有活性缺陷。由于氣密性試驗只需要做一次加載程序，所以無法按照GB18182-2012《金屬壓力容器聲發射檢測及結果評價方法》中的要求進行完整的兩次加載循環，故不能對其進行定量的缺陷源的綜合等級評價。但這并不影響對容器檢測結果準確性的判定，主要是因為聲發射檢測中兩次加載過程中，第二次加載循環為第一次加載循環的復驗，其主要目的是為防止一次加載循環中出現人為或環境干擾等因素造成聲發射信號采集的不準確。在很多情況下，在一次加載循環中出現擴展的缺陷，由于已將缺陷累積的活性能量釋放，二次加載在沒有超過一次加載最高壓力的情況下，將不再有擴展現象，除非具有較強活性的缺陷，在第二次加載過程中再次出現缺陷擴展。這種情況只要對所有在一次加載循環中出現的疑似缺陷部位進行復查即可滿足要求。這也是聲發射檢測“重第一次升壓、輕第二次升壓”原則的緣由。加載分四個階段進行，如圖2所示。

圖2 氣密性試驗載荷曲線圖

2 聲發射檢測數據分析

按照預定的加載程序對容器進行氣密性試驗，并采用聲發射技術監測其缺陷的活動情況。在0～2.2MPa四個加載、保壓循環中，在前三個階段均未發現有異常聲發射信號，從2.0MPa升壓至2.2MPa過程中，在壓力臨近2.2MPa時，在3號通道（前封頭）附近出現了大量的聲發射信號集中現象如圖3所示，同時在2.2MPa保壓階段此信號繼續保持，見圖4所示。

2.1 幅值分析

圖3 升壓階段2.0～2.2MPa 3號傳感器幅值圖

圖4 保壓過程2.2MPa 3號傳感器幅值圖

對保壓過程中的聲發射信號幅值進行分析，這些聲發射信號的幅值并不是很高，絕大部分都在60dB以下，但由于聲發射技術重活性輕幅值的信號分析原則，還需要更加重視信號的具體活性分布情況。從幅值圖上可以看出，其幅值信號相對于常規聲發射噪聲信號有兩處明顯不同：首先信號比較密集，即信號的活性較強，這說明在這一過程中有較強活性的聲發射源的存在；另一方面，其聲發射信號都呈現瞬時特征，即異常信號都是在某一時刻突然增加，信號從發生到消失持續時間非常短，這是典型的突發型信號。出現這種現象可以說明在實際的檢測過程中在3號通道處有異常聲發射源的產生，進而傳感器采集到了這一信號，但這一異常信號的性質還不能簡單的據此進行判斷，更不可單純依據幅值信號的特征就對容器進行安全等級的評定。

2.2 波形分析

任意選取幅值圖上的其中一處突發型聲發射聚集信號，觀察其波形，可以看出，其為典型的沖擊波如圖5所示。基本沒有其他相近能量的信號波形混入，證明其信號來源單一，信號指向性非常明確。從表3中的該瞬時波形的信號特征參數中可以看出，其信號的能量非常低，遠遠小于金屬材料缺陷擴展信號的能量數值，因為缺陷擴展是母材或焊縫材料局部因能量的快速釋放而發出瞬態彈性波，其宏觀表現為缺陷的活動狀態，其能量一般達到幾千甚至更高，而此次檢測采集到的聲發射信號其能量顯然不在一個數量級上，從常規分析而言，一般只有噪聲信號才會有如此低的能量，此信號不足以判定在3號傳感器處其存在較強活性的疑似缺陷。

圖5 波形分析

表2 選取信號波形特征參數

2.3 能量分析

為進一步確認采集到的異常聲發射信號類別，對其進行全過程的能量分析，如圖6所示。從3號通道的能量圖上可以看出，在整個保壓過程中，絕大部分信號的能量都集中在非常低的區域，只有少量的信號能量達到了800左右，這與幅值信號中大量聲發射信號在短時間內快速出現的現象完全不同，如果單從幅值信號看，就會很容易判定在保壓過程中出現的大量瞬時信號集中，為缺陷在載荷作用下的擴展。但從信號的能量分析就會得出截然不同的現象，在整個保壓過程中基本沒有高能量信號，容器本體活性狀態非常穩定。再加上其信號能量非常低，且總體撞擊數也很少，基本可以排除這些異常信號為金屬內部缺陷的活性擴展信號。

圖6 能量-時間歷程圖

2.4 數據濾波處理

依據對采集的聲發射信號特征參數分析，可以確定3號通道采集到的聲發射信號不是金屬材料缺陷擴展信號，為進一步的確認推測結果，對采集到的聲發射信號進行后期數據處理，對于能量小于等于1的信號進行濾波處理，觀察其在整個保壓過程的幅值信號(見圖7)。

