聲發射技術在大型壓力容器檢驗中的應用

徐海亮，馬斌，程康

淄博市特種設備檢驗研究院，山東淄博，255000

0 引言

大型壓力容器在現代工業生產中應用廣泛，當大型壓力容易出現介質泄漏問題時，會給生產人員造成較大傷害，污染周圍的生態環境。對此在大型壓力容器初期應用階段，就必須注重容器的質量檢驗。聲發射技術是較為常用的一種檢驗技術，其能通過接收聲發射信號完成大型壓力容器材料和構件的動態化檢驗，整體檢驗效率高、檢驗結構準確，通過檢驗，生產人員能準確掌握大型壓力容器表面缺陷的類型、位置，然后結合實際情況對大型壓力容器進行修補或更換處理，這保證了大型壓力容器應用的安全性，滿足了現代工業安全生產需要。

1 大型壓力容器的危險性

作為現代工業生產中較為常用的一種承壓設備，大型壓力容器不僅在化肥、煉油、化工中有廣泛應用，而且在農藥、醫藥、有機合成等領域的應用也逐漸增多。通常大型壓力容器被用來存儲氣體、液體等物質，這些物質多有易燃易爆的特點，而且腐蝕性特征較為突出，間接性地增加了大型壓力容器應用的危險性。

一方面，大型壓力容器在使用中本身承受著較大的壓力，當容器壓力標準值控制不當時，容易引起容器爆炸等危險。另一方面，大型壓力容器的危險主要來源于容器內部的介質，當大型壓力容器出現介質泄漏或爆炸問題時，這些易燃易爆、有毒害腐蝕作用的物質會給生產人員身體健康和生命安全造成較大影響，尤其當大型壓力容器爆炸時，容器內的物質會釋放較大的內能，這容易引起較大的沖擊波，對于生產現場的人員和設備具有較大傷害。另外，大型壓力容器介質泄漏或爆炸問題會產生一系列的惡性連鎖反應，引發較大的安全事故；故而在實際生產中，應積極開展大型壓力容器的檢驗工作，創造良好的工業生產環境[1]。

2 聲發射技術原理及在大型壓力容器檢驗中的步驟優勢

2.1 檢驗原理

在容器檢驗實踐中，聲發射技術能通過聲發射源發射彈性波，彈性波到達大型壓力容器材料表面是存在一定的波形位移現象，此時通過檢驗傳感器捕捉這些信號，并將信號轉化為電信號和數字符號，即可實現大型壓力容器損傷狀況的系統檢驗。從聲發射技術檢驗過程來看，其通過內力和外荷載作用，使得材料中的能力得到快速釋放，由此產生一定的瞬態彈性波現象，通過傳感器捕捉瞬態彈性波現象，并對這些信號進行放大、處理、分析和記錄，即可實現大型壓力容器缺陷類型、位置的準確判斷[2]。

2.2 檢驗步驟

現代工業生產中對于大型壓力容器的使用要求不斷提升，聲發射技術在大型壓力容器檢驗中得到了廣泛應用，且檢驗技術的具體應用步驟已經逐步規范。現階段，大型壓力容器聲發射檢驗步驟包括：首先在檢驗初期階段，工作人員需要做好大型壓力容器停產倒空準備，這樣能在不開罐的情況下，完成耐壓力檢驗和聲發射檢驗，分析聲發射檢驗結果可實現活性聲發射源部件的有效確定。其次應利用其他技術進行大型壓力容器的復查，常用的復查技術包括滲透、射線以及超聲波等方式，在復查操作中，應重點做好聲發射源部件的復查，這樣能在排除干擾聲的情況下，實現大型壓力容器活動缺陷的準確把控。完成大型壓力容器發射源部件復查后，需采用磁粉檢驗的方式對容器焊接處的內部面進行檢查，這樣才能在保證大型壓力容器檢驗全面性的基礎上，排除聲發射檢驗階段不活動的表現裂紋。同時完成上述操作后，還應在超聲波技術的支持下，確定大型壓力容器的壁厚是否達到標準，評定聲發射技術檢驗中發現的超標缺陷，有效地發現超標的非活動性缺陷并及時對其進行處理。最需要對聲發射檢驗結構和其他檢驗結構進行統計對比，形成完整的檢驗報告，評定出受檢大型壓力容器的安全等級。

