声发射检测在超高压水晶釜安全评估中的应用

2018-03-22,,,

无损检测 2018年3期

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(四川省特种设备检验研究院, 成都 610061)

超高压水晶釜是生产人造水晶的重要设备，根据生产水晶品种的不同，其使用压力不同，一般为115 MPa～150 MPa，使用温度一般为350～390 ℃，介质为碱溶液及石英砂等。由于其长期在高温高压下运行，一旦发生事故后果非常严重[1]。四川省是超高压水晶釜的使用大省，共有在用超高压水晶釜1 000余台，有的已经服役20 a以上，其安全状况不容乐观。

超高压水晶釜的失效模式主要是碱应力腐蚀和底部变形，当前对超高压水晶釜的检验方法主要是常规检验，检测项目以超声波检测为主，再辅以硬度和金相检测[2-3]。但由于超高压水晶釜在使用过程中，其内壁会附着一层坚硬的水晶膜，在定期检验中不能将其有效清除，所以采用内窥镜等检查方法很难从内表面发现水晶釜的开裂情况。同时，对外壁的超声波检测也很难发现内壁的腐蚀或裂纹缺陷，而采用声发射方法对服役年限比较长的超高压水晶釜进行安全评估是有效发现和检测内壁缺陷的一种手段。

笔者从服役年限较长的超高压水晶釜安全评估的角度出发，通过分析声发射检测技术的特点及其在特种设备安全评估中的应用案例，探讨了该技术在超高压水晶釜安全评估中应用的可行性，并根据超高压水晶釜的特殊结构形式提出了对其进行声发射检测的注意事项。

1 声发射检测概述

材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射(AE)。声发射是一种常见的物理现象，大多数材料变形和断裂时都会有声发射产生。采用专业仪器探测、记录、分析声发射信号，并由其推断声发射源的技术称为声发射技术。

20世纪90年代以来，随着计算机技术的发展，以美国PAC公司、德国Vallen公司为代表的数字化多通道声发射检测分析系统得到大量应用。声发射技术作为一种成熟的无损检测方法，已被广泛应用于许多领域，主要包括以下几个方面。

(1) 特种设备

各种压力容器、压力管道和常压储罐的检测和结构完整性评价，阀门和管道的泄漏检测等。

(2) 电力工业

锅筒、管道和阀门的检测，变压器局部放电的检测。

(3) 民用工程

楼房、桥梁、隧道、大坝的检测，水泥结构裂纹开裂和扩展的连续监测等。

(4) 航天和航空工业

航空器壳体主要构件、发射塔架的检测和结构完整性评价等。

(5) 金属加工

切削工具磨损和断裂的检测，金属加工过程的质量控制，焊接过程监测，振动检测等。

(6) 交通运输业

长管拖车、公路和铁路罐车及船舶的检测和完整性评价，火车车轮和轴承的断裂检测等。

声发射检测是在结构承载过程中进行动态整体检测的一种技术，在许多方面不同于其他常规无损检测方法，其优点主要表现为以下几个方面。

(1) 动态性

声发射是一种动态检验方法，能量来自被测物体本身，对活动的缺陷敏感。

(2) 整体性

在试验过程中，声发射检验能够整体检测和评价整个结构中活性缺陷的状态。

(3) 连续性

可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时连续信息，适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报。

(4) 经济性

对于在用设备的定期检验，声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不需要停产。

(5) 适用性

对构件的几何形状不敏感，可适用于检测形状复杂的构件。

目前，在金属压力容器检验及安全评定中，声发射已是一种重要的无损检测方法。声发射检测利用耦合在压力容器外侧表面上的压电传感器来检测材料开裂或缺陷活动过程中辐射出来的应力波，并对活动性缺陷进行定位，通过对应力波的分析来确定缺陷的性质。

2 我国特种设备声发射检测典型应用分析

随着我国特种设备向大型化、高参数化方向发展，企业有延长检修周期、缩短检验时间、对设备进行全面评估的需求。近年来，声发射检测已在铁路罐车、大型冷库、重整反应器、球罐、多层包扎容器等压力容器的定期检验，锅炉汽包以及起重机械、游乐设施的检测与评价等方面进行了较为广泛的应用，并取得了很好的效果。

2.1 大型冷库压力容器的在线检测

为解决大型冷库压力容器无法停车检验的难题，山东省特检院研究并实施了对大型冷库中的压力容器进行声发射动态在线检验的技术。冷库压力容器属于“无法进入内部检验”的压力容器范围，介质为液氨，有应力腐蚀倾向，腐蚀特性比较明确。检测过程中发现其多处表面裂纹缺陷以及夹渣等内部埋藏缺陷。应用情况说明，只要检测条件适合，仪器参数设置正确，声发射对应力腐蚀裂纹就相当敏感。

图1为某贮氨器的声发射检测结果。检测发现筒节环焊缝附近存在一D级声发射源，超声复验发现Ⅲ区缺陷显示，射线复验确定为垫板点焊处的裂纹。

图1 某贮氨器声发射检测结果

对一套3.5万t大型单体冷库压力容器的在线声发射检测中，发现有较集中的定位声发射源存在。通过对取得的检测结果进行数据分析和处理，对声发射集中部位进行了复验，发现是较严重的内表面裂纹缺陷(见图2)。证明声发射可以可靠地检测出内外表面裂纹。

