金属压力容器和常压储罐声发射检测及安全评价技术与应用

沈功田（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

创新论坛

金属压力容器和常压储罐声发射检测及安全评价技术与应用

沈功田
（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

“金属压力容器和常压储罐声发射检测及安全评价技术与应用”项目获得了2010年度国家科学技术进步二等奖，其主要内容包括3项国家科技计划课题的核心研究成果。本文以该项目“国家科学技术奖励推荐书”的内容为基础，概述了项目背景、主要成果及其应用情况。主要成果包括提出了金属压力容器和常压金属储罐的声发射检测及结果评定方法，基于参数与波形分析、特征提取和模式识别的金属压力容器声发射在线检测源性质的识别方法，研究建立了金属压力容器和大型常压储罐声发射检测及安全评价方法标准体系。

金属压力容器 常压储罐 声发射 安全评价

1　项目背景

根据2008年的统计，我国拥有固定式压力容器192万台，气瓶1.32亿只，大型常压储罐20多万台，它们广泛应用于石油、石化、化工、医药、食品、航空、港口等行业和一亿多个家庭，属于工业生产和人民日常生活的重要基础设施和设备，涉及到国民经济与人民生活的各个领域。由于这些设备大多盛装着高温、高压、易燃、易爆或剧毒介质，一旦发生泄漏，往往并发爆炸、火灾或中毒等灾难性事故，造成人民生命财产的重大损失，并引起严重环境污染，社会影响恶劣。压力容器和大型常压储罐的安全关系到保障人民生命和财产安全，也关系到国家经济运行安全和社会稳定，是我国公共安全的重要组成部分。为确保其安全运行，二十世纪九十年代初，我国对大型常压储罐和压力容器均采取3到6年内必须定期停产开罐进行内外部全面检验的方式，对焊缝采取20%无损检测抽查，采用的无损检测方法为射线检测、超声检测、磁粉检测和渗透检测等常规无损检测方法，这些检验和检测方法存在如下很多缺点和不足：

1） 停产检验周期长、工作量大，检验与检修费用高；采用强制停产检验方式，检测结果表明许多容器无危及安全的缺陷或隐患，这就为用户带来不必要的停产损失；

2） 对压力容器进行的定期检验，一方面对焊缝进行抽查检验的盲目性大，易出现对严重缺陷的漏检，导致泄漏等安全事故时有发生；另一方面，一些“文革”期间制造的压力容器，存在大量的焊接超标缺陷，在进行全面开罐检验后，许多情况下难以对这些焊接超标缺陷进行处理，对容器报废或全面返修都不可能，只能进行缺陷安全评定，因此急需对缺陷进行快速活性识别和安全评价的技术；

3） 对于大型常压储罐的检验，主要采用停产、倒空、清罐、割板检查、修理和重新投运的传统方式，耗时长，工作量大，劳动强度高，而且经济成本高。以一台1万立方米的储罐为例，每次检验周期两个月以上，直接停产损失较大，清罐维修费用在50万元以上。

针对压力容器和常压储罐存在的上述难题，急需一种能快速发现活性缺陷并能进行不停产在线检测的技术。在国际上于二十世纪五十年代开始，于七十年代逐步成熟的声发射（Acoustic Emission，简称AE）检测技术刚好适用于探测材料在受载条件下内部出现裂纹的萌生和扩展的情况以及腐蚀损伤状况，并适合于大型结构件的快速动态检测监测和结构完整性评价。但在二十世纪九十年代初，国外对压力容器的声发射检测只有检测方法标准，没有检测结果的分级与评价方法和标准，国内为空白；对于大型常压储罐罐底腐蚀的声发射检测，国内外的检测标准均为空白。自九十年代开始，中国特检院组织全国十多家大专院校、科研院所、压力容器检验机构和企业，分别承担国家“八五”、“十五”科技攻关计划专题和国家社会公益项目，系统开展了压力容器和大型常压储罐的声发射检测技术研究、标准研制、人员培训和推广应用工作。

2　主要成果

1）研究建立了金属压力容器和大型常压储罐声发射检测及安全评价方法与标准体系，制定了6项国家或行业技术标准，填补了国内空白，其中常压储罐方面填补了国际空白。

（1）“八五”国家科技攻关课题《在役压力容器危险性缺陷声发射监测检测评估技术研究与设备研制》（鉴定证书号：劳鉴字1995第25号）：提出了以时差定位源为主要判据的压力容器表面裂纹和深埋裂纹的声发射信号鉴别方法；国际上首次提出声发射源分别按强度、活性分类和综合状态等级分级的方法，并给出了特征参数的范围；编写了《金属压力容器声发射检测及结果评定方法》标准草案。该成果于1995年12月经劳动部组织的专家组鉴定，总体达到国际先进水平。

