壓力容器聲發射檢測技術論述

耿雪峰

(上海市特種設備監督檢驗技術研究院,上海　200333)

壓力容器聲發射檢測技術論述

耿雪峰

(上海市特種設備監督檢驗技術研究院,上海200333)

在石油化工、核工業領域中壓力容器應用條件十分嚴格,絕大部分運行在高壓高溫、高壓低溫、高載荷介質中,條件非常惡劣,聲發射檢測技術就是對上述問題有效解決的方法之一。本文通過對聲發射檢測的主要原理有效闡述,總結了聲發射檢測的優點和不足,介紹了壓力容器常見缺陷的聲發射特征,并且概述了聲發射檢測技術在壓力容器中的應用情況。

壓力容器聲發射檢測技術缺陷

1　聲發射技術原理及檢測系統

1.1聲發射技術概念

聲發射技術是一種新型動態無損檢測技術，它與一般的無損檢測例如超聲波、射線等其它無損檢測技術不同，其是一種定期對壓力容器進行檢驗的一種創新方法。聲發射技術原理如圖1所示。

聲發射源，具體是指聲發射事件的物理源點或者出現聲發射波的機制源。對聲發射材料局部引發變化稱為聲發射事件。此外，另一類與泄漏流體、摩擦、撞擊、燃燒等變形與斷裂機制沒有直接關系的彈性波源，稱之為二次聲發射源。

壓力容器聲發射檢測的主要工作為:(1)明確聲發射源的位置; (2)研究聲發射源的特點;(3)明確聲發射出現的時間或者載荷;(4)對聲發射源的嚴重程度有效評定。通常來說，通過其它無損檢測方法對超標聲發射源實行局部復檢，以便對缺陷性質和大小積極明確。

1.2聲發射技術的特點

1.2.1優點

第一，可以檢測危害結構安全的活動性缺陷。由于在應力作用下提供缺陷動態信息，適合評價缺陷危害結構的實際程度;

第二，可以整體或者大范圍快速檢測大型構件。由于不需要采取復雜的掃查操作，而只需要布置充足數量的傳感器，通過一次加載或者試驗，就能夠明確缺陷位置，進一步有效提高檢測效率;

第三，可以提供缺陷隨著載荷、時間、溫度等外變量變化的實時連續信息，在工業過程的在線監控和早期破壞預報中十分適用;

第四，由于對被檢件的接近要求較低，因此與其它方法適用很難或者無法接近環境下的檢測;

第五，由于對構件的幾何形狀并不敏感，因此在檢測其它方法受到限制的復雜形狀的構件中較為適用。

1.2.2局限性

第一，聲發射特點對材料十分敏感，機電噪聲又會對其造成干擾，因此，解釋數據過程中需要進行十分詳細的數據分析與現場檢測經驗。第二，聲發射檢測通常需要實行合理的加載程序。大部分情況下，可以采用目前的加載條件，但有時還需要特殊準備。第三，聲發射檢測所發現缺陷的定量定性，有些時候還需要借助于其它無損檢測方法。

表1　加氫精制預反應器參數表

圖1　聲發射技術原理

圖2　加載曲線

1.3聲發射檢測系統

1.3.1單通道聲發射儀器

通常包含了傳感器、前置放大器、主放大器、測量信號參數、統計數據、記錄和顯示等。

傳感器傳輸的信號，通過前置放大器有效放大，由濾波器鑒別頻率，進一步利用主放大器實施放大，得到信號參數，單元運算分析，最終向記錄和顯示單元輸出。隨著檢測設備的不同類型，測量參數以及分析顯示也會形成極大差異。

1.3.2多通道聲發射系統

(1)微機控制式多通道系統。這一系統通過多處理器并行處理結構，具體包含了高速采集用單獨通道控制器、協調用總體通道控制器和統計數據用主體算機。

單獨通道控制器，分別對兩個單獨信號通道進行控制，進一步測量波擊參數，包含的常規參數包含能量、幅度、持續時間、提高時間、信號平均電平等，并且在大容量輸出緩沖器中迅速存儲。

總通道控制器，緩沖器容量更大，同時和前端與主機發揮協調功能，它把讀取的波擊參數組與外變量，通過每個波擊達到傳感器的順序，逐一提供給主機并且存儲至硬盤。

主計算機，可以利用IBM兼容機，在各類軟件的支撐下，能夠完成實時或者事后的分析和顯示。軟件的具體性能包括:第一，實時采集數據，分別是設置、轉存與顯示條件方式;第二，源定位，分別是一維、二維定位和顯示事件集中區;第三，事后分析，分別是數據濾波與編程性能;第四，在附件支撐下記錄波型和譜分析。

(2)全數字式多通道聲發射系統。隨著處理數字信號技術的發展，近年來開發全數字式多功能聲發射系統已經成為一種新趨勢。主要特點為經過前置放大信號不需要再通過處理一系列模擬電路而是直接轉變為數字信號，同時實施提取常規特性參數以及記錄波形。這樣不但完善了電路的穩定性與可靠性，并且有效提高了系統處理信號的能力。