圖7 數據濾波后的幅值圖

從數據濾波后的信號幅值圖上可以看出，經過數據濾波后，3號通道采集到的大量聲發射聚集事件消失，只剩下零散的幾個聲發射信號，說明在保壓過程中的異常聲發射信號為外界噪聲的干擾。由于噪聲持續時間較短所以其累積效應很小，導致能量很小，也是噪聲信號的典型特征。從處理后的數據可以看出，聲發射信號總體數量大大降低，在整個保壓過程中，信號離散出現，且幅值較低，這與缺陷擴展瞬時擴展的特征不符，綜合上述分析，可以從信號層面排除容器本體存在活性缺陷。

為進一步驗證聲發射檢測結果的準確性，需要對發現異常聲發射信號的區域進行其他無損檢測方式進行復查，對于表面缺陷采用滲透探傷進行復查，對于埋藏缺陷采用超聲波探傷進行復查，均未發現超標缺陷的存在，復驗結果證明了聲發射檢測結果及數據分析的正確性。

3 關于現有壓力容器缺陷評定規則合理性的探討

針對此次超純液氨罐聲發射檢測做一個大膽的假設：假如對3號傳感器采集到的信號進行能量分析并進行噪聲濾波處理，其結果仍然呈現出與幅值信號類似的大量瞬時能量集中現象，信號能量在200-500范圍內，相對于正常的金屬缺陷開展信號能量，其數值較小且甚至差了一個數量級。由于《金屬壓力容器聲發射檢測及結果評定方法》重活性輕強度的信號評定原則，此缺陷信號仍然屬于強活性，需要進行其他無損檢測復查，而采用射線或超聲檢測進行缺陷的復查后，該區域被評定為Ⅰ級片或缺陷均在評定線以下，此時聲發射檢測顯示強活性，而壓力容器的評判規則顯示容器是安全的，如果出現此種情況該如何判定壓力容器的安全性。

依據現有的壓力容器檢驗標準或規程，容器安全狀況等級評定的標準都是依據缺陷的大小、深度、長度等幾何尺寸進行判定，當缺陷小于某一個數量級時就認為容器是安全的。筆者認為這種評定方法有一些不合理之處，依據聲發射技術對缺陷的分類，將缺陷分為兩種：活性缺陷和死缺陷，對于死缺陷聲發射評定方法認為其合格，對于活性缺陷就需要針對其活性程度等級進行相應的安全狀況等級評定。對比壓力容器的評判標準與聲發射檢測標準，在兩者之間存在一個交叉區域，即當缺陷尺寸很小，又達不到壓力容器標準中規定的缺陷評定等級（如超聲檢測中的評定線以下的小缺陷，射線檢測中的Ⅰ級底片等），此時就會評定為合格。但是如果這個小的缺陷其活性程度非常高，在試驗載荷下其缺陷擴展的速度非常快，聲發射信號事件呈現快速增加趨勢，此時依據聲發射檢測標準要求，此種壓力容器是不合格的壓力容器，需要立即停止試驗，找出缺陷修復合格后才可以繼續進行檢測。而這種小缺陷強活性的案例確實存在。

如我國進口的一結晶壓力容器，在設備驗收時，對容器進行整體無損檢測，傳統無損檢測技術如射線、超聲、磁粉、滲透等均未發現有結構缺陷存在，但通過電鏡掃描發現在容器母材表面存在大量微裂紋，長度均為千分之幾毫米左右(容器筒體卷板為冷成型)，在聲發射檢測中，發現在大量的微裂紋集中區域，其聲發射信號活性非常強，如果按照GB/T18182-2012進行評判，此容器的安全等級就會下降很多，但依據現有的壓力容器評定規程及標準，此容器是安全的（具體見《中國特種設備安全》2013年第11期“金屬壓力容器水壓試驗聲發射檢測”)，目前該容器已申請進行安全評估。

4 結論

從上面的分析可以看出，單純依據現有壓力容器檢測標準對缺陷進行安全評定有一些值得商榷的東西，至少是不全面的，尤其對于有較高使用要求的壓力容器（如核電、軍工、航天等領域）其對容器本身的要求相當高，容不得些許隱患的存在。此時對缺陷的排查及評定就顯得非常重要。壓力容器聲發射檢測在對缺陷評定時引入了活性的概念，從缺陷的活性方面實現了對缺陷的安全等級評定，避免了強活性小尺寸缺陷的漏檢，是對傳統缺陷形狀尺寸評定的一種有益補充，綜合利用兩種評定方法可以實現對缺陷更準確更科學的判定，對于更大程度上保證設備的安全應該具有積極的意義。