20000 m3真空球罐聲發射監測與信號源分析

樂開白，左繼鋒，姚力，馬學榮

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20000 m3真空球罐聲發射監測與信號源分析

樂開白，左繼鋒，姚力，馬學榮

（中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000）

針對20000 m3真空球罐及管道系統在開展抽真空試驗狀態下，對其應力集中部位進行聲發射監測及應力應變測試，結果表明，通過干擾噪聲排除，結合應力應變測試結果，對信號源進行數據分析，真空試驗狀態下能夠實現真空球罐及管道系統應力集中部位的監測和整體結構失穩性預報，為20000 m3真空球罐及管道系統運行過程中的監控及后期開展檢驗提供了一種有效的檢測和安全狀況綜合評估方法。

真空球罐；聲發射監測；信號源；安全評估

以壓力容器為代表的典型設備，在耐壓試驗或在役狀態下，聲發射檢測能夠全過程、實時進行結構整體完整性評價、重點缺陷的活度監測、結構失穩破壞監測預報。相對于其他無損檢測方法，聲發射檢測在實時性、無損安全評價、缺陷活度監測、結構失穩破壞預報等方面，均具有明顯、獨特的優勢。對于金屬壓力容器而言，聲發射檢測技術是一種正在逐步走向成熟的無損檢測新方法。

某單位20000 m3真空球罐及管道系統是由兩臺20000 m3真空球罐和配套管線系統組成的研制裝置，球殼內壁設置縱向與環向T形加強筋，T形加強筋與球殼板相焊，形成抗外壓的組合球殼結構，在不開展試驗情況下，除非進行設備檢修，球罐長期處于真空狀態。20000 m3真空球罐主要技術參數如表1所示，其平面布置及實物如圖1所示。

表1 20000 m3真空球罐主要技術參數

圖1 20000 m3真空球罐平面布置及實物圖

與常規壓力容器相比，20000 m3真空球罐及管道系統存在幾何尺寸龐大、內設加強筋、應力分布差異明顯、噪聲干擾影響眾多、結果復驗困難等特點，以NB/T 47013.9－2012《承壓設備無損檢測第9部分：聲發射檢測》、GB/T 18182－2012《金屬壓力容器聲發射檢測及結果評價方法》、JB/T 10764－2007《無損檢測常壓金屬儲罐聲發射檢測及評價方法》等為代表的現有成熟的壓力容器聲發射檢測技術難于直接應用于20000 m3真空球罐及管道系統抽真空試驗狀態下的聲發射檢測。

為了對重點部位或典型缺陷進行聲發射監測，探索針對缺陷活動性、危害程度和結構完整性評價的實時監控及預報方法。為提高20000 m3真空球罐及管道系統投用后安全狀態監測與定期維護的針對性，以便有效預防各類失效破壞事故的發生，本文在抽真空狀態下針對20000 m3真空球罐及管道系統開展了聲發射監測。

1 檢驗前準備

本次試驗主要針對20000 m3真空球罐及管道系統在抽真空試驗狀態下開展聲發射檢測。抽真空試驗前，中國特檢院與中國空氣動力研究與發展中心設計所科研人員已進行了應力分析計算，確定了整個系統高應力分布區域，在抽真空試驗狀態下，同步開展的檢驗檢測項目包括針對應力集中部位的聲發射檢測、應力測試以及應變監測等。

聲發射檢測部位主要為高應力分布區，具體為兩臺球罐間管道連接的角焊縫部位，工藝采用特征參數法，管道部分以三角形面定位布置傳感器，球罐部分由于內部存在加強筋，結構復雜，以區域定位為主，其中V-06真空球罐與管道連接角焊縫周圍布置12個傳感器，分為兩個區域，管道上距角焊縫2700 mm對稱布置2個傳感器，與角焊縫邊緣等間距布置的5個傳感器之間形成第I區域；以管道中心為圓點，半徑2800 mm圓周上等間距布置5個傳感器，與角焊縫邊緣的5個傳感器之間形成第Ⅱ區域，如圖2所示。同理，V-05真空球罐與管道連接角焊縫周圍分別布置第Ⅲ區域、第Ⅳ區域。

2 系統調試[1]