2　壓力容器常見缺陷的聲發射特征

2.1壓力容器的典型聲發射源

(1)擴展裂紋。壓力容器焊縫表面裂紋與內部深埋裂紋的尖端塑性形變鈍化與擴展進一步形成聲發射信號。

(2)焊接問題開裂。氣孔、夾渣、未熔合與未焊透問題導致的開裂和擴展以及斷裂非金屬渣物出現在壓力容器焊縫內進而形成了聲發射信號。

(3)機械摩擦。壓力容器碰撞外部腳手架、內部塔板、外部保溫支撐平臺等全部都可以形成機械摩擦聲發射信號。此外，由墊板連接立式容器的裙座、臥式容器的馬鞍型支座與容器殼體和支撐板，通常墊板和容器殼體全部或者部分利用焊縫焊接。在加壓過程中，不同的墊板和殼體膨脹造成的摩擦極有可能形成大規模的聲發射信號。

(4)釋放焊接殘余應力。針對新制壓力容器，第一次加壓容易出現這類信號，對于正在使用的壓力容器，焊縫修理位置容易產生這類聲發射源。此外在容器的裙座、支座、支柱等角焊縫位置容易形成應力集中與殘余焊接應力。在升壓工作中重新分布應力可形成很多聲發射信號。

2.2壓力容器常見缺陷的聲發射特征

2.2.1定位特性

(1)裂紋。采取分階段升壓、保壓、降壓多次循環實施加壓程序。在整體試驗過程對缺陷采取探頭進行三角定位聲發射檢測。

第一加壓中，在裂紋附近全部出現了大量成團的聲發射定位源;針對表面裂紋來講，聲發射定位源在低壓下就會產生，在壓力接近2Mpa時，裂紋出現最激烈的活動，聲發射定位源信號出現峰值;針對探埋裂紋來講，聲發射定位源信號出現在1-1.5Mpa壓力下，裂紋在3Mpa壓力下出現最激烈的活動。

在第一次加壓的10分鐘保壓期間，在裂紋周圍也會形成很多聲發射定位源信號。在降壓過程中閉合表面開口裂紋也能形成一些聲發射定位源，而沒有開口的深埋裂紋不會出現聲發射定位源信號。在降壓過程中的第二次升壓與保壓中，裂紋位置不會或者很少出現聲發射定位源信號。

(2)為焊透、為熔合、夾渣等焊接缺陷。在升壓過程中，兩個聲發射定位源以及三個升壓與保壓過程全部產生了聲發射定位源，試驗之后復驗射線探傷一處出現大概斷續500mm的未焊透與未熔合缺陷，另外一處則是大量氣孔夾渣缺陷，根據射線標準設定為IV級，需要返修。

(3)結構摩擦。在檢驗壓力容器過程中，出現結構摩擦形成大量的聲發射定位源信號是普遍現象。一般由腳手架、支座、平臺等焊接墊板產生結構摩擦。結構摩擦形成的聲發射定位源在較大范圍內散步，也就是在降壓之后的第二次升壓中還會出現聲發射信號。

(4)泄漏。穿透裂紋、人孔、法蘭與閥門的泄漏等都會出現持續的聲發射信號。由于通過泄漏會產生連續的聲發射信號，因此無法采取時差定位法實行定位。但是，針對多通道儀器來講，探頭與泄漏源通道越接近，就會采集越多的聲發射信號，也會獲得越大的信號幅度、能量等參數。利用聲發射信號撞擊次數、幅度、能量等和聲發射通道分布圖，能夠明確泄漏源的區域。

2.2.2分布特點

測試結果說明，表面裂紋、深埋裂紋與未熔合、未焊透、氣孔等焊接缺陷形成的聲發射信號參數沒有顯著的差異，除了電子噪音與泄漏聲發射信號擁有巨大的能量與持續時間之外，其它聲發射源信號的聲發射參數分布特點基本上類似的。

3　聲發射技術在壓力容器檢測中的應用

3.1基本參數(表1) 3.2 檢測儀器及參數

32通道聲發射檢測設備，具體參數:40dB門檻，30dB增益;R15傳感器，1220A前置放大器;靜態應變測量分析設備。

3.3檢測方案

(1)聲發射檢測方案。利用二次加載方法，進一步獲得更加充分和可靠的檢測數據。完成加載，再次對各通道進行標定，明確在加載期間各通道全部正常。

(2)應變檢測方案。將18點布片設置在進料與出料管道和反應器中，為了獲得準確的測量，利用一個應變片采取一個公共線的方式，如此雖然增加了導線數量，但是防止了應變片之間的干擾。由于各個部分溫差會導致測量差異，選擇三個補償塊，6個溫度補償塊，很好對全部溫度梯度的各個位置完成溫度補償操作。

3.4加壓過程

根據圖2可知。設定設備目前壓力是8Mpa，設備系統安全閥起跳壓力是9.3Mpa，實驗壓力為12.87Mpa，按照現場具體情況，設定最高實驗壓力為15Mpa。盡可能實現平穩加載，設計加載速度是0. 5M pa/m in。