2.3 檢驗優勢

借助聲發射技術開展無損檢驗已經成為新時期大型壓力容器檢驗的內在要求[3]。對比傳統的減壓方式，聲發射檢驗技術的應用具有無可比擬的優勢。一方面，在過去開展大型壓力容器檢驗時，生產單位往往需要停工停產來避免對檢測方法應用造成影響，保證檢驗效率和安全性。使用聲發射技術開展大型壓力容器檢驗時，整個檢驗過程不需要停止生產，且檢驗結果受容器內介質的影響較小，具有較高的效率性和安全性。另一方面，活性缺陷檢驗是大型壓力容器檢驗的難點所在，這是因為傳統的檢驗方式容易對容器本身造成影響；但是使用聲發射檢驗技術能有效消除這一缺陷。即在大型壓力容器檢驗中，通過一次布置好探頭和加載操作，能完成大型壓力容器活性缺陷的系統檢測，這對于大型壓力容器的安全使用和管理具有積極作用，有助于提升工業生產的整體效益。此外工業生產工況差異性較大，這使得大型壓力容器的應用也有較大的區別，即在工業生產中廣泛存在一些結構復雜的大型壓力容器。此時通過聲發射檢驗技術開展大型壓力容器檢驗，能有效滿足異形結構大型壓力容器的檢驗需要，這對于容器缺陷位置定位、活性和強度確定具有積極作用，有效地提升了大型壓力容器檢驗的整體水平，滿足了工業生產的實際需要。

3 大型壓力容器檢驗中聲發射源產生的原因

3.1 塑性變形

外力作用會使得大型容器的材料產生一定的應力變形問題，并且這種變形會隨著應力的增大而變大。在不超過材料彈性極限的情況下，通過控制、消除對大型壓力容器施加的應力，則大型壓力容器會逐步恢復到原來的狀態。要注意的是，在大型壓力容器彈性變形過程中，若施加的壓力值較大，且已經明顯超過了材料的彈性極限，則即便消除了材料的外力作用，發生塑性變形的大型壓力容器也很難恢復到最初的狀態。研究表明，大型壓力容器材料的塑性變形是聲發射源產生的重要原因，具體表現為：大型壓力容器在變形過程中，材料變形的屈服點附近會出現聲發射源的密集計數，此時通過聲發射技術，可實現這些聲發射源的有效檢測，進而準確掌握大型壓力容器的受力情況和變形情況，確定大型壓力容器的缺陷部位，為后期大型壓力容器的檢修提供指導。

3.2 大型壓力容器裂紋

工業生產過程中，大型壓力容器的應用環境較為復雜，這樣在長時間的使用過程中，大型壓力容器會產生一定的裂紋，這些容器裂紋的產生與多種因素有關，常見影響因素不僅包含應力集中、受熱不均勻，而且涉及腐蝕、溫度、應力作用，此外一些大型壓力容器初期焊接不規范，這使得容器在后期施工中容易出現一定的焊縫裂紋和疲勞裂紋，降低了大型壓力容器的整體應用效果。大型容器產生裂紋后，這些裂紋隨著時間的延續會逐漸拓展，在此過程容器會產生一定的聲發射信號。大型壓力容器的裂紋拓展本質上是一種應力釋放，在聲發射檢驗技術的支撐下，可精準獲取大型壓力容器裂紋擴展中所釋放聲信號[4]。一般大型壓力容器裂紋的擴展需要經歷一個由慢到快的過程，即裂紋較小時，其擴展的速度較慢，這使得聲發射技術檢測到的信號較弱；但是隨著裂紋的增加，其擴展速度、聲音信號強度均會有所增大。裂紋拓展超過材料界限時，大型壓力容器會發生斷裂問題。基于這一特征，在大型壓力容器使用過程中，應通過聲發射技術準確檢測大型壓力容器斷裂問題，確定大型壓力容器裂紋的位置和擴展趨勢，這樣能為大型壓力容器的安全使用創造良好條件，提升大型壓力容器的綜合應用效果。

