声发射技术在大型压力容器检验中的应用

徐海亮，马斌，程康

淄博市特种设备检验研究院，山东淄博，255000

0 引言

大型压力容器在现代工业生产中应用广泛，当大型压力容易出现介质泄漏问题时，会给生产人员造成较大伤害，污染周围的生态环境。对此在大型压力容器初期应用阶段，就必须注重容器的质量检验。声发射技术是较为常用的一种检验技术，其能通过接收声发射信号完成大型压力容器材料和构件的动态化检验，整体检验效率高、检验结构准确，通过检验，生产人员能准确掌握大型压力容器表面缺陷的类型、位置，然后结合实际情况对大型压力容器进行修补或更换处理，这保证了大型压力容器应用的安全性，满足了现代工业安全生产需要。

1 大型压力容器的危险性

作为现代工业生产中较为常用的一种承压设备，大型压力容器不仅在化肥、炼油、化工中有广泛应用，而且在农药、医药、有机合成等领域的应用也逐渐增多。通常大型压力容器被用来存储气体、液体等物质，这些物质多有易燃易爆的特点，而且腐蚀性特征较为突出，间接性地增加了大型压力容器应用的危险性。

一方面，大型压力容器在使用中本身承受着较大的压力，当容器压力标准值控制不当时，容易引起容器爆炸等危险。另一方面，大型压力容器的危险主要来源于容器内部的介质，当大型压力容器出现介质泄漏或爆炸问题时，这些易燃易爆、有毒害腐蚀作用的物质会给生产人员身体健康和生命安全造成较大影响，尤其当大型压力容器爆炸时，容器内的物质会释放较大的内能，这容易引起较大的冲击波，对于生产现场的人员和设备具有较大伤害。另外，大型压力容器介质泄漏或爆炸问题会产生一系列的恶性连锁反应，引发较大的安全事故；故而在实际生产中，应积极开展大型压力容器的检验工作，创造良好的工业生产环境[1]。

2 声发射技术原理及在大型压力容器检验中的步骤优势

2.1 检验原理

在容器检验实践中，声发射技术能通过声发射源发射弹性波，弹性波到达大型压力容器材料表面是存在一定的波形位移现象，此时通过检验传感器捕捉这些信号，并将信号转化为电信号和数字符号，即可实现大型压力容器损伤状况的系统检验。从声发射技术检验过程来看，其通过内力和外荷载作用，使得材料中的能力得到快速释放，由此产生一定的瞬态弹性波现象，通过传感器捕捉瞬态弹性波现象，并对这些信号进行放大、处理、分析和记录，即可实现大型压力容器缺陷类型、位置的准确判断[2]。

2.2 检验步骤

现代工业生产中对于大型压力容器的使用要求不断提升，声发射技术在大型压力容器检验中得到了广泛应用，且检验技术的具体应用步骤已经逐步规范。现阶段，大型压力容器声发射检验步骤包括：首先在检验初期阶段，工作人员需要做好大型压力容器停产倒空准备，这样能在不开罐的情况下，完成耐压力检验和声发射检验，分析声发射检验结果可实现活性声发射源部件的有效确定。其次应利用其他技术进行大型压力容器的复查，常用的复查技术包括渗透、射线以及超声波等方式，在复查操作中，应重点做好声发射源部件的复查，这样能在排除干扰声的情况下，实现大型压力容器活动缺陷的准确把控。完成大型压力容器发射源部件复查后，需采用磁粉检验的方式对容器焊接处的内部面进行检查，这样才能在保证大型压力容器检验全面性的基础上，排除声发射检验阶段不活动的表现裂纹。同时完成上述操作后，还应在超声波技术的支持下，确定大型压力容器的壁厚是否达到标准，评定声发射技术检验中发现的超标缺陷，有效地发现超标的非活动性缺陷并及时对其进行处理。最需要对声发射检验结构和其他检验结构进行统计对比，形成完整的检验报告，评定出受检大型压力容器的安全等级。

2.3 检验优势

借助声发射技术开展无损检验已经成为新时期大型压力容器检验的内在要求[3]。对比传统的减压方式，声发射检验技术的应用具有无可比拟的优势。一方面，在过去开展大型压力容器检验时，生产单位往往需要停工停产来避免对检测方法应用造成影响，保证检验效率和安全性。使用声发射技术开展大型压力容器检验时，整个检验过程不需要停止生产，且检验结果受容器内介质的影响较小，具有较高的效率性和安全性。另一方面，活性缺陷检验是大型压力容器检验的难点所在，这是因为传统的检验方式容易对容器本身造成影响；但是使用声发射检验技术能有效消除这一缺陷。即在大型压力容器检验中，通过一次布置好探头和加载操作，能完成大型压力容器活性缺陷的系统检测，这对于大型压力容器的安全使用和管理具有积极作用，有助于提升工业生产的整体效益。此外工业生产工况差异性较大，这使得大型压力容器的应用也有较大的区别，即在工业生产中广泛存在一些结构复杂的大型压力容器。此时通过声发射检验技术开展大型压力容器检验，能有效满足异形结构大型压力容器的检验需要，这对于容器缺陷位置定位、活性和强度确定具有积极作用，有效地提升了大型压力容器检验的整体水平，满足了工业生产的实际需要。

