声发射技术在大型压力容器检验中的应用研究

杨宇博

(1.天津市特种设备监督检验技术研究院,天津 300192;2.国家市场监管重点实验室(特种设备数字孪生共性技术),天津 300192)

压力容器是承载化学物品的特殊设备,具有承压性和密闭性的特点,在现代工业生产中占据重要地位,有着广泛的应用空间。受材质、环境、操作等因素的影响,大型压力容器易出现介质泄露的问题。一旦发生泄漏,将对周围环境造成污染,损害人的身体健康,因此检验人员必须以科学的技术手段,以严谨负责的工作态度,加强对大型压力容器质量的检验。而声发射技术作为一种无损害、高效率的技术,基于其技术优势可以达到精准检验容器质量的目的,及时找到容器存在的缺陷,促进维修养护工作的开展,提高容器使用的安全性和稳定性。

1 压力容器的危险性

压力容器是盛装化学物质的密闭容器,按照性质和功能,可将其划分为反应压力容器、换热压力容器、分离压力容器、储存压力容器四大类。按照使用的位置可将其划分为移动式压力容器和固定式压力容器两大类。通常压力容器储存的物质有易燃性、易爆性及高腐蚀性,对压力容器的材料质量和使用性能要求极高,基于材料老化、操作不当和外界环境影响等因素,增大了压力容器应用的危险程度。相较于中小型压力容器,大型压力容器在应用时危险性更高。容器在使用的过程中,其本身承受巨大压力,如果工作人员没有控制好容器压力的标准值,那么很可能引发爆炸,尤其是大型压力容器存储的是高能量的化学物质,这些化学物质在爆炸时将释放巨大的能量,产生热浪、辐射及冲击波,会对周围建筑造成巨大破坏,严重威胁生产人员的安全。不仅如此,这些化学物质往往有剧毒,能够污染环境和破坏生态,人一旦触碰到这些有毒物质,很可能诱发重大疾病,如脏器功能减退,血液感染、癌症等、加之大型压力容器爆炸的威力巨大,通常还会引起一系列的连锁事故。比如1992年通辽市油脂化工厂发生一起特大的伤亡事故,主要是因压力容器失控引起的爆炸,整个车间厂房东侧被炸塌,附近建筑被大面积破坏,个别墙体被爆炸飞物贯穿,伴有大火灾,直接造成8人死亡,4人重伤,13人轻伤的惨剧。借鉴于此次事故的发生,在实际的生产工作中,工作人员必须重视检验大型压力容器,及时排除安全隐患问题,为工业生产创设安全稳定的环境[1]。

2 声发射技术的基本原理及发展现状

了解声发射检测技术的基本原理,首先要正确认识声发射的概念。声发射是指材料在发生变形或出现裂纹时,以弹性波的形式释放应变能的现象。基于这种现象特点,工程师依托声电、数字等技术发明了声发射检测技术。声发射检测技术的基本原理是声发射源释放的弹性波在构件内部传播,产生一定的波形位移,此时利用传感器捕捉信号,经过电子设备的处理,使之生成电信号或数字符号。在检测工作中,为了准确了解材料的缺陷问题,技术人员可以通过放大、处理、记录和分析这些信号,从中掌握缺陷信息的情况,进而实现对材料质量的检测[2]。声发射仪器主要有单通道声发射仪和多通道发射仪两种。单通道发射仪的运作原理相对简单,检测的精准度稍差。多通道发射仪的运作原理较为复杂,检测的精准度更高。对于大型压力容器质量的检测,应选择多通道声发射仪。如果材料内部存在缺陷,依托多通道系统能够快速掌握缺陷程度及发现缺陷的具体位置。

声发射技术作为一种高效化、便捷化及无损害化的动态检测技术,在检测材料和构件上有着广泛的应用,现代工业生产对压力容器的使用需求和使用质量在不断提高,加强声发射技术在材料检测领域中的应用势在必行。一方面,国家高度重视声发射技术的研究,投入大量的人力、物力及财力,以求在提高检测稳定性和精准性上有更多的突破。另一方面,随着声发射技术应用的创新与完善,其已走向专业化和规范化的发展道路,随其应用效果的不断提高,将进一步推动我国工业的发展。

