声发射技术在压力容器检测中的应用

李梦磊 陈立新 李铁树

摘要：声发射又称应力波发射,当材料或零部件受外力作用发生变形、断裂或内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段,都会以瞬态弹性波形式释放出应变能,这种现象称为声发射(AE)。在外部条件作用下,材料或零部件的缺陷或潜在缺陷改变状态而自动发出瞬态弹性波的现象亦称为声发射。由于这种声发射弹性波能反映出材料的一些性质,故采用检测声发射信号的方法,可以判断材料或设备的某种状态。运用仪器检测、记录、分析声发射信号,并利用声发射信号诊断发射源状态的技术称为声发射检测技术。主要介绍声发射技术在锅炉压力容器检测中的原理及其应用。

关键词：声发射技术压力容器无损检测检验特点应用

中图分类号：O434文献标识码： A

一、前言

储罐作为一种特殊设备，极易产生安全事故，其后果不堪设想。因此，加强储罐管理，归根结底为安全性与经济性两大部分。以我国当前在役储罐的数量和检测能力、维修能力来看，再考虑到特殊的生产作业环境，在检修期间完成所有的储罐检查工作，存在一定难度。因此，应明确区分储罐检查的重点，科学判断重大危险源，提高决策科学性、精准性，确保生产活动的安全、有效开展。

但是以我国一些大型化工企业的发展现状来看，化工装置长期运行，甚至带病作业，企图通过延长检修周期的方式获得经济效益，忽略由设备老化、长期负载运行而产生的安全隐患。因此，如何采取既经济又安全的在线检测技术，开展有效的安全评价，已成为当前值得深思的话题。当前，声发射技术已经在国际范围内广泛应用，可在金属常压储罐不停产的情况下完成检测工作，根据储罐的原特性，对检测结果进行分析，确定声发射源的特征和储罐的缺陷，进一步推动检测技术与检测设备的发展，为优化储罐开罐检验周期、提高风险评估效率奠定基础，具有一定现实意义。

二、声发射技术的特征与优势

采用声发射技术，主要通过在材料表面的耦合压电陶瓷探头，对材料中由声发射源而产生的弹性波转换成电信号，利用电子设备放大并处理信号，记录相关内容，进而获得材料中声发射源的参数，通过细致检验与分析，则可获知检测材料内部的缺陷状况。如果采取多通道方式，还可以确定产生缺陷的精确位置。

1.应用特征

声发射技术主要根据压力容器内部结构产生的压力波情况，判断内部缺陷情况或具体位置，是一种全新无损的动态检测方法。声发射技术可以应用于材料或者构件的内部结构中，检测存在的各种缺陷，当期已经在汽车、铁路、航天航空、石油化工、电力等诸多领域广泛应用。与常规检测技术相比，声发射技术主要具备以下特征：其一，加强对动态缺陷的检测灵敏度，在缺陷萌生阶段或者不断扩展过程中，均可发现；其二，声发射波主要通过缺陷自身来传递，因此可以获得更多有关缺陷的参数信息，提高检测灵敏度与精准性。

2. 声发射检测技术

一般常规的无损检测方法,都只能检测“静态”缺陷,而发展中的缺陷才是锅炉压力容器中最危险的隐患。声发射检测是基于金属材料在应力作用下发生塑性变形和缺陷扩展时会发出声信号的物理现象为原理,采用多通道换能器并利用现代的电子处理技术进行信号采集和分析,从而得到部件在加载时缺陷的动态信息。用声发射对承载设备的监听,对结构材料中的“动态”缺陷进行检测和定位,以评定结构的完整性。声发射检测不必像其他常规探伤方法“必须充分接近缺陷位置”和“逐一扫描”才能进行检验,而是靠有限的几个“固定不动的”传感器就有可能对整个设备的完整性做出评定。

事实上,大多数压力容器事故是由焊接缺陷引起的。因此,有效地进行焊接缺陷的检验和缺陷评定在相当程度上也就是有效地进行了压力容器的检验。常规压力容器检测方法是焊缝的全面常规无损检测如超声波探伤、X射线、γ射线、磁粉探伤和着色探伤等。一般情况要对压力容器的所有焊缝进行不少于20%比例的X射线焊缝内部探伤,有时甚至要进行100%焊缝常规无损探伤(超声波或射线探伤),必要时还要对焊缝缺陷部位进行断裂力学评定,工作量大、检测时间长、劳动强度大。而声发射技术检测时由多通道换能器接收受压部件受载时材料内部缺陷因屈服、开裂、裂纹扩展等强烈变形现象所发出的声波信号(应力波或能量波),从而对这些信号进行采集、处理、分析,以得到产生声发射信号缺陷的情况参数,如应力波幅度大小、次数或个数的多少、应力波缺陷源的部位、出现应力波的载荷等,从而达到缺陷评定的目的。

