工业钛材压力容器的声发射特性

，

(南京市锅炉压力容器检验研究院，南京 211102)

钛具有优异的耐蚀性，工业纯钛及耐蚀低合金钛广泛应用于石化领域。据统计,我国80%的钛材产量都用于石化设备的制造中，而包括热交换器在内的容器类用钛量约占石化设备用钛量的75%[1]。声发射技术作为一种先进的无损检测技术，在压力容器的检测中得到了广泛的应用[2]。目前，碳钢类压力容器的声发射技术研究已近成熟并形成了相关标准，用于航空航天领域的小型钛材料压力容器也有相关标准，但针对工业用钛材压力容器的声发射检测研究还较少。因此，研究有色金属钛及其压力容器的声发射特性，对于开展该方面的检测与研究，确保安全生产具有重要意义。 笔者对工业纯钛板材和工业钛制压力容器的声发射特性进行了研究。

1 工业纯钛板材声发射特性

图1 试验器材连接示意

工业纯钛板材在厚度方向的尺寸远小于其他两个方向的尺寸，给予一定的激励条件在其中会形成板波(Lamb波)。一般情况下，板波的传播是多阶对称波，即扩展波S与反对称波即弯曲波A的组合(这两种波会相互耦合)[3]。当激励源作用力方向与板平面垂直时，板中主要产生弯曲波。当激励源作用力方向沿板平面方向时，板中主要产生扩展波[4]。整个试验过程参考NB/T 47013.9-2012《承压设备无损检测 第9部分：声发射检测》进行。试验器材的连接示意如图1所示。图1中1号传感器做为发射传感器，通过信号发生器发出信号；3号传感器做为监测传感器，距离发射传感器20 cm,起实时监测试验平稳性的作用；2号传感器做为移动传感器，从距离发射传感器5 cm处开始往后每隔一段距离测量一个点处的信号幅度，每个点测量3～5次后取各数据的平均值。

选取厚度为15 mm的板材进行衰减试验，声发射仪器采用德国Vallen公司生产的多通道声发射仪。图2为试验得到的厚度为15 mm的板材声发射信号幅值及其拟合曲线，从图2可知，工业纯钛板材在进行声发射检测时，传感器的布置间距在4.5 m范围内是可行的。

图2 厚度15 mm板材的声发射信号衰减试验数据及拟合曲线

2 工业钛材压力容器水压试验过程中的声发射特性

该压力容器由南京某金属装备有限公司制造，制造日期为2011年11月7日。其公称容积为21 m3，设计压力为-0.1/0.146 MPa，设计温度为100 ℃，试验压力最大到0.45 MPa，工作介质为水、NaClO3溶液、H2SO4溶液，未进行焊后热处理。笔者先进行了声发射衰减试验，后对水压试验过程中产生的声发射信号进行了分析。

2.1 声发射信号衰减特性

笔者共做了三组衰减试验：第一组是对10 mm壁厚的压力容器筒体部位，分别用VS150和VS45两种不同性质的传感器进行了轴向和环向的衰减试验；第二组是对5 mm壁厚的筒体部位，分别用VS150和VS45两种不同性质的传感器进行了轴向和环向的衰减试验；第三组是用VS150传感器对10 mm壁厚的筒体部位在含水和不含水的情况下进行了对比衰减试验。压力容器声发射信号衰减试验框图如图3所示。

图3 压力容器声发射信号衰减试验框图

2.1.1 各组试验结果

(1) 第一组试验结果

第一组试验结果如图4所示。

图4 10 mm厚筒体部位的声发射信号衰减试验数据及拟合曲线

从轴向声发射信号衰减曲线可以看出，两种类型的传感器接收到的信号幅值差别不大，且传感器在4.5 m距离处接收到的信号幅值仍可达到60 dB左右，所以在工业钛材压力容器上声发射传感器的布置间距可在4.5 m范围内。从环向声发射信号衰减曲线发现，距离传感器2.5 m处发出的断铅模拟信号被传感器接收到时的幅值最小，该筒体的实际测量周长为6.68 m，并未出现在周长的一半距离(3.34 m)处的幅值最小的情况。

