压力容器声发射检测技术论述

耿雪峰

(上海市特种设备监督检验技术研究院,上海　200333)

压力容器声发射检测技术论述

耿雪峰

(上海市特种设备监督检验技术研究院,上海200333)

在石油化工、核工业领域中压力容器应用条件十分严格,绝大部分运行在高压高温、高压低温、高载荷介质中,条件非常恶劣,声发射检测技术就是对上述问题有效解决的方法之一。本文通过对声发射检测的主要原理有效阐述,总结了声发射检测的优点和不足,介绍了压力容器常见缺陷的声发射特征,并且概述了声发射检测技术在压力容器中的应用情况。

压力容器声发射检测技术缺陷

1　声发射技术原理及检测系统

1.1声发射技术概念

声发射技术是一种新型动态无损检测技术，它与一般的无损检测例如超声波、射线等其它无损检测技术不同，其是一种定期对压力容器进行检验的一种创新方法。声发射技术原理如图1所示。

声发射源，具体是指声发射事件的物理源点或者出现声发射波的机制源。对声发射材料局部引发变化称为声发射事件。此外，另一类与泄漏流体、摩擦、撞击、燃烧等变形与断裂机制没有直接关系的弹性波源，称之为二次声发射源。

压力容器声发射检测的主要工作为:(1)明确声发射源的位置; (2)研究声发射源的特点;(3)明确声发射出现的时间或者载荷;(4)对声发射源的严重程度有效评定。通常来说，通过其它无损检测方法对超标声发射源实行局部复检，以便对缺陷性质和大小积极明确。

1.2声发射技术的特点

1.2.1优点

第一，可以检测危害结构安全的活动性缺陷。由于在应力作用下提供缺陷动态信息，适合评价缺陷危害结构的实际程度;

第二，可以整体或者大范围快速检测大型构件。由于不需要采取复杂的扫查操作，而只需要布置充足数量的传感器，通过一次加载或者试验，就能够明确缺陷位置，进一步有效提高检测效率;

第三，可以提供缺陷随着载荷、时间、温度等外变量变化的实时连续信息，在工业过程的在线监控和早期破坏预报中十分适用;

第四，由于对被检件的接近要求较低，因此与其它方法适用很难或者无法接近环境下的检测;

第五，由于对构件的几何形状并不敏感，因此在检测其它方法受到限制的复杂形状的构件中较为适用。

1.2.2局限性

第一，声发射特点对材料十分敏感，机电噪声又会对其造成干扰，因此，解释数据过程中需要进行十分详细的数据分析与现场检测经验。第二，声发射检测通常需要实行合理的加载程序。大部分情况下，可以采用目前的加载条件，但有时还需要特殊准备。第三，声发射检测所发现缺陷的定量定性，有些时候还需要借助于其它无损检测方法。

表1　加氢精制预反应器参数表

图1　声发射技术原理

图2　加载曲线

1.3声发射检测系统

1.3.1单通道声发射仪器

通常包含了传感器、前置放大器、主放大器、测量信号参数、统计数据、记录和显示等。

传感器传输的信号，通过前置放大器有效放大，由滤波器鉴别频率，进一步利用主放大器实施放大，得到信号参数，单元运算分析，最终向记录和显示单元输出。随着检测设备的不同类型，测量参数以及分析显示也会形成极大差异。

1.3.2多通道声发射系统

(1)微机控制式多通道系统。这一系统通过多处理器并行处理结构，具体包含了高速采集用单独通道控制器、协调用总体通道控制器和统计数据用主体算机。

单独通道控制器，分别对两个单独信号通道进行控制，进一步测量波击参数，包含的常规参数包含能量、幅度、持续时间、提高时间、信号平均电平等，并且在大容量输出缓冲器中迅速存储。

总通道控制器，缓冲器容量更大，同时和前端与主机发挥协调功能，它把读取的波击参数组与外变量，通过每个波击达到传感器的顺序，逐一提供给主机并且存储至硬盘。

主计算机，可以利用IBM兼容机，在各类软件的支撑下，能够完成实时或者事后的分析和显示。软件的具体性能包括:第一，实时采集数据，分别是设置、转存与显示条件方式;第二，源定位，分别是一维、二维定位和显示事件集中区;第三，事后分析，分别是数据滤波与编程性能;第四，在附件支撑下记录波型和谱分析。

(2)全数字式多通道声发射系统。随着处理数字信号技术的发展，近年来开发全数字式多功能声发射系统已经成为一种新趋势。主要特点为经过前置放大信号不需要再通过处理一系列模拟电路而是直接转变为数字信号，同时实施提取常规特性参数以及记录波形。这样不但完善了电路的稳定性与可靠性，并且有效提高了系统处理信号的能力。