（2）“十五”国家科技攻关课题《压力容器在线检测关键技术研究》（成果登记号：G2006-307）：通过对我国压力容器常用钢材和实际大型典型压力容器进行声发射试验和检测应用，获取了裂纹扩展、焊接缺陷开裂、残余应力释放、支座摩擦、氢鼓包破裂、氧化皮剥落、泄漏、电噪声等各种典型的声发射信号数据；通过对这些信号进行特征参数与波形分析、特征提取和模式识别，提出了压力容器声发射在线检测声发射源性质识别的新方法。该成果于2006年7月经质检总局组织的专家组鉴定，压力容器在线检测声发射源性质的模式识别技术达到国际领先水平。

（3） 国家社会公益面上项目《大型储油罐安全检测技术研究与评价方法研究》（成果登记号：G2007-457）：通过对大型水池和实际大型储油罐进行声发射试验和检测应用，研究了液体介质和储罐底板的声发射信号传播、衰减与定位特性，获取了底板腐蚀、泄漏、内外部机械噪音、电子噪音等各种典型的声发射信号数据；通过对这些信号进行特征参数与波形分析、特征提取和模式识别，提出了大型常压金属储罐声发射检测及分级与评价方法，制定了《无损检测—常压金属储罐声发射检测及评价方法》标准，形成报批稿。该成果于2007年1月经质检总局组织的专家组鉴定，研究成果总体上达到了国际先进水平。

（4） 在上述科研成果的基础上，先后制定了如下6项声发射检测及评价方法国家或行业标准，填补了我国的空白，在检测结果分级和评价方面处于世界领先水平，其中常压金属储罐声发射检测及评价方法标准填补了国际空白：

① GB/T 18182—2000 金属压力容器声发射检测及结果评定方法

② JB/T 10764—2007 无损检测 常压金属储罐声发射检测及评价方法

③ JB/T 4730.9—XXXX 承压设备无损检测 第9部分：声发射检测（送审稿）

④ GB/T 12604.4—2005 无损检测 术语 声发射检测

⑤ GB/T 19800—2005 无损检测 声发射检测 换能器的一级校准

⑥ GB/T 19801—2005 无损检测 声发射检测 声发射传感器的二级校准

2）研究建立了金属压力容器声发射检测及结果评定方法，在世界上首次提出声发射源分别按强度、活性分类和综合状态等级分级的方法，将压力容器声发射检测结果按照活性和强度级别分为A、B、C、D、E和F六个级别，并首次提出有缺陷声发射源严重度级别的概念，给出了有缺陷声发射源严重度级别的具体评定方法。

在此标准制定前，国外只有美国机械工程师学会（ASME）制定了金属压力容器声发射检测的标准，但没有给出检测结果的分级方法和评价方法，GB/T 18182—2000国内外创造性地提出了金属压力容器声发射检测结果分级和评价方法，具体内容如下：

（1） 压力容器声发射源的活度分级方法：如果源区的事件数随着升压或保压呈快速增加时，则认为该部位的源具有强活性；如果源区的事件数随着升压或保压呈连续增加时，则认为该部位的源具有活性；如果源区的事件数随着升压或保压呈间断出现时，源的活度等级按照不同升压和保压阶段分别划分为非活性、弱活性、活性或强活性，表1为一次加压循环源的活度等级划分方法。

表1　一次加压循环声发射源的活度等级划分方法

（2） 压力容器声发射源的强度分级方法：源的强度Q可用能量、幅度或计数参数来表示。源的强度计算取源区前5个最大的能量、幅度或计数参数的平均值。源的强度划分参考表2进行，其中a，b值应由试验来确定，对于压力容器常用材料16MnR，a为40dB、b 为60dB。

表2　声发射源的强度划分方法

（3） 压力容器声发射源的综合等级分级方法：声发射源的综合等级划分按表3进行。

表3　压力容器声发射源的综合等级分级方法

（4） 有缺陷声发射源的严重度评定：综合分级为B级以上的声发射源部位需进行超声、射线、磁粉或渗透无损检测复验，如果发现有焊接缺陷存在，应对这些声发射源的严重程度进行评定。有缺陷声发射源的评定是根据声发射源的综合等级和缺陷的严重性级别确定有缺陷声发射源的严重度。缺陷严重性级别根据缺陷的尺寸和性质分别被划分为I、II、III、IV、V和VI级。有缺陷声发射源的严重度根据表4确定，评定为不严重的声发射源中的缺陷可以保留，评定为严重和很严重的声发射源中的缺陷必须予以消除，压力容器才能投入使用。