3.5檢測結果及分析

3.5.1聲發射檢測結果

認真事后處理與分析各個加載過程的檢測數據，本次聲發射檢測一共明確3點聲源，其中下封頭法蘭密封面滲漏引起了1聲源，之后采取緊固螺栓對其影響有效消除，2和3均是有效聲源，并且全部是1級，不需要采取無損復檢。

3.5.2應變檢測結果

檢測數據準確，應變檢測數據都是簡體上環向應力二倍于軸向應力的關系，具體檢測結果為:

(1)反應器進出料口管道位置形成的四點檢測結果全部是軸向力在15-17Mpa之間，環向應力在30-40Mpa之間，應力值不大，達到了安全要求。

(2)測試容器封頭上的兩點結果說明，由于封頭擁有較大的厚度，因此應力數值并不大。

(3)分布在筒體上的四點較為均勻，沒有出現強烈的波動，環向接近于軸向應力的二倍。(4)在接管位置由于存在加強高，無法對接管跟部進行檢測。上述數據實測條件是15Mpa，按照檢測結果說明這一反應器符合操作強度要求。

4　聲發射檢測結果對壓力容器安全性能的評價

4.1未發現聲發射源的壓力容器安全性能評價

(1)設計、制造和安裝的影響。在檢驗壓力容器時，在沒有發現聲發射源的狀況下，明確壓力容器的安全級別，還需要保證設計、制造和安裝設備符合相關規定。這些方面沒有符合要求，壓力容器雖然沒有產生聲發射源，可是壓力容器具有危險隱患。只有資料檢查與結構符合規定要求之后，按照檢測聲發射技術結果對壓力容器安全級別是否完好發揮了巨大意義。

(2)設備運作情況的影響。材料的受載歷史嚴重影響了重復加載聲發射特點。重復載荷在未達到原先增加最大載荷之前無法形成顯著聲發射，這一聲發射不可逆性稱為凱賽爾效應。其是檢驗壓力容器中利用聲發射技術的基礎。由于沒有發現聲發射源信號，對壓力容器安全情況進行判定為1級，記錄設備運行情況、開停車、操作備件改變情況以及運行中的異常狀況等，實行詳細檢查，明確壓力容器沒有出現超溫超壓運行，反之采集壓力容器檢驗的聲發射信號便喪失了真實性。

根據腐蝕機理可以將金屬壓力容器腐蝕劃分為電化學與化學腐蝕。在檢驗壓力容器過程中，應當認真研究怎樣發現引起腐蝕情況的介質與環境，必要情況下可以全面宏觀檢查與利用常規無損檢測技術復檢設備，在明確沒有發生腐蝕現象時，才能采用聲發射技術檢驗過程沒有發現聲發射源信號的特性，判斷壓力容器安全級別，也就是其是否能夠安全運行。

4.2壓力容器常見缺陷的聲發射特征

聲發射檢測的主要目標是對聲發射源的位置與性質有效識別，而處理聲發射信號是解決這一問題的主要途徑。在處理與分析聲發射信號過程中，除了一般應用的典型聲發射信號參數與定位研究之外，我們當前還研究了基于波形分析基礎上的模態分析、經典譜分析、小波分析，此外對聲發射信號參數也應用了模式識別、模糊分析等，我國還獨立研究了分析各種信號的識別模式軟件包。通過處理和分析這些信號，可以在不對聲發射源位置實行常規無損檢測復驗的前提下，直接提供聲發射源的性質和危險級別。可是這些方法僅僅是應用于實驗中，在開展大規模壓力容器聲發射技術檢驗中并不適用。

接下來介紹與大型壓力容器檢驗的聲發射源相適合的一種分析方法，通過評價多臺壓力容器檢驗之后的安全級別，證明了其可靠性。

(1)劃分源的活度。假如源區的事件數量隨著升壓或者保壓迅速增多時，則認為這一位置源的活性極強。假如源區事件數量隨著升壓或者保壓持續增加時，則認為該位置的源具有活性。

(2)劃分源的強度。可以采用能量、幅度或者計數參數表示源的強度，計算源的強度采取源區前5個最大能量、幅度或者計算參數的平均數值。

5　結語

聲發射檢測是一種無損檢測的新技術，在壓力容器定期檢驗中應用完全具有可行性。我們需要對這一技術大力實施推廣，促使在檢驗工作中越來越多的應用聲發射檢測方法，以便有效提高檢驗和檢測效率，保證正常安全運行設備。隨著工業技術的迅速發展，出現了大量結構復雜、運行要求嚴格的容器，這樣勢必對檢測技術與水平形成了更大的挑戰，為了與這一發展速度有效適應，研究聲發射檢測技術已經成為一種重要的發展趨勢。

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耿雪峰(1980—),男,上海人,工程師,碩士,長期從事承壓特種設備的檢驗、檢測研究工作。