脈沖渦流與聲發射在壓力容器檢測中的應用

剡 亮，李明娥

（酒泉市特種設備檢驗所，甘肅酒泉 735000）

0 引言

壓力容器廣泛應用于石油化工等行業，隨著科技的發展，壓力容器運行工況比以前更加復雜嚴苛，更容易出現化學腐蝕、環境開裂、材質劣化等損傷模式而導致失效，造成介質泄漏甚至爆炸，危及生命財產安全，造成巨大經濟損失。常規壓力容器全面檢驗要清空原料、開罐、清洗、置換、去保溫和打磨等，程序復雜，而且要求停機，耗時長、任務量大，且保溫層造價高，影響企業經濟效益。在不打磨、不開罐情況下安全、高效、快捷、低成本進行檢測，并評估容器安全狀況逐漸成為趨勢。目前比較流行的檢測方法主要包括熱成像技術、脈沖渦流技術和聲發射等技術，本文主要探討脈沖渦流與聲發射檢測在壓力容器檢測中的優勢和應用，在不拆保溫、不開罐情況下提高檢測效率，分別在線檢測壓力容器壁厚變化、腐蝕及活動性缺陷等情況，從而評估其安全可靠性能，最大限度避免發生安全事故。

1 脈沖渦流檢測

脈沖渦流檢測（PEC），是一種通過脈沖電流通入激勵線圈，激發產生脈沖瞬變磁場，通過電磁感應使該磁場中的試件產生感生瞬時脈沖渦流，瞬時脈沖渦流通過感應產生再生瞬時磁場，最后再生瞬時磁場在檢測線圈上感應出隨時間變化的瞬時感應電壓信號，通過此方法能夠方便快捷地檢測金屬試件中的缺陷，進而實現檢測目的的無損檢測技術。脈沖渦流檢測無須停機、無須打磨防腐層、無須拆除包覆層、低成本、環保、安全可靠，使得該技術在帶包覆層壓力容器因腐蝕或侵蝕引起的壁厚減薄檢測方面具有安全可靠的優勢，在未來壓力容器、壓力管道和鍋爐等承壓設備無損檢測方面具有十分廣闊的發展前景。脈沖渦流檢測系統原理如圖1 所示。

圖1 脈沖渦流檢測系統原理

脈沖渦流無損檢測系統主要由信號發生器、功率放大器、激勵線圈、數據采集卡和PC 機組成。與常規渦流檢測技術相比，脈沖禍流檢測具有諸多優點：①脈沖渦流信號激勵及響應頻率范圍廣，穿透深度大，信息量豐富，方便缺陷識別和安全評估；②實現對感應磁場進行時域的瞬態分析；③由于材料結構變化產生的噪聲信號，可在測量結束后進行處理和補償；④成本低，但檢測結果精確度高；⑤脈沖渦流采用脈沖信號激勵，傳感器靈敏度高，設備滲透深度足夠深；⑥檢測方法簡單、速度快、效率高、安全可靠。隨著對脈沖渦流理論的深入研究及計算機科學信號處理技術的快速發展，脈沖渦流檢測的精準性和實用性大大提高，相比于超聲檢測，脈沖渦流檢測對于材料表面或近表面缺陷有著較高的檢出率，而且在材料腐蝕和壁厚測量方面也具有十分重要的意義。

2 聲發射檢測

金屬材料斷裂會釋放儲存能量，產生彈性波。聲發射檢測（AE），是聲發射源發射的彈性波到達材料表面，引起可用聲發射傳感器探測的表面位移，探測器將材料的機械振動轉換為電信號，然后再被放大、處理和記錄。在材料加工、處理和使用過程中的位錯運動、裂紋萌生與擴展、斷裂、熱脹冷縮、承受載荷變化等都可能會引起內應力的變化，產生聲發射信號，對感應到的聲發射信號進行綜合分析，推斷出材料產生聲發射信號的原因，進而達到檢測目的。聲發射檢測系統原理如圖2 所示。

圖2 聲發射檢測系統原理

聲發射檢測系統主要由聲發射源、傳感器、數字模塊（信號放大器）、信號采集與處理系統和記錄與顯示系統等部分組成。與其他無損檢測手段相比，聲發射檢測具備：①可以隨時進行在線檢測，實現實時動態監控檢測和結果評定；②對擴展性缺陷具有很高靈敏度；③可對大型成套設備進行整體性檢測；④幾乎不受材料性能、組織及缺陷所處位置和方向的影響；⑤方法簡單，費用低，可以與其他試驗同步進行。實際檢測中，聲發射檢測常用來確定聲發射源位置，根據各個聲源的信號強度，分析判斷聲源的活動性，實時評價待檢設備的安全性。對于檢測過程中的超標聲源，要用其它無損檢測方法進行復檢，以確定缺陷的性質、位置和大小。