(2) 第二组试验结果

第二组试验结果如图5所示。

图5 5 mm厚筒体部位的声发射信号衰减试验数据及拟合曲线

从轴向声发射信号衰减曲线可知，两种传感器接收到的声发射信号幅值差别不大，故从整体上可以判断，在该部位的传感器布置间距可在4.5 m范围内。该部分的环向周长测量值是2.39 m，但是从其环向声发射信号的衰减情况来看，当断铅位置超过1.6 m时,声发射信号幅度开始增大。另外,还发现在同样距离的情况下,VS150传感器接收的信号幅值要比VS45传感器接收的信号幅值大。

(3) 第三组试验结果

第三组试验结果如图6所示。

图6 压力容器中含水和不含水情况下声发射信号衰减试验数据及拟合曲线

对比含水与不含水情况下工业钛材压力容器的声发射信号衰减曲线可知：同等距离条件下，含水时的声发射信号幅值比不含水时的要小。

2.1.2 小结

(1) 在工业钛材压力容器的轴向方向上,声发射传感器的布置间距可在4.5 m范围内。在10 mm厚筒体的环向方向上,断铅信号的幅值开始上升的位置比周长的一半处(3.34 m)的位置要提前，而在5 mm 厚筒体的环向方向上,断铅信号幅值开始上升的位置比周长的一半处(1.2 m)的位置要滞后。所以，容器厚度和尺寸规格的不同会对环向方向声发射信号的衰减规律有较大影响。

(2) 同等检测条件下,GR2材料的压力容器含水时，接收到的声发射信号幅值要小于不含水时接收到的信号幅值，由此可以推断，容器中水的存在会加重声发射信号的衰减。

图7 传感器布置位置及其展开示意

2.2 水压试验过程中声发射信号分析

试验中共使用15个传感器(在15#传感器附近布置一个2#VS45传感器)，传感器之间以三角形阵列进行时差声发射源定位(见图7)。传感器布置完毕后，采用自激发方式标定传感器灵敏度，发现各个通道连接通畅。在进行水压试验声发射监测前，先对环境背景噪声进行监测，通过测量得到各通道的背景噪声均在35 dB左右，故将门槛设置为40 dB。波速调整为5 000 m·s-1。

该压力容器设计压力为0.146 MPa，根据制造单位意见水压最大可达0.45 MPa，具体加载程序如图8所示。壁厚10 mm处的筒体在水压试验各阶段的信号参数特征如表1所示。

图8 壁厚10 mm处的筒体试验加载程序

水压试验阶段幅度平均值/dB能量平均值/eu幅度最大值/dB幅度最小值/dB能量最大值/eu能量最小值/euA60.22.82×10688.940.43.27×10719.9B53.61.05×10692.740.45.14×10717.7C54.11.34×10481.740.41.32×10514.0D51.22.82×10489.740.41.13×10615.3E------F54.23.83×10472.741.11.51×10527.9

在水压试验过程中，为了尽量避免其他噪声的干扰，经协调，现场所有工人均暂时停止作业，故认为声发射仪器接收到的信号均由压力容器在水压试验中产生。对10 mm厚筒体部位的试验数据进行分析，发现：① 第一次升压过程中(A阶段)产生的声发射信号幅度平均值最大且达到60.2 dB，说明该部位在制造过程中产生的主要残余应力被释放了出来。② 两次保压过程中(B阶段和D阶段)，各传感器接收到的信号幅度之间和信号能量之间的差值较大，说明在保压过程中个别含较大能量的残余应力被释放了出来。在整个试验过程中，10 mm厚筒体部位的声发射信号幅度平均值范围为51.2～60.2 dB。所以可以认为此次试验中声发射源的强度下限为60 dB，一旦信号幅度超过60 dB，即可考虑其已经具备了一定的缺陷性质。

3 结论

(1) 在工业纯钛板材及其压力容器上，声发射传感器的布置间距在4.5 m范围内是可行的。而容器厚度和尺寸规格会对环向声发射信号的衰减规律有较大影响。同等检测条件下，容器中水的存在会增加声发射信号的衰减程度。

(2) 新出厂的钛材类压力容器中，各种残余应力释放的信号幅度平均值一般不会超过60 dB，所以试验中可将该幅值作为声发射源强度判据的下限值。