3）针对国内外常压金属储罐底板腐蚀声发射检测均无成熟方法和标准的现状，研究建立了常压金属储罐声发射检测及评价方法，世界上首次提出储罐底板基于时差定位分析的声发射源的分级方法和基于区域定位分析的声发射源的分级方法，并且给出了储罐底板腐蚀状况的评价方法。在世界上首次制定了大型常压储罐底板腐蚀的声发射检测及评价标准JB/T 10764—2007 《无损检测 常压金属储罐声发射检测及评价方法》。

本成果通过大量现场大型常压储罐声发射检测数据分析和开罐验证结果，世界上首次提出了储罐底板腐蚀基于时差定位分析的声发射源的分级方法和基于区域定位分析的声发射源的分级方法，分别见表5和表6。

表5　储罐底板腐蚀基于时差定位分析的声发射源分级方法

表5中的C值需通过采用相同的仪器与工作参数，对相同规格和运行条件的储罐进行一定数量的检测实验和开罐验证实验来取得。目前，通过已进行声发射检测应用的储罐发现C值一般为3～6之间。

表6　储罐底板腐蚀基于区域定位分析的声发射源分级方法

表6中的K值需通过采用相同的仪器与工作参数，对相同规格和运行条件的储罐进行一定数量的检测实验和开罐验证实验来取得。目前，通过已进行声发射检测应用的储罐发现K值一般为300～500之间。

4）针对国内外压力容器声发射检测均不能给出源的性质、必需采用其它常规无损检测方法复验这一难题，研究建立了金属压力容器基于参数与波形分析、特征提取和模式识别的声发射在线检测源性质识别的新方法，实现了对压力容器上裂纹扩展、焊接缺陷开裂、残余应力释放、机械摩擦、氧化皮剥落、泄漏、电子噪声等各种典型的声发射源性质的模式识别，从而实现了对压力容器进行在线声发射检测和安全评价，达到国际领先水平。

由于声发射检测结果只能给出声发射源的部位，不能给出声发射源的性质，而压力容器上产生声发射信号有很多种干扰源，因此，声发射源的部位是否存在超标缺陷，需要由超声、射线、磁粉、渗透等常规无损检测方法进行复验，而对于在线运行的压力容器，大部分情况下是无法进行常规无损检测方法复验的，因而大大限制了声发射技术在在线压力容器检验中的应用。

本成果通过系统对我国压力容器常用钢材16MnR、15CrMo、2-1/4Cr1Mo和实际大型典型压力容器进行声发射试验，得到了压力容器常用钢材声发射源的产生机理，获取了裂纹扩展、残余应力释放、支座摩擦、氢鼓包破裂、氧化皮剥落、泄漏、电子噪音等各种典型的声发射信号波形，通过对这些波形信号进行波形分析和特征提取，克服了压力容器声发射信号中活性缺陷产生的声发射信号的识别技术难题，提出了对压力容器声发射在线检测中声发射源性质进行模式识别的新方法，从而实现了对压力容器进行在线声发射检测和安全评价，具体内容如下：

（1） 通过分析研究声发射信号参数的关联图，提出了能量与持续时间的关系式：

并测定了压力容器多种声发射源的n、a、b和c值，从而提出了识别压力容器检测过程中介质泄漏和电子干扰产生的声发射噪音信号的方法。

（2） 提出了采用特征矢量映射和Fisher对偶映射相结合的新的模式识别分析方法，对现场压力容器各种声发射源信号特征参数进行了模式识别分析，这一方法可以成功地识别裂纹扩展、焊接缺陷开裂、残余应力释放和机械摩擦产生的声发射信号。这一方法还可以对焊接缺陷、保温支撑、裙座角焊缝和支柱角焊缝部位产生的复合声发射信号源的机制给出新的解释。由此，使声发射技术对压力容器安全状态的无损评价成为可能。

（3） 在统计模式识别分析的基础上，采用人工神经网络技术对现场压力容器声发射源信号特征参数进行了模式识别分析，通过采用真实压力容器产生的声发射信号源和大样本数据进行培训，得到的人工神经网络可以对现场金属压力容器声发射源性质进行成功的模式识别，成功率在80%以上。这一结果突破了前人采用声发射信号参数不能进行有效声发射源性质模式识别的结果。

