聲發(fā)射技術(shù)在大型塔器氣壓強(qiáng)度試驗(yàn)中的應(yīng)用

(華陸工程科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在材料無損檢測(cè)、壓力容器應(yīng)力腐蝕檢測(cè)、儲(chǔ)罐底板腐蝕在線監(jiān)測(cè)及在役壓力容器設(shè)備裂紋檢測(cè)中已得到廣泛研究和應(yīng)用。采用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)某新建丙烷丙烯分離塔氣壓強(qiáng)度試驗(yàn)的加載過程進(jìn)行了檢測(cè)，判斷該塔器缺陷的活性程度及所在位置。

1 SA516材料及塔器的聲發(fā)射源分析

SA516材料中有很多微觀缺陷可以產(chǎn)生聲發(fā)射源。材料加工、設(shè)備組焊、設(shè)備熱處理過程中引起的微觀物理現(xiàn)象如位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，裂紋的萌生、擴(kuò)展、開裂[1]，熱脹冷縮及外加載荷等均會(huì)引起應(yīng)力的變化，從而形成聲發(fā)射源。

2 氣壓強(qiáng)度試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)及聲發(fā)射原理

某項(xiàng)目新建規(guī)模為500 KMTA PDH裝置的丙烷丙烯分離塔，其體積約5 000 m3、質(zhì)量約 1 000 t，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，該塔采用整體出廠方案。如采用水壓強(qiáng)度試驗(yàn)的方案，試驗(yàn)用水量非常大，且試驗(yàn)期間所需的臨時(shí)支撐工具用量大，同時(shí)需要對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固。該塔投影面積約100 m2，一旦加固不均勻，會(huì)造成設(shè)備的沉降而損壞設(shè)備。如果采用氣壓強(qiáng)度試驗(yàn)方案，不僅節(jié)省時(shí)間，也大大節(jié)省項(xiàng)目開支。

考慮氣壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程中的爆破當(dāng)量引起的安全問題，不能簡(jiǎn)單的通過壓力計(jì)讀數(shù)來判斷該塔的氣壓試驗(yàn)是否合格。基于這種情況，該文提出在有安全措施保障的前提下，通過聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)丙烷丙烯分離塔氣壓強(qiáng)度試驗(yàn)的加載過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。后續(xù)借助常規(guī)無損檢測(cè)方法對(duì)顯示有活性缺陷的部位進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，判斷聲發(fā)射源的性質(zhì)，評(píng)價(jià)其活性強(qiáng)度。若監(jiān)測(cè)塔器中潛在的活性缺陷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)為弱強(qiáng)度信號(hào)，聲發(fā)射源為非活性，則判定氣壓強(qiáng)度試驗(yàn)合格。

表1 某大型塔器的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 儀器選擇和參數(shù)設(shè)置

選用2臺(tái)某公司32通道的聲發(fā)射檢測(cè)設(shè)備。聲發(fā)射檢測(cè)過程中，需要設(shè)置的參數(shù)主要包括信號(hào)閾值和系統(tǒng)定時(shí)參數(shù)。檢測(cè)閾值越低，檢測(cè)到的信息越多，但噪聲信號(hào)也會(huì)更多，使聲發(fā)射源信號(hào)受到噪聲的干擾。聲發(fā)射探頭的靈敏度約90 dB，檢測(cè)閾值在噪聲干擾和探頭靈敏度之間進(jìn)行選擇，塔設(shè)備氣壓強(qiáng)度試驗(yàn)聲發(fā)射檢測(cè)閾值設(shè)置為40 dB。另一個(gè)主要參數(shù)為系統(tǒng)定時(shí)參數(shù)，其主要有峰值定義時(shí)間和撞擊定義時(shí)間[2]，該塔氣壓強(qiáng)度試驗(yàn)，設(shè)置峰值及撞擊定義時(shí)間間隔為 2 000 μs，檢測(cè)頻率設(shè)置為100～400 kHz,背景噪聲設(shè)置為40 dB,系統(tǒng)增益為80 dB,持續(xù)鑒別的時(shí)間范圍為50 μs～65 ms[3]。

3.2 降噪處理

塔器氣壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程中，噪聲主要來自環(huán)境噪聲、加載用的空氣壓縮機(jī)及塔器本體因素等。為降低環(huán)境噪聲等信號(hào)對(duì)檢測(cè)過程的影響，采取以下降噪措施：(1)在塔器氣壓強(qiáng)度試驗(yàn)的車間內(nèi)，關(guān)閉無關(guān)設(shè)備、停止無關(guān)作業(yè)，確保環(huán)境噪聲影響最小。(2)空氣壓縮機(jī)的降噪措施主要是減少空氣壓縮機(jī)出氣管路的噪聲[4]。在第二次保壓階段，完全關(guān)閉空氣壓縮機(jī)，降低空氣壓縮機(jī)的噪聲影響。(3)檢測(cè)前對(duì)放置傳感器的塔體表面進(jìn)行打磨，露出金屬光澤，去除油污后使用黃油作耦合劑，采用磁性?shī)A持器將傳感器固定在塔設(shè)備表面，減少檢測(cè)界面的聲阻抗。(4)撤離與塔設(shè)備接觸的如腳手架等臨時(shí)設(shè)施及材料，適當(dāng)固定傳感器的信號(hào)電纜。

3.3 聲發(fā)射檢測(cè)傳感器的選擇和布置

傳感器是聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)中影響系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵元件。考慮到該類材料焊縫中焊接裂紋開裂產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)頻率為90～300 kHz[5]，為避免機(jī)械噪聲，氣壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程中選用公稱頻率為180 kHz的諧振式高頻傳感器GT200來測(cè)量聲發(fā)射信號(hào)。