3 大型压力容器检验中声发射源产生的原因

3.1 塑性变形

外力作用会使得大型容器的材料产生一定的应力变形问题，并且这种变形会随着应力的增大而变大。在不超过材料弹性极限的情况下，通过控制、消除对大型压力容器施加的应力，则大型压力容器会逐步恢复到原来的状态。要注意的是，在大型压力容器弹性变形过程中，若施加的压力值较大，且已经明显超过了材料的弹性极限，则即便消除了材料的外力作用，发生塑性变形的大型压力容器也很难恢复到最初的状态。研究表明，大型压力容器材料的塑性变形是声发射源产生的重要原因，具体表现为：大型压力容器在变形过程中，材料变形的屈服点附近会出现声发射源的密集计数，此时通过声发射技术，可实现这些声发射源的有效检测，进而准确掌握大型压力容器的受力情况和变形情况，确定大型压力容器的缺陷部位，为后期大型压力容器的检修提供指导。

3.2 大型压力容器裂纹

工业生产过程中，大型压力容器的应用环境较为复杂，这样在长时间的使用过程中，大型压力容器会产生一定的裂纹，这些容器裂纹的产生与多种因素有关，常见影响因素不仅包含应力集中、受热不均匀，而且涉及腐蚀、温度、应力作用，此外一些大型压力容器初期焊接不规范，这使得容器在后期施工中容易出现一定的焊缝裂纹和疲劳裂纹，降低了大型压力容器的整体应用效果。大型容器产生裂纹后，这些裂纹随着时间的延续会逐渐拓展，在此过程容器会产生一定的声发射信号。大型压力容器的裂纹拓展本质上是一种应力释放，在声发射检验技术的支撑下，可精准获取大型压力容器裂纹扩展中所释放声信号[4]。一般大型压力容器裂纹的扩展需要经历一个由慢到快的过程，即裂纹较小时，其扩展的速度较慢，这使得声发射技术检测到的信号较弱；但是随着裂纹的增加，其扩展速度、声音信号强度均会有所增大。裂纹拓展超过材料界限时，大型压力容器会发生断裂问题。基于这一特征，在大型压力容器使用过程中，应通过声发射技术准确检测大型压力容器断裂问题，确定大型压力容器裂纹的位置和扩展趋势，这样能为大型压力容器的安全使用创造良好条件，提升大型压力容器的综合应用效果。

3.3 纤维增强复合材料发生断裂

现代工业体系下，工业生产的环境愈发负载，人们对于大型压力容器生产应用的控制也更加严格。在大型压力容器生产中，为保证大型压力容器的整体应用效果，越来越多大型压力容器中使用了一定的纤维增强复合材料。将这些材料与基体材料混合在一起，并对混合料进行缠绕、模压、拉伸等技术处理，能形成全新的复合材料。将这种复合材料应用到大型压力容器生产中，能有效提升大型压力容器材料性能，提升大型压力容器的应用效果。但是不可否认的是，纤维增强复合材料在实际应用中还容易因受力拉伸而损坏，基体开裂、纤维断裂是纤维增强复合材料破坏的两种基本形式，除此之外，在大型压力容器应用中，机体和纤维还会出现脱胶现象，这些变化过程均存在一定的声发射源。在大型压力容器检验中，借助声发射技术检验这些声发射源信号，能有效地发现大型压力容器的缺陷部位，这对于大型压力容器后期检修具有积极作用。

4 大型压力容器检验中声发射技术的应用要点

4.1 科学选择检验仪器

大型压力容器检验需要先进的仪器设备作为支撑，在大型压力容器检验初期阶段，科学合理地落实检验仪器选择工作，能从源头上为声发射检验技术的应用创造良好条件。新时期，针对大型压力容器检验仪器设备的选择应用应考虑以下内容：一方面，掌握大型压力容器应用特征是声发射检验设备选择应用的基础，对此在检验设备选择中，应系统考虑大型压力设备的结构特征和应用环境特征，然后结合实际情况选择具有较高适用性、精准性和智能化特征的声发射检验仪器设备，满足声发射检验中数据分析和波形展现的实际需要。另一方面，开展声发射检验必须准确获取声发射源能量释放中所产生的波形，故而在声发射检验仪器选择中，应尽可能地选择拥有先进波形采集能力的设备，并且该设备应能完成采集信号的系统分析和处理，并且通过信号分析结果，应能准确定位大型压力容器缺陷的位置，为后期的容器检修提供参考。另外完成声发射检验仪器设备选择后，还应结合工程的需要，对检测仪器设备进行参数出优化，这样通过仪器参数条件的控制，能有效发挥设备定位、定量检验的优势，确保声发射检验的精准性。