（4） 提出了采用人工神经网络对金属压力容器声发射源机制进行定量分析的概念，从而找到了一种对声发射源严重度进行定量分析的新方法。设计和培训的BP网络可以给出一个声发射源中裂纹扩展、氧化夹渣物断裂、残余应力释放和机械摩擦信号所占的比率。

3　应用情况

1）本项目制订的5项标准，已正式发布实施，在全国推广应用。

2）通过本项目的实施，为全国60多个检验机构培养了23名高级（III级）和512名中级（II级）声发射检测人员，他们每年开展压力容器和大型常压储罐声发射检测3～5千台，为企业排除了大量安全生产隐患，减少了巨大的停产损失。该技术的应用为企业解决了金属压力容器和大型常压储罐在线检测与安全评价的技术难题，既可及时发现和排除安全隐患，为生产安全提供技术保障，也可延长设备的运行周期，为企业带来可观的经济效益和社会效益。仅对大庆炼油厂、燕山石化、镇海炼化、华北制药、江西铜业等15家企业开展的500多台压力容器和大型常压储罐声发射检测应用进行统计，就为他们减少了近10亿元的停产损失，应用证明基本情况见表7。

表7　

应用单位名称　应用技术　应用起止时间　经济效益/万北京东方石油化工有限公司有机化工厂　压力容器在线检测关键技术　2001.3～2007.6　6200中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司化工一厂　压力容器在线检测关键技术　2002.3～2007.6　8000石家庄炼油化工股份有限公司　压力容器在线检测关键技术　2002.3～2007.6　6000华北制药股份有限公司　压力容器在线检测关键技术　2002.3～2007.6　3000中石化镇海炼化分公司　压力容器在线检测关键技术　2002.3～2007.6　5000中石化镇海炼化分公司　大型储罐群基于风险的检验与综合安全评价技术　2006.3～2008.12 　1200中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司大型储罐群基于风险的检验与综合安全评价技术　2006.3～2009.3　6000中石化广州分公司　大型储罐群基于风险的检验与综合安全评价技术　2006.3～2008.12 　1500中国石油大庆石化分公司　大型储油罐安全检测技术与评价方法　2005.3～2009.5　2100中国石油大庆炼化分公司　大型储油罐安全检测技术与评价方法　2005.3～2009.5　2300中国石油天然气股份有限公司克拉玛依石化分公司大型储罐群基于风险的检验与综合安全评价技术　2006.3～2008.12 　1600江铜集团贵溪冶炼厂　大型储油罐安全检测技术与评价方法　2005.6～2006.7　3000江铜集团化工有限公司　大型储油罐安全检测技术与评价方法　2006.4～2006.9　2000中国石油化工股份有限公司江西石油分公司大型储油罐安全检测技术与评价方法　2005～2006　2540合计　107540

成果获得2010年度国家科学技术进步二等奖。

获奖单位：中国特种设备检测研究院、大庆石油学院、清华大学、中国科学院金属研究所、江西省锅炉压力容器检验检测研究院、河北省锅炉压力容器监督检验院

获奖人员：沈功田、李邦宪、戴 光、刘时风、林树青、李光海、黄 毅、胡 智、张 健、段庆儒、王 勇、闫 河、刘德宇、景为科、周裕峰

Acoustic Emission Testing and Safety Evaluation Technology and Application on Metallic Pressure Vessels and Atmospheric Tanks

Shen Gongtian
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

“Acoustic emission testing and safety evaluation technology and application on metallic pressure vessels and atmospheric tanks” item obtained the 2010 national science and technology level 2 award. The main contents of this item include core research results from three national science and technology program tasks. Based the contents of “Recommendation of national science and technology award”, this paper reviews the background, main research results and applications of this item. The main research results include putting forward acoustic emission testing and result evaluation methods on metallic pressure vessels and atmospheric tanks, raising recognition methods of source properties of acoustic emission on-line testing on metallic pressure vessels based on parameters and waveform analysis, feature extraction and pattern recognition, and establishing the standard system of acoustic emission testing and safety evaluation methods on metallic pressure vessels and atmospheric tanks.

Metallic pressure vessels Atmospheric tanks Acoustic emission Safety evaluation

X924.2

B

1673-257X（2016）07-0001-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.07.001

沈功田（1963～），男，博士，研究员，从事特种设备无损检测新技术研究工作。
（

2016-07-11）