2　压力容器常见缺陷的声发射特征

2.1压力容器的典型声发射源

(1)扩展裂纹。压力容器焊缝表面裂纹与内部深埋裂纹的尖端塑性形变钝化与扩展进一步形成声发射信号。

(2)焊接问题开裂。气孔、夹渣、未熔合与未焊透问题导致的开裂和扩展以及断裂非金属渣物出现在压力容器焊缝内进而形成了声发射信号。

(3)机械摩擦。压力容器碰撞外部脚手架、内部塔板、外部保温支撑平台等全部都可以形成机械摩擦声发射信号。此外，由垫板连接立式容器的裙座、卧式容器的马鞍型支座与容器壳体和支撑板，通常垫板和容器壳体全部或者部分利用焊缝焊接。在加压过程中，不同的垫板和壳体膨胀造成的摩擦极有可能形成大规模的声发射信号。

(4)释放焊接残余应力。针对新制压力容器，第一次加压容易出现这类信号，对于正在使用的压力容器，焊缝修理位置容易产生这类声发射源。此外在容器的裙座、支座、支柱等角焊缝位置容易形成应力集中与残余焊接应力。在升压工作中重新分布应力可形成很多声发射信号。

2.2压力容器常见缺陷的声发射特征

2.2.1定位特性

(1)裂纹。采取分阶段升压、保压、降压多次循环实施加压程序。在整体试验过程对缺陷采取探头进行三角定位声发射检测。

第一加压中，在裂纹附近全部出现了大量成团的声发射定位源;针对表面裂纹来讲，声发射定位源在低压下就会产生，在压力接近2Mpa时，裂纹出现最激烈的活动，声发射定位源信号出现峰值;针对探埋裂纹来讲，声发射定位源信号出现在1-1.5Mpa压力下，裂纹在3Mpa压力下出现最激烈的活动。

在第一次加压的10分钟保压期间，在裂纹周围也会形成很多声发射定位源信号。在降压过程中闭合表面开口裂纹也能形成一些声发射定位源，而没有开口的深埋裂纹不会出现声发射定位源信号。在降压过程中的第二次升压与保压中，裂纹位置不会或者很少出现声发射定位源信号。

(2)为焊透、为熔合、夹渣等焊接缺陷。在升压过程中，两个声发射定位源以及三个升压与保压过程全部产生了声发射定位源，试验之后复验射线探伤一处出现大概断续500mm的未焊透与未熔合缺陷，另外一处则是大量气孔夹渣缺陷，根据射线标准设定为IV级，需要返修。

(3)结构摩擦。在检验压力容器过程中，出现结构摩擦形成大量的声发射定位源信号是普遍现象。一般由脚手架、支座、平台等焊接垫板产生结构摩擦。结构摩擦形成的声发射定位源在较大范围内散步，也就是在降压之后的第二次升压中还会出现声发射信号。

(4)泄漏。穿透裂纹、人孔、法兰与阀门的泄漏等都会出现持续的声发射信号。由于通过泄漏会产生连续的声发射信号，因此无法采取时差定位法实行定位。但是，针对多通道仪器来讲，探头与泄漏源通道越接近，就会采集越多的声发射信号，也会获得越大的信号幅度、能量等参数。利用声发射信号撞击次数、幅度、能量等和声发射通道分布图，能够明确泄漏源的区域。

2.2.2分布特点

测试结果说明，表面裂纹、深埋裂纹与未熔合、未焊透、气孔等焊接缺陷形成的声发射信号参数没有显著的差异，除了电子噪音与泄漏声发射信号拥有巨大的能量与持续时间之外，其它声发射源信号的声发射参数分布特点基本上类似的。

3　声发射技术在压力容器检测中的应用

3.1基本参数(表1) 3.2 检测仪器及参数

32通道声发射检测设备，具体参数:40dB门槛，30dB增益;R15传感器，1220A前置放大器;静态应变测量分析设备。

3.3检测方案

(1)声发射检测方案。利用二次加载方法，进一步获得更加充分和可靠的检测数据。完成加载，再次对各通道进行标定，明确在加载期间各通道全部正常。

(2)应变检测方案。将18点布片设置在进料与出料管道和反应器中，为了获得准确的测量，利用一个应变片采取一个公共线的方式，如此虽然增加了导线数量，但是防止了应变片之间的干扰。由于各个部分温差会导致测量差异，选择三个补偿块，6个温度补偿块，很好对全部温度梯度的各个位置完成温度补偿操作。