4.2 规范布置声发射检验传感器

利用声发射技术开展大型压力容器检验时，工作人员会在大型压力容器的周围布置一定的声信号检测传感器，这些传感器能获取大型压力容器表面形变信号，对这些信号进行转化和分析处理，能为大型压力容器故障类型、位置的确定提供参数支撑。基于这一规律特征，科学布置声发射信号捕捉传感器已经成为大型压力容器声发射检验的内在要求。在声发射检验传感器布置阶段，首先工作人员需要对大型压力容器的形状、容器进行准确分析，结合实际情况科学设计传感器的布置位置、布置数量，同时应考虑声发射仪通道数量的控制，这样能较为快速、准确地获取声发射检测中的大型压力容器表面形变信号。其次工作人员可按照随意摆放的原则完成传感器位置的初步设计，随后还应在相关软件的支撑下，结合大型压力容器的体积、焊缝结构等参数，对大型压力容器检验传感器的位置数据进行优化，形成较为完整、合理的传感器布置图。最后在传感器布置中，应结合生产实际，尽可能地将其布置中在常见的缺陷周围。如大型压力传感器应用中，其焊缝部位容易出现泄漏等缺陷，影响了传感器的应用效果，对此利用声发射技术开展大型压力容器检测工作时，就应尽可能地按照三角型布置的方式，将传感器设置在靠近焊缝的位置，实现容器缺陷的准确判断[5]。

4.3 实施标准化的加载测试

加载测试是声发射检验中极为重要的一个环节，其能在不影响工况的情况下更加贴合实际地完成大型压力容器的检验，提升大型压力容器的适用性。在大型压力容器加载实验中，一方面，应严格按照逐步加载的要求完成加载实验操作，另一方面，在加载实验操作中，还需要重视水压荷载与容器承载能力的控制。譬如在球形大型压力容器声发射检验中，先需要进行水压实验，这样在掌握水压荷载的情况下，结合球形大型压力容器的设计压力，可知晓水压的实验值。随后在后续的加压和保压过程中，测试人员可较为准确地发射信号。

4.4 容器缺陷定位、定量确定

大型压力容器声发射检验中，检验设备本身具有智能性的特点，其能通过多个传感器的应用，快速地完成声发射源信号的捕获，随后在系统软件的支撑下，完成检验数据的传输、分析和结果显示。为进一步提升大型压力容器声发射检验的效率和精度，在实际检验中还应开展容器缺陷的定位、定量控制。一方面，利用声发射技术进行大型压力容器检验时，应系统分析传感器收集的电信号数据，达到确定大型压力容器的缺陷位置的目的。另一方面，在传感器收集电信号分析处理中，应注重相关数据的转换，这样不仅能了解大型压力容器的缺陷类型，而且能了解具体缺陷的危害程度，掌握这些缺陷形成的原因。此外，声发射检验中，一旦确定大型压力容器缺陷位置、类型、危害程度和形成原因，还应科学设计缺陷处理方案，系统消除这些大型压力容器的缺陷，提升大型压力容器的应用效果。

5 大型压力容器检验中声发射技术的应用实例

某企业生产中需要消耗大量的气态原料，在现有生产技术下，该企业通过大型压力容器存放这些气态介质。但是在长期使用中，受作业环境负载、材料老化、压力作用等因素的影响，本企业所使用的大型压力容器存在介质泄漏问题，这严重地影响了本企业生产的安全性，并且给生产人员人身安全和周围的环境造成较大影响。对此本企业在不影响生产的情况下，采用了声发射技术开展大型压力容器检验工作，并对检验中所发现的问题进行处理，确保了企业生产的安全性。

本企业大型压力容器检验中，针对声发射技术的应用注重以下要点控制：其一，在检测初期进行大型压力容器外观检查，发现本企业部分大型压力容器中存在微观裂缝拓展问题，并结合裂纹发生的位置和几何形状，把裂纹分为深埋裂纹、表面裂纹和穿透裂纹三类。其二，初步分析这些微观裂纹产生原因，经分析，除外部载荷、环境和内部介质外，长期服役、腐蚀疲劳损伤也有可能是造成本企业大型压力容器损伤的重要原因。其三，企业利用声发射技术开展裂缝的精准检验，该环节中，工作人员按照检验仪器选择、传感器布置、加载测试、定位与定量确定的顺序继续检验，重点在大型压力容器焊缝附近布置传感器，然后利用计算机系统进行收集信号的转化处理和分析，确定本企业多数容器处于亚临界裂纹扩展阶段。其四，本企业对处于亚临界裂纹扩展阶段的裂纹进行修复，同时更换裂纹处于快速扩展的容器，有效保证了生产的安全性。

6 结语

科学使用声发射检验技术，能较为快速、准确地发现大型压力容器应用的缺陷类型、缺陷部位，按照工业生产需要合理解决这些缺陷，能有效保证大型压力容器应用的安全性。现代工业生产模式下，人们只有深刻认识到大型压力容器应用的危险性，掌握声发射检验技术的应用原理、流程和优势，并在深层次分析声发射源产生原因的基础上，结合工业设计深化声发射检验技术的系统使用，这样才能提升声发射技术的应用水平，保证大型压力容器应用效果，进而满足工业生产需要，推动现代工业产业持续、稳定发展。