3.3 纖維增強復合材料發生斷裂

現代工業體系下，工業生產的環境愈發負載，人們對于大型壓力容器生產應用的控制也更加嚴格。在大型壓力容器生產中，為保證大型壓力容器的整體應用效果，越來越多大型壓力容器中使用了一定的纖維增強復合材料。將這些材料與基體材料混合在一起，并對混合料進行纏繞、模壓、拉伸等技術處理，能形成全新的復合材料。將這種復合材料應用到大型壓力容器生產中，能有效提升大型壓力容器材料性能，提升大型壓力容器的應用效果。但是不可否認的是，纖維增強復合材料在實際應用中還容易因受力拉伸而損壞，基體開裂、纖維斷裂是纖維增強復合材料破壞的兩種基本形式，除此之外，在大型壓力容器應用中，機體和纖維還會出現脫膠現象，這些變化過程均存在一定的聲發射源。在大型壓力容器檢驗中，借助聲發射技術檢驗這些聲發射源信號，能有效地發現大型壓力容器的缺陷部位，這對于大型壓力容器后期檢修具有積極作用。

4 大型壓力容器檢驗中聲發射技術的應用要點

4.1 科學選擇檢驗儀器

大型壓力容器檢驗需要先進的儀器設備作為支撐，在大型壓力容器檢驗初期階段，科學合理地落實檢驗儀器選擇工作，能從源頭上為聲發射檢驗技術的應用創造良好條件。新時期，針對大型壓力容器檢驗儀器設備的選擇應用應考慮以下內容：一方面，掌握大型壓力容器應用特征是聲發射檢驗設備選擇應用的基礎，對此在檢驗設備選擇中，應系統考慮大型壓力設備的結構特征和應用環境特征，然后結合實際情況選擇具有較高適用性、精準性和智能化特征的聲發射檢驗儀器設備，滿足聲發射檢驗中數據分析和波形展現的實際需要。另一方面，開展聲發射檢驗必須準確獲取聲發射源能量釋放中所產生的波形，故而在聲發射檢驗儀器選擇中，應盡可能地選擇擁有先進波形采集能力的設備，并且該設備應能完成采集信號的系統分析和處理，并且通過信號分析結果，應能準確定位大型壓力容器缺陷的位置，為后期的容器檢修提供參考。另外完成聲發射檢驗儀器設備選擇后，還應結合工程的需要，對檢測儀器設備進行參數出優化，這樣通過儀器參數條件的控制，能有效發揮設備定位、定量檢驗的優勢，確保聲發射檢驗的精準性。

4.2 規范布置聲發射檢驗傳感器

利用聲發射技術開展大型壓力容器檢驗時，工作人員會在大型壓力容器的周圍布置一定的聲信號檢測傳感器，這些傳感器能獲取大型壓力容器表面形變信號，對這些信號進行轉化和分析處理，能為大型壓力容器故障類型、位置的確定提供參數支撐。基于這一規律特征，科學布置聲發射信號捕捉傳感器已經成為大型壓力容器聲發射檢驗的內在要求。在聲發射檢驗傳感器布置階段，首先工作人員需要對大型壓力容器的形狀、容器進行準確分析，結合實際情況科學設計傳感器的布置位置、布置數量，同時應考慮聲發射儀通道數量的控制，這樣能較為快速、準確地獲取聲發射檢測中的大型壓力容器表面形變信號。其次工作人員可按照隨意擺放的原則完成傳感器位置的初步設計，隨后還應在相關軟件的支撐下，結合大型壓力容器的體積、焊縫結構等參數，對大型壓力容器檢驗傳感器的位置數據進行優化，形成較為完整、合理的傳感器布置圖。最后在傳感器布置中，應結合生產實際，盡可能地將其布置中在常見的缺陷周圍。如大型壓力傳感器應用中，其焊縫部位容易出現泄漏等缺陷，影響了傳感器的應用效果，對此利用聲發射技術開展大型壓力容器檢測工作時，就應盡可能地按照三角型布置的方式，將傳感器設置在靠近焊縫的位置，實現容器缺陷的準確判斷[5]。