3 声发射技术的优缺点

在对大型压力容器使用质量进行检验时,声发射技术是一种可依赖、可信任的检测技术。压力容器是用于盛装化学物质的容器,在其使用前、使用中及使用后都要进行常规的检验。对于容器外表情况的检查较为直观简单,对于容器内部情况的检查较为隐晦复杂。声发射技术基于其优势,可以有效避免人工检验不全面、不细致等问题,而且还能有效降低检验成本。同时声发射技术不仅适用于检验应用时间较长的压力容器,也适用于检验应用时间较短的压力容器,并且能够取得良好的检验效果,为压力容器的安全稳定运行提供保障。在检验工作中,通过应用声发射技术检验容器,依托检验结果判断容器是否存在缺陷。声发射技术作为全新、无损及高效的动态检验技术,更能满足压力容器检验的工作需求,比如在动态信息处理方面,基于该技术的检验原理,可知有变形或裂纹的容器构件发出弹性波,经过传感器收集和电子设备的处理,可以显示出信息情况,从而了解是否存在缺陷以及存在的缺陷大小程度和具体位置。尤其通过综合分析,参考与对比数据,可以对压力容器的使用情况、使用寿命等作出评价[3],提出相应的维修养护建议。同时还便于对容器内部缺陷活动规律的探测,提出相应的安全防范措施,避免发生安全事故。

虽然声发射技术含量和应用水平在不断提高,但是在某些方面仍存在明显的不足。依托声发射技术检验压力容器的安全稳定性,主要以检测数据为评定依据,但受外界环境的影响,容器材料可能对检验工作产生一定的敏感度,进而造成检测数据的准确性下降。通常情况下,这种敏感性带来的影响较小,但直接影响了检验的质量和效率。值得一提的是,声发射技术在投入使用后,检验人员需要调试仪器设备,加载系统程序,任何一个细节出现错误,都直接影响检测结果,检验人员必须做好相应的准备工作。此外,从发展和应用的角度来说,我国声发射技术尚处于初步发展完善阶段,仍要继续提高技术含量和积累实践经验,技术应用范围有待拓展,技术瑕疵有待克服。在利用声发射技术检验材料和构件的安全稳定性时,检验人员还需要进行多次反复的检验,通过加强数据整理与分析,以对材料和构件的安全稳定性作出合理的判断。这无疑增加了检验的工作量和工作难度,对检验人员的素质和能力提出了更高的要求。

4 声发射技术在大型压力容器检验中的应用要点

首先,技术人员要科学地选择检验仪器。针对大型压力容器检验仪器的选择应用,主要考虑以下三点内容:一是准确掌握大型压力容器的基本特征,包括大型压力容器的型号、结构、应用环境等,依据实际情况选择适合检验的仪器设备,避免增加检验的工作量和工作难度。二是保证仪器设备有较好的弹性波采集能力。声发射检验技术的工作原理是通过采集声发射源释放的弹性波,经过电子设备的综合处理后,将弹性波转化成电子信息或数字符号,进而为技术人员提供参考数据。如果仪器设备对弹性波的采集能力较弱,采集效果不稳定,那此次检验工作将失去价值和意义,所以,在选择声发射检验仪器时,应选择受外界影响小,且波形采集能力强的设备。三是在完成上述两项工作后,还需结合工程实际需求,做好系统加载工作,调整和优化数据,以实现对参数条件的高效控制。

其次,技术人员要合理地布置传感器。依托声发射技术检验大型压力容器的安全性时,须在容器的周围布置一定数量的声信号传感器,这些传感器最大的作用是探寻容器存在的声发射源,获取缺陷信息,通过这些信息进行转化、记录与分析处理,技术人员可以了解容器故障的类型、程度与位置。因此,须充分考虑实际情况,加强传感器布置设计,确保更快更准地获取容器变形、裂纹及断裂的信息。在设计中,还要兼顾容器的形状、质量、体积及焊缝结构等,结合实际需求,分析布置传感器的数量与位置及声发射通道的数量。通常情况下,采用三角形的布置方式,既能达到节约资源投入,又能达到快速获取缺陷信息的目的。再次,技术人员要做好加载测试工作。基于该项工作可以提高检验的质效性,促进检验工作的顺利完成。在容器加载实验的过程中,既要严格按照实验要求与细则完成加载操作,同时加强检查,确保操作准确到位。同时也要重视控制水压荷载和容器承载能力,确保满足实验所需各项标准。比如在球状大型压力容器声发射检验中,技术人员可先建立水压实验方案,在预估水压荷载下限值后,结合容器的设计压力和运行加载历史,确定水压试验压力。然后在加压和保压过程中,可以结合实际情况,确定发射声信号。