波幅值衰減是確定傳感器間距的關(guān)鍵因素。從檢測(cè)精度和經(jīng)濟(jì)性考慮，傳感器陣列的布置方案如下：(1)將塔器的曲面看成平面，相鄰傳感器陣列采用等腰三角形布置。(2)在塔器切線長(zhǎng)度范圍內(nèi)均勻布置13層，相鄰兩層軸向布置的傳感器的等腰三角形腰高為7 250 mm，傳感器的間距約為8 000 mm。(3)每一層4支傳感器均布在周向圓周上，相鄰兩個(gè)圓周面上傳感器周向間距 6 600 mm，兩臺(tái)聲發(fā)射檢測(cè)儀分別接入29個(gè)探頭信號(hào)，兩組傳感器在中間第7層圓周周向布置時(shí)重疊。(4)考慮大的接管等障礙物造成的聲波幅度衰減下降，塔設(shè)備上下大接管位置旁同時(shí)各布置一個(gè)傳感器，共計(jì)使用58支傳感器。

傳感器布置示意見圖1和圖2。

圖1 聲發(fā)射傳感器的立體布置

圖2 聲發(fā)射傳感器平面展開布置

3.4 聲發(fā)射檢測(cè)氣壓試驗(yàn)的加壓程序

為了區(qū)分缺陷的聲發(fā)射源和其他一次性出現(xiàn)的干擾源聲發(fā)射信號(hào)，基于聲發(fā)射的不可逆現(xiàn)象，該氣壓強(qiáng)度試驗(yàn)分兩階段加載保壓。按照丙烷丙烯分離塔氣壓強(qiáng)度試驗(yàn)的壓力制定升壓程序，升壓速度為0.025 MPa/min,第一次保壓為30 min，第二次加壓循環(huán)的最高壓力為第一次保壓壓力的95%。具體升壓程序見圖3。

圖3 氣壓強(qiáng)度試驗(yàn)的升壓程序

3.5 聲發(fā)射檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

檢測(cè)過程中，采集升壓、保壓全過程中的聲發(fā)射信號(hào)并進(jìn)行對(duì)比分析。采集到在第一階段升壓過程中大量的聲發(fā)射信號(hào)，通過前后兩次升壓保壓過程中的信號(hào)對(duì)比及凱塞效應(yīng)判斷，初步認(rèn)為上述信號(hào)來自設(shè)備的結(jié)構(gòu)摩擦和加載期間殘余應(yīng)力的釋放，如空氣壓縮機(jī)工作噪聲的聲發(fā)射信號(hào)、接管結(jié)構(gòu)突變的聲發(fā)射信號(hào)、接管密封面結(jié)構(gòu)摩擦的聲發(fā)射信號(hào)以及設(shè)備或焊縫殘余應(yīng)力釋放的聲發(fā)射信號(hào)等噪聲干擾信號(hào)。

通過人工分析和識(shí)別，同時(shí)借助檢測(cè)儀器自身軟件數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)對(duì)比及濾波處理功能將相關(guān)噪聲及無效信號(hào)剔除。結(jié)果顯示該塔在氣壓強(qiáng)度試驗(yàn)中未檢測(cè)到由焊接缺陷等造成的有潛在意義的聲發(fā)射定位源信號(hào)。

3.6 聲發(fā)射檢測(cè)缺陷的定位

對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行定位是聲發(fā)射檢測(cè)最重要的目的，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象、聲發(fā)射信號(hào)特點(diǎn)、定位要求等，定位方法各不相同。考慮到該塔器厚度與直徑的比值為0.005 12，該試驗(yàn)采用最常用的平面三角形陣列分布，相鄰的三角組合的三維區(qū)域假定為二維平面，即基于時(shí)差定位原理采用任意三角形平面定位法來定位[6]。通過檢測(cè)儀器判斷定位源位置，確定缺陷定位源的位置與兩條雙曲線方程的交點(diǎn)后，進(jìn)而計(jì)算出缺陷定位源的位置較其中一個(gè)傳感器所在位置的基準(zhǔn)線角度和距離，最終確定聲發(fā)射源的位置[7]。該塔在整個(gè)制造階段，嚴(yán)格控制各項(xiàng)質(zhì)量，設(shè)備在氣壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程中未檢測(cè)到聲發(fā)射的活性缺陷定位源信號(hào)。但對(duì)于新建的大型塔器而言，提出采用任意三角形的定位法判定缺陷位置的實(shí)踐依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1)該塔器聲發(fā)射檢測(cè)數(shù)據(jù)表明塔本體不存在危及使用性的相關(guān)活性缺陷，判定該塔氣壓強(qiáng)度試驗(yàn)合格。

(2)基于時(shí)差定位原理，采用任意三角形平面定位法進(jìn)行新建大型塔器聲發(fā)射檢測(cè)過程的傳感器布置，可不考慮傳感器與焊縫的距離和關(guān)系。

(3)大型塔器的薄壁結(jié)構(gòu)具有厚度與直徑的比值小等結(jié)構(gòu)特性，其產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的幅度和能量隨傳感器距離的增大呈單調(diào)下降特性，采用基于時(shí)差定位原理的任意三角形二維平面定位法是科學(xué)且可靠的。從操作性及經(jīng)濟(jì)效益考慮，聲發(fā)射檢測(cè)傳感器陣列間距在6 600～8 000 mm的平面三角組合布置是合理且經(jīng)濟(jì)的。