3 脈沖渦流與聲發射檢測在壓力容器全面檢驗中的應用

3.1 脈沖渦流檢測在壓力容器全面檢驗中的應用

脈沖渦流檢測，是近年來在傳統渦流檢測基礎上新興起的電磁無損檢測技術，具有成本低廉、安全可靠、綜合效率高、易于實現自動化特點，能檢測出壓力容器中通孔和表面裂紋等缺陷，通常采用穿過式線圈來檢測通孔，扁平放置式線圈檢測表面裂紋。壓力容器大多使用鐵磁性材料，在不同的磁場強度作用下會產生磁導率差異，必要時設置磁飽和裝置，對檢測區域施加強磁場，使其磁導率趨于穩定。

脈沖渦流檢測結果反映探測區域的平均壁厚，通常受待檢設備及包覆層材質、厚度和溫度等因素的影響。通過對某企業常減壓車間帶包覆層的待檢壓力容器和管道進行檢測，檢畢后用超聲波測厚儀進行復測，對比分析檢測結果可知，雖然脈沖渦流檢測的結果存在一定誤差（±0.05 mm 以內），且測得最厚區域位置不一致，但壁厚分布基本一致，尤其是壁厚較薄區域位置和超聲檢測結果基本一致，所以脈沖渦流檢測在壓力容器及管道壁厚減薄檢測應用方面具有較高的實用性和可靠性[1]。壓力容器表面裂紋缺陷，通常采用磁粉或滲透檢測，這兩種方法都要求對設備表面進行打磨、去除保溫層和防腐層，費時費力，成本高，且都無法進行在線檢測。

因此對有防腐層的容器，采用電流擾動磁敏探頭的脈沖渦流檢測技術檢測焊縫表面裂紋，此項技術允許焊縫表面較為粗糙或帶有一定厚度的防腐層，可實現壓力容器焊縫外表面裂紋的快速在線檢測，可疑部位進行磁粉或滲透復驗，以確定缺陷的具體位置和大小[2]。

3.2 聲發射檢測在壓力容器全面檢驗中的應用

聲發射檢測技術最早起源于德國，在發達國家已得到廣泛應用，我國在此領域雖然起步較晚，但是經過科技研發人員的不斷努力，也已經取得很大進展。聲發射檢測技術是一種動態無損檢測方法，可以檢測出長度小于0.01 mm 的裂紋擴展，主要應用于研究應力腐蝕斷裂和氫脆，檢測馬氏體相變，評價表面化學熱處理滲層的脆性，以及監測焊后裂紋產生和擴展等[3]。在工業生產過程中，該技術已經廣泛應用于壓力容器、鍋爐、管道等大型承壓設備的水壓試驗，檢測滲透和泄漏，以評定缺陷的危險性等級，也可連續監測高壓承壓設備構件的完整性，作出實時報警。

聲發射檢測對線性缺陷十分靈敏，金屬試件進行拉伸試驗，當應力趨近于材料屈服強度時，聲發射率快速升高，達到峰值后逐漸降低，這通常是材料內部位錯運動造成的。如果被檢設備存在裂紋等缺陷，裂紋尖端處應力集中，致使該部位更早進入塑性變形區域而引發聲發射信號，這為壓力容器檢驗時發現裂紋等危害性缺陷提供基礎[4]。對金屬試件進行反復加載和卸載試驗時，人們發現加一次載荷使材料發出聲發射信號后撤銷載荷，第二次再加載荷不超過第一次應力值時，就沒有聲發射信號產生，這一現象被稱為“凱賽爾效應”，常被用于壓力容器的全面檢驗[5]。

根據“凱賽爾效應”，在用壓力容器運行過程已承受過一定載荷，全面檢驗時再進行壓力試驗，如果試驗壓力不超過運行狀態下的最高工作壓力時，則沒有聲發射信號，此時可能造成缺陷的漏檢。因此在做壓力試驗時，試驗壓力一定要高于正常運行狀態下最高壓力才有可能避免缺陷漏檢。壓力容器在長期運行過程中，受交變載荷作用易產生疲勞裂紋或應力腐蝕裂紋等缺陷，此時如果加載較小的壓力載荷下就可以產生聲發射信號。因此，在壓力容器全面檢驗過程中用聲發射檢測就能發現裂紋擴展信號[5]。

4 結語

隨著檢測技術手段不斷進步，常規無損檢測已經難以更好滿足檢測的需要，所以必須研究開發新的檢測手段來補充，對于帶保溫、防腐層或因生產工藝原因無法停車進行內部檢驗的壓力容器，脈沖渦流與聲發射檢測技術與其他無損檢測相比，在金屬缺陷、應力、熱成像檢測方面具有獨特的優勢[6]，通過脈沖渦流檢測技術，可以檢測壓力容器壁厚變化及腐蝕情況，聲發射檢測技術，可以檢測壓力容器活動性缺陷變化情況，兩種檢測方法相互補充，可以大大提高檢測的全面性和精準性，有助于進一步提高檢驗效率和降低檢驗成本，保證在用壓力容器安全穩定運行。