最后,技术人员要进行信号源定位和分级。在利用声发射技术检验大型压力容器的缺陷时,须充分考虑实际情况,选用智能检验设备,合理布置传感器的数量和位置,以快速完成对声发射源释放的弹性波信号的捕捉,随后借由整个系统的运转,实现信号转化、信息传输与数据分析,将检验结果完成地现实出来。为了提高声发射检验的精准度,技术人员要从以下两个方面加强对容器缺陷的定位与定量控制:一是利用定位系统分析传感器收集的电信号数据,以锁定容器缺陷的具体位置。二是强化对传感器收集信号的处理能力,尤其是必须实现数据的稳定转化,避免数据在转化中出现丢失的情况,以了解容器的缺陷类型和缺陷程度。另外,在完成检验工作后,技术人员还要加强容器缺陷情况的分析,包括缺陷形成的原因等,结合容器的使用需求,制定针对性的缺陷处理方案,在最大限度上提高大型压力容器的安全性,提升其使用质量和效果[4-5]。

值得注意的是,若对处于生产期间对压力容器进行检验与安全评定,其可能存在超出检验期限的现象,针对这种情况,可以采用声发射技术对压力容器进行检验,尤其是针对检验到期的压力容器。除此之外,通过声发射技术不仅可在线监测,还可进行安全评定。一方面,技术人员可以调整压力窗口的工作压力,将生产工艺允许的最高工作压力作为调整的方向,经过生产介质促进压力容器工作压力提升,将其提升在允许最高范围内。另一方面,经过声发射检验技术能实现对反馈信号的收集,还能做好相应的整理并加以分析,适当可将工作时间进一步延长。通过这样的方式分析压力容器的安全使用周期,适当延长压力容器的停产受检期,以实现效益最大化。

5 声发射技术在大型压力容器检验中的应用案例

某化工企业扩大生产规模,引入多组大型压力容器设备,用以盛装生产所需的气态原料和液态原料。企业认真落实生产安全要求,将现有的气态原料和液态原料分开管理,分别储存在A和B两个大型压力容器中。A压力容器是厂房原有设备,投入使用时间较长,受作业环境、材料老化、承压受力作用等因素的影响,存在一定程度的介质泄露的情况,给企业生产埋下了安全隐患。为了不影响正常生产,确保生产人员的安全,该企业组织专业技术人员运用声发射技术对A和B两个压力容器进行安全检验。在具体的检验过程中,技术人员加强对声发射技术应用方法的控制,及时准确地处理检验中遇到的问题。

首先,技术人员清理检验现场,认真检查A和B两个压力容器的外观,发现A压力容器的外表存在很多微小的裂缝,而且这些裂缝有明显的拓展趋势。根据裂缝发生的位置及其几何形状,将A容器上的裂纹划分为深埋裂纹、表面裂纹和穿透裂纹三类,采取不同的方法进行处理。其次,技术人员重视分析这些裂纹产生的原因,发现A压力容器除了外部载荷、环境和内部介质外,长期处在运行状态,长期超负荷工作,导致该容器受损严重。加之相应的养护工作不到位,进一步加重了容器的损伤。再次,技术人员利用声发射技术开展裂缝的精准检验。在整个操作过程中,技术人员先后完成仪器选择、传感器布置、加载测试、定位与定量等工作,为后续的容器检验做好准备。为了取得理想的检验效果,技术人员重点在大型压力容器焊缝附近布置传感器,这些传感器捕捉声发射源释放的弹性波,再依托计算机系统进行收集信号的转化处理和分析,确定A压力容器多处处于亚临界裂纹扩展阶段。最后,在利用声发射技术探寻了解裂纹的程度与位置后,技术人员对容器的裂纹情况进行综合性的评价,并开展了相应的修复工作。尤其是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,有效保证容器使用的安全性,促进生产的正常运行。

大型压力容器在现代工业生产中的应用愈发广泛,为避免出现安全事故,须加强先进的检验技术的应用。声发射技术作为一种新型无损检测技术,其在压力容器安全性的检验中发挥了重要作用,提高了检验的质效性,降低了检验成本的投入,保证了压力容器的安全运行。为加强声发射技术在大型压力容器检验中的应用,检验人员还需准确把握技术应用要点,在实践中进行拓展应用,促进该检测技术的完善与成熟。