4.3 實施標準化的加載測試

加載測試是聲發射檢驗中極為重要的一個環節，其能在不影響工況的情況下更加貼合實際地完成大型壓力容器的檢驗，提升大型壓力容器的適用性。在大型壓力容器加載實驗中，一方面，應嚴格按照逐步加載的要求完成加載實驗操作，另一方面，在加載實驗操作中，還需要重視水壓荷載與容器承載能力的控制。譬如在球形大型壓力容器聲發射檢驗中，先需要進行水壓實驗，這樣在掌握水壓荷載的情況下，結合球形大型壓力容器的設計壓力，可知曉水壓的實驗值。隨后在后續的加壓和保壓過程中，測試人員可較為準確地發射信號。

4.4 容器缺陷定位、定量確定

大型壓力容器聲發射檢驗中，檢驗設備本身具有智能性的特點，其能通過多個傳感器的應用，快速地完成聲發射源信號的捕獲，隨后在系統軟件的支撐下，完成檢驗數據的傳輸、分析和結果顯示。為進一步提升大型壓力容器聲發射檢驗的效率和精度，在實際檢驗中還應開展容器缺陷的定位、定量控制。一方面，利用聲發射技術進行大型壓力容器檢驗時，應系統分析傳感器收集的電信號數據，達到確定大型壓力容器的缺陷位置的目的。另一方面，在傳感器收集電信號分析處理中，應注重相關數據的轉換，這樣不僅能了解大型壓力容器的缺陷類型，而且能了解具體缺陷的危害程度，掌握這些缺陷形成的原因。此外，聲發射檢驗中，一旦確定大型壓力容器缺陷位置、類型、危害程度和形成原因，還應科學設計缺陷處理方案，系統消除這些大型壓力容器的缺陷，提升大型壓力容器的應用效果。

5 大型壓力容器檢驗中聲發射技術的應用實例

某企業生產中需要消耗大量的氣態原料，在現有生產技術下，該企業通過大型壓力容器存放這些氣態介質。但是在長期使用中，受作業環境負載、材料老化、壓力作用等因素的影響，本企業所使用的大型壓力容器存在介質泄漏問題，這嚴重地影響了本企業生產的安全性，并且給生產人員人身安全和周圍的環境造成較大影響。對此本企業在不影響生產的情況下，采用了聲發射技術開展大型壓力容器檢驗工作，并對檢驗中所發現的問題進行處理，確保了企業生產的安全性。

本企業大型壓力容器檢驗中，針對聲發射技術的應用注重以下要點控制：其一，在檢測初期進行大型壓力容器外觀檢查，發現本企業部分大型壓力容器中存在微觀裂縫拓展問題，并結合裂紋發生的位置和幾何形狀，把裂紋分為深埋裂紋、表面裂紋和穿透裂紋三類。其二，初步分析這些微觀裂紋產生原因，經分析，除外部載荷、環境和內部介質外，長期服役、腐蝕疲勞損傷也有可能是造成本企業大型壓力容器損傷的重要原因。其三，企業利用聲發射技術開展裂縫的精準檢驗，該環節中，工作人員按照檢驗儀器選擇、傳感器布置、加載測試、定位與定量確定的順序繼續檢驗，重點在大型壓力容器焊縫附近布置傳感器，然后利用計算機系統進行收集信號的轉化處理和分析，確定本企業多數容器處于亞臨界裂紋擴展階段。其四，本企業對處于亞臨界裂紋擴展階段的裂紋進行修復，同時更換裂紋處于快速擴展的容器，有效保證了生產的安全性。

6 結語

科學使用聲發射檢驗技術，能較為快速、準確地發現大型壓力容器應用的缺陷類型、缺陷部位，按照工業生產需要合理解決這些缺陷，能有效保證大型壓力容器應用的安全性。現代工業生產模式下，人們只有深刻認識到大型壓力容器應用的危險性，掌握聲發射檢驗技術的應用原理、流程和優勢，并在深層次分析聲發射源產生原因的基礎上，結合工業設計深化聲發射檢驗技術的系統使用，這樣才能提升聲發射技術的應用水平，保證大型壓力容器應用效果，進而滿足工業生產需要，推動現代工業產業持續、穩定發展。