采用德國Vallen公司的32通道AMSY5 ASIP-2型超高速、全數字、全波形、強抗干擾聲發射采集分析系統，VS150-RIC諧振式窄頻帶一體化探頭，AMSY5聲發射軟件（含BDSWB采集、VAELP分析、BDSWLoc1定位等軟件）。主要參照NB/T 47013.9－2012《承壓設備無損檢測第9部分：聲發射檢測》等編制了檢測工藝；以2.5 mm、0.3 mm、30°2H鉛芯折斷&自校驗脈沖信號作為模擬源；在距探頭100 mm部位，去除表面涂層并用角向磨光機打磨露出金屬本底，采用模擬聲發射信號3～5次重復測定，逐一進行每個通道的靈敏度校驗，均不小于76 dB，各次測定的靈敏度變化范圍原則上均不超過±4 dB。

圖2 第Ⅱ區域傳感器布置圖

由于20000 m3真空球罐及管道系統存在幾何尺寸龐大、內設加強筋、應力分布差異明顯、噪聲干擾影響眾多，為找出有效的噪聲抑制和剔除方法，確保有效聲發射信號的順利提取、檢測，采取了以下措施：

（1）在模擬試件和實物上進行反復、多次、不同狀況下的實驗調試；

（2）在罐體結構上進行最終實測；

（3）采用特征參數法篩選剔除無關的噪聲信號。

3 檢測過程及結果評定[2-4]

本次聲發射檢測結合球罐系統抽真空試驗進行，兩臺球罐分開進行試驗，先關閉兩個球罐之間的閘閥FM-02及V-06號真空球罐進風洞間的閘閥FM-04，對V-06號真空球罐進行抽真空試驗，按50000 Pa、10000 Pa、5000 Pa、23.7 Pa逐級抽真空分階段進行試驗，且在各級保持足夠時間檢查；完成V-06號真空球罐抽真空試驗后，對V-06球罐及連接管道進行保壓，再按相同階段對V-05號真空球罐進行抽真空試驗。經測定，第I區域、第Ⅲ區域聲速為4900 m/s，第Ⅱ區域、第Ⅳ區域聲速為4700 m/s。衰減曲線及脈沖表分別如圖3、圖4所示。

圖3 衰減曲線圖

圖4 脈沖表

在對V-06號真空球罐聲發射監測過程中，參照NB/T 47013.9－2012《承壓設備無損檢測第9部分：聲發射檢測》，未發現隨負壓增大而持續增長的有效聲發射源，Ⅱ級以上的聲發射活動源情況如表2所示：在抽至50000 Pa階段，I區發現2處、II區發現3處聲發射活動源；在50000 Pa保壓階段，I區和II區各發現1處聲發射活動源；在50000～10000 Pa階段，I區發現3處、II區發現4處聲發射活動源；在10000 Pa保壓階段，未發現聲發射活動源；在10000～5000 Pa階段，I區和II區各發現1處聲發射活動源；在5000 Pa保壓階段，Ⅱ區發現1處聲發射活動源；在5000～23.7 Pa階段，I區發現2處、II區發現2處聲發射活動源；在23.7 Pa保壓階段，未發現聲發射活動源。經對綜合評定為Ⅲ級的部位進行現場檢查和常規無損檢測抽查復驗，證實有效聲發射源區域未發現存在超標缺陷，抽真空試驗聲發射檢測合格，聲發射監測結果與應力應變監測結果、抽真空試驗實際狀況相符。