3.4加压过程

根据图2可知。设定设备目前压力是8Mpa，设备系统安全阀起跳压力是9.3Mpa，实验压力为12.87Mpa，按照现场具体情况，设定最高实验压力为15Mpa。尽可能实现平稳加载，设计加载速度是0. 5M pa/m in。

3.5检测结果及分析

3.5.1声发射检测结果

认真事后处理与分析各个加载过程的检测数据，本次声发射检测一共明确3点声源，其中下封头法兰密封面渗漏引起了1声源，之后采取紧固螺栓对其影响有效消除，2和3均是有效声源，并且全部是1级，不需要采取无损复检。

3.5.2应变检测结果

检测数据准确，应变检测数据都是简体上环向应力二倍于轴向应力的关系，具体检测结果为:

(1)反应器进出料口管道位置形成的四点检测结果全部是轴向力在15-17Mpa之间，环向应力在30-40Mpa之间，应力值不大，达到了安全要求。

(2)测试容器封头上的两点结果说明，由于封头拥有较大的厚度，因此应力数值并不大。

(3)分布在筒体上的四点较为均匀，没有出现强烈的波动，环向接近于轴向应力的二倍。(4)在接管位置由于存在加强高，无法对接管跟部进行检测。上述数据实测条件是15Mpa，按照检测结果说明这一反应器符合操作强度要求。

4　声发射检测结果对压力容器安全性能的评价

4.1未发现声发射源的压力容器安全性能评价

(1)设计、制造和安装的影响。在检验压力容器时，在没有发现声发射源的状况下，明确压力容器的安全级别，还需要保证设计、制造和安装设备符合相关规定。这些方面没有符合要求，压力容器虽然没有产生声发射源，可是压力容器具有危险隐患。只有资料检查与结构符合规定要求之后，按照检测声发射技术结果对压力容器安全级别是否完好发挥了巨大意义。

(2)设备运作情况的影响。材料的受载历史严重影响了重复加载声发射特点。重复载荷在未达到原先增加最大载荷之前无法形成显著声发射，这一声发射不可逆性称为凯赛尔效应。其是检验压力容器中利用声发射技术的基础。由于没有发现声发射源信号，对压力容器安全情况进行判定为1级，记录设备运行情况、开停车、操作备件改变情况以及运行中的异常状况等，实行详细检查，明确压力容器没有出现超温超压运行，反之采集压力容器检验的声发射信号便丧失了真实性。

根据腐蚀机理可以将金属压力容器腐蚀划分为电化学与化学腐蚀。在检验压力容器过程中，应当认真研究怎样发现引起腐蚀情况的介质与环境，必要情况下可以全面宏观检查与利用常规无损检测技术复检设备，在明确没有发生腐蚀现象时，才能采用声发射技术检验过程没有发现声发射源信号的特性，判断压力容器安全级别，也就是其是否能够安全运行。

4.2压力容器常见缺陷的声发射特征

声发射检测的主要目标是对声发射源的位置与性质有效识别，而处理声发射信号是解决这一问题的主要途径。在处理与分析声发射信号过程中，除了一般应用的典型声发射信号参数与定位研究之外，我们当前还研究了基于波形分析基础上的模态分析、经典谱分析、小波分析，此外对声发射信号参数也应用了模式识别、模糊分析等，我国还独立研究了分析各种信号的识别模式软件包。通过处理和分析这些信号，可以在不对声发射源位置实行常规无损检测复验的前提下，直接提供声发射源的性质和危险级别。可是这些方法仅仅是应用于实验中，在开展大规模压力容器声发射技术检验中并不适用。

接下来介绍与大型压力容器检验的声发射源相适合的一种分析方法，通过评价多台压力容器检验之后的安全级别，证明了其可靠性。

(1)划分源的活度。假如源区的事件数量随着升压或者保压迅速增多时，则认为这一位置源的活性极强。假如源区事件数量随着升压或者保压持续增加时，则认为该位置的源具有活性。

(2)划分源的强度。可以采用能量、幅度或者计数参数表示源的强度，计算源的强度采取源区前5个最大能量、幅度或者计算参数的平均数值。

5　结语

声发射检测是一种无损检测的新技术，在压力容器定期检验中应用完全具有可行性。我们需要对这一技术大力实施推广，促使在检验工作中越来越多的应用声发射检测方法，以便有效提高检验和检测效率，保证正常安全运行设备。随着工业技术的迅速发展，出现了大量结构复杂、运行要求严格的容器，这样势必对检测技术与水平形成了更大的挑战，为了与这一发展速度有效适应，研究声发射检测技术已经成为一种重要的发展趋势。

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耿雪峰(1980—),男,上海人,工程师,硕士,长期从事承压特种设备的检验、检测研究工作。