三、声发射技术在压力容器中的实施

以某公司的液化石油气球罐为例，其设计压力为1.7Mpa，温度约50℃，在常温状态下完成操作，最高操作压力1.6Mpa，该罐于2001年5月投入使用，2011年9月进行第4次全面检验，通过表面磁粉检测，发现共有5处裂纹问题，经过打磨处理后全部消除，应用声发射技术再次复探，为合格状态。以下将对具体检验过程进行分析：

1.检验仪器的应用

在该检测过程中，主要应用智能声发射仪器，以全波形采集技术为主，具备数据存储、波形显示等功能，通过在储罐的表面进行定位，再加上信号处理技术的支持作用，可以科学、可靠地确定缺陷位置，完成定位和定量过程。

2.布置传感器

结合该球罐的实际容积状况，精准确定传感器的数量，也就是声发射仪的通道数量设置。有关传感器的位置，可以随意摆放，在仪器中输入球罐体积、焊缝结构等参数之后，则可利用软件完成计算过程，并制定传感器的布置图。一般情况下，可以将传感器尽量靠近焊缝，为了明确缺陷所处位置，可以呈三角形布置。

3.加载与测试

在对球罐进行定期检验过程中，采用声发射技术，涉及到加载过程。一般检验球罐时，需要进行水压试验，因此可以利用水压的荷载力，结合球罐设计的压力，确定水压试验值。在加压及保压过程中，可完成声发射信号的采集工作。

4. 声发射检测技术的应用

声发射检测通常与压力容器水压试验过程中同步进行,以确定活动发展性焊接缺陷可能存在的区域。第一步检测所需的时间大约是水压试验所需时间,检测结果数据保存在计算机的磁盘和有关图表上,并在容器壳体上可推算出声发射源的位置。由于声发射检测是计算机控制缺陷自动数据采集,数据可靠性高,人为因素干扰小,数据可长期保存,结果显示简单明了,对查出的声发射源定位性能极佳。应用声发射技术进行缺陷检测与评定的第二步是对已查出的声发射源进行常规无损检测复验。根据定位结果通过复验来确认哪些声发射源是与焊接缺陷有关的,哪些是噪声干扰源和其它原因产生的源。第二步工作量一般较小,例如某50m3储罐仅需对11个声发射源共约3m长的焊缝进行常规无损复验。应用声发射技术进行焊接缺陷检验与评定的第三步是在第一步声发射检测结果和第二步常规无损检测复验结果的基础上进行缺陷评定。第三步的具体内容就是根据声发射压力容器检测数据和有关标准以及常规无损检测数据、有关标准和压力容器事故失效分析的数据对声发射源焊接缺陷进行评定。

四、结语

由上可见，随着我国化工生产模式由单纯炼油型转变为石油化工型，再加上高压加氢等配置的投入使用，涉及到越来越多的复杂压力容器，而正是由于各种压力容器的运行条件、环境较为苛刻，因此对检验技术、检验水平、检验结果提出更高要求。为了满足压力容器发展的需要，推行声发射技术具有重要的现实意义。

参考文献

[1]同长虹.声发射诊断在压力容器在线检测中的应用[J].石油化工设备，2005（2）.

[2]侯素霞，罗积军，徐军，马进.基于声发射技术的压力容器应力腐蚀检测研究[J].腐蚀科学与防护技术，2006（3）.

[3]崔丽娜.声发射技术在储罐检测中的应用[J].压力容器，2008（6）.

[4]杨瑞峰，马铁华.声发射技术研究及应用进展[J].中北大学学报，2006（5）.

[5]方学锋，梁华，夏志敏，朱玉明.基于声发射技术的阀门泄漏在线检测方法[J].化工机械，2007（1）.

[6]王亚东，徐彦廷，刘富君，管新文.声发射技术在增压系统检验中的应用[J].中国第十一届声发射学术研讨会，2006.