在對V-05號真空球罐聲發射監測過程中，參照NB/T 47013.9－2012《承壓設備無損檢測第9部分：聲發射檢測》，Ⅱ級以上的聲發射活動源情況如表3所示：在抽至50000 Pa階段，Ⅳ區發現1處聲發射活動源；在50000 Pa保壓階段，未發現聲發射活動源；在50000～10800 Pa階段，Ⅲ區發現1處、Ⅳ區發現4處聲發射活動源；在真空表讀數為10800 Pa時，聲發射檢測到一個源強度為99.4 dB的信號，定位如圖5所示，聲發射監測數據如表4所示。此時應力監測到兩臺球罐之間連接管道即V-06球罐與管道連接的上端，應力值達到191 MPa，超過預警值158.4 MPa；經現場檢查測得，兩座球罐之間管道上的閘閥FM-02向上抬起15 mm，同時向V-05號真空球罐方向移動15 mm，閘閥至V-05號真空球罐間管道上的通用型波紋膨脹節在靠近下部有一根螺栓彎曲變形。經有限元分析計算，此段管道最大應力為321.08 MPa，位于水平軸向波紋管短節的下端，即靠近波紋管下部有一根螺栓彎曲變形位置；經分析，閘閥上抬和移位現象是由于兩臺球罐間DN3600連接管道的144°彎頭單個的上、下表面積差約為62000 cm2，在接近真空狀態時產生沿彎頭角分線向上的推力約為620 kN，兩個彎頭合計向上推力約為1240 kN，兩球罐間管道支架是滑動支座，對管道和閘閥沒有約束，因此造成了閘閥出現向上抬起和水平位移的現象。

表2 V-06真空球罐抽真空試驗聲發射監測數據

表3 V-05真空球罐抽真空試驗聲發射監測數據

表4 V-05真空球罐（抽真空至10800 Pa）抽真空試驗聲發射監測數據

4 存在的問題

（1）由于定位方法、筋板結構、裙座較大等原因，導致定位困難，管道部分可以實現三角形面定位，球罐罐體部位僅能實現區域定位；

（2）部分抽真空階段存在人員巡視、檢查等噪聲信號源；

（3）罐體內部筋板的應力釋放成為聲發射信號源，造成干擾；

（4）抽真空試驗屬于負壓試驗，與通常升壓試驗存在一定差異。

5 結論

針對20000 m3真空球罐及管道系統在抽真空試驗狀態下開展聲發射監測，可以得出以下有工程意義的結論：

（1）聲發射檢測能夠對球罐及管道系統的抽真空試驗過程進行實時監控，對結果實現有效、可靠的評價；

（2）通過干擾噪聲排除、常規無損檢測復驗等措施，20000 m3真空球罐及管道系統在抽真空試驗狀態下能夠有效對應力集中部位開展聲發射監測，實現整體結構失穩性預報和完整性評價；

（3）聲發射檢測能夠對罐體內部筋板結構的變形和應力釋放等進行實時監控；

（4）因結構復雜、內設加強筋等原因，真空球罐監測區域全部實現平面定位存在難度；

圖5 信號源定位圖（10800 Pa時）

（5）聲發射檢測能為20000 m3真空球罐及管道系統運行過程中監控及后期檢驗提供一種有效的檢測和安全狀況綜合評估方法。

[1]NB/T 47013.9－2012，承壓設備無損檢測第9部分：聲發射檢測[S].

[2]姚力. 幾種典型聲發射信號的特征參數分布[J]. 無損探傷，2004，28（2）：19-22.

[3]樂開白，姚力，等. 大型風洞承壓殼體聲發射評價的試驗研究[J]. 無損檢測，2012（34）：61-65.

[4]姚力. 16Mn鋼疲勞裂紋的聲發射信號檢測[C]. 成都：第八屆全國無損檢測學術會議論文集，2003.

The Acoustic Emission Testing For 20000m3Vacuum Spherical Tanks and Analysis of Signal Source Data

YUE Kaibai，ZUO Jifeng，YAO Li，MA Xuerong

( China Aerodynamic Research and Development Center, Mianyang 621000, China )

Focused on the 20000m3vacuum spherical tanks and pipeline systems, which are in the condition of vacuum testing, acoustic emission testing and stress test are implemented in the areas of stress concentration. Results show that based on removing noise interference, stress test result and analysis of signal source data, the monitoring for the areas of stress concentration and structure instability, forecast can bi achieved effectively. And then, an effective security evaluation method, which is applied to the online testing and later inspecting of 20000m3vacuum spherical tanks and pipeline systems, is proposed.

vacuum spherical tank；acoustic emission testing；signal source；security evaluation

TJ765.4+1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.10.013

1006－0316 (2018) 10－0056－05

2018－07－02

樂開白（1979－），男，江蘇射陽人，本科，工程師，主要從事承壓設備檢驗檢測及無損檢測評價工作。