图2 内表面裂纹产生的声发射源定位结果

2.2 重整反应器的在线检测

某炼油厂的3台重整反应器因催化剂原因无法进行开罐检验。这3台重整反应器内装有催化剂，介质为油气、氢气。根据前期介质腐蚀性调查结果，反应器不在Nelson(纳尔逊)曲线界定的氢腐蚀范围内，根据长期使用经验表明材料没有氢腐蚀倾向。

在检验中，除常规检测外，使用TOFD(超声波衍射时差法)对焊缝进行抽查，用声发射进行整体性能检测。

对3台重整反应器的声发射检测定位结果如图3所示。在检测过程中共发现一处信号集中的声发射源，根据标准GB/T 18182-2012《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》，该声发射源综合等级划分为C级。使用TOFD进行复验，发现3处条状缺陷。因为此缺陷为活性，建议进行处理。处理时发现一处为裂纹，其他两处为夹渣。

图3 3台重整反应器声发射检测定位结果

通过该次检验可以确定，采用声发射检测具有很高的可靠性，可以发现容器内的危险性缺陷，为缺陷处理提供参考。

2.3 球罐的声发射检测

球罐的声发射应用是声发射技术在压力容器定期检验中较早的应用，国内有大量的应用案例。从20世纪90年代开始，在定期检验的水压试验时对球罐进行声发射评价取得了较为广泛的应用。近年来，球罐的声发射应用大都趋向于对含超标缺陷、使用年限较长、历次检验发现缺陷比较多的球罐的安全评定中[4]。同时，在一些无法开罐检验的球罐上也有一些声发射应用。

如山东省特种设备检验研究院于2009年对一台液化石油气球罐进行了在线检验试验。试验中，除常规的检验手段外，使用TOFD对焊缝进行局部抽查(20%)，使用声发射进行整体性能检测。声发射检测过程中使用调整介质操作压力的方式加载。

在检测过程中未发现声发射信号集中点，均为分散信号，初步认为该球罐整体状况良好。

对下半球丁字口焊缝进行抽查，赤道大焊缝进行100%检测。在球罐底部焊缝处发现了一条状缺陷，长度为100 mm，深度为20 mm，该缺陷为非活性缺陷，决定不作处理。

该球罐于试验的次年进行了开罐全面检验，检验结果与试验结果吻合，取得了预期的试验数据和检验经验。

2.4 多层包扎尿素合成塔的声发射检测

由于多层包扎结构的特点，多层包扎尿素合成塔的声发射检测与单层容器有很大不同，如由于层板摩擦等原因，在升压过程中产生的噪声信号较多，内层层板发出的信号不易收集，声发射源不易定位等。因此，多家机构和高校对声发射信号特点、识别以及声发射源的分类和级别评定方法等都进行了研究[5-7]。同时，由于层板贴合度不好等因素的存在，试验压力应足以保证外侧层板达到足够的应力水平，以确保活性缺陷形成有效的声发射定位源。

图4是典型的多层包扎结构尿素合成塔的声发射源定位结果[5]。

图4 典型的多层包扎结构尿素合成塔的声发射源定位结果

2.5 其他特种设备的声发射检测

在电站锅炉应用方面，福建省特种设备检验研究院采用声发射技术对超临界锅炉水压试验过程中的三通管座和管道焊缝进行了完整性状态监测，分析了在复杂信号中找到损伤活动信号的方法。山东省特种设备检验研究院对定期检验中发现裂纹较多的电站锅炉汽包进行了声发射完整性评价，对管子支撑部位缺陷信号的分析评价进行了研究。

在起重机械及游乐设施完整性评价应用方面，中国特检院进行了大量的声发射研究和应用工作[8]，并在起重机钢梁、大型游乐设施主轴等方面进行了应用。

3 超高压水晶釜声发射检测应用探讨

声发射技术从材料学的角度完成了设备在受力状况下内部微观结构变化的监测与评价，为特种设备破坏的早期预防、预报提供了可靠、科学的评价方法，对设备的破坏事故实现了事前处理。

从上述介绍和综述看，声发射检测在我国特种设备领域取得了广泛的应用成果。特别是在诸如多层包扎容器、超临界锅炉三通管座等一些特殊结构压力容器、压力管道中的成功应用说明，探讨声发射技术在超高压水晶釜安全评估中的应用具有技术和应用基础。

超高压水晶釜釜体结构为单层圆筒形锻造容器，釜体主体材料为CrNiMoV调质钢，屈服强度在800 MPa以上。内径范围为180～400 mm，外径范围为370～800 mm，壁厚范围为90～110 mm，长度范围为5 000～6 000 mm。有通孔和盲孔两种结构，特点是内径小、壁厚大、筒体长。通孔和盲孔的超高压水晶釜结构示意如图5，6所示。