基于声发射技术的锅炉压力容器检测分析

郭金国(六安市特种设备监督检验中心，安徽 六安 237161)

0 引言

在生产与生活中，锅炉压力容器作为一种特种设备有着广泛的应用，与我国社会经济的飞速发展相伴随，锅炉压力容器数量同样呈现出日益增多之势，不仅如此，使用范围也在逐渐扩大，很多锅炉压力容器都运行于苛刻的工况条件下，例如高温、高压、深冷、频繁启动等等，受此影响，锅炉压力容器有时会面临一定的爆炸风险。对锅炉压力容器进行检验，其实就是判断其能否适应实际的运行条件，既有缺陷是否出现了进一步的扩展以及是否有新的缺陷产生，根据判断的结果采取应对措施，达到将安全隐患消除、为锅炉压力容器安全使用提供保证的重要目的[1]。所以，运用现代化检测检验技术做好锅炉压力容器的检测工作尤为重要，能够为锅炉压力容器的安全与可靠运行提供保证，发挥出保护人民生命财产安全的重要作用。

一些常规意义上的无损检测方法只可以对具有“静态”特点的缺陷进行检测，但是相对而言，发展中的缺陷对于锅炉压力容器形成的威胁要更大。声发射检测技术基于现代化电子处理技术的强力支持，对一些声信号进行采集和分析，在此基础上将被检测工件缺陷的“动态”信息确定下来。检测作业人员在执行锅炉压力容器检测任务之时，对声发射技术的有效应用能够大幅度降低检测探伤时间与人力成本，对探伤作业的高效与可靠完成以及生产效益的提升具有不容忽视的积极意义。

1 声发射技术原理与锅炉压力容器声发射检测信号

1.1 声发射技术原理

在对一个压力容器施加压力以后，容器的壁面会有相应的拉应力、压应力或者是剪切应力出现，与施加压力的不断增加相伴随，容器壁面的这些应力同样呈现出不断增加之势。在其增大到某一极限值时，从微观层面上来看，晶体材料会有非常多的位错运动产生，而从宏观层面上来看，压力容器的材料会失效，并有变形现象出现。

实际上，位错运动是出现滑移现象的原过程，在具体的运动过程中，若是位错遇到不能越过去的障碍物，便会被迫性地将其原有的运动停止，并在堆积的过程中出现位错堆积的状况。与堆积的位错数量的不

断增加相伴随，在其达到一定程度以后，又会有附件晶粒位错源开动的现象出现，进而导致形变或是开裂，这时，材料局部源会将一定的能量释放出去，并由此产生瞬态弹性波，这便是声发射。对声发射检测技术原理进行分析，可以作以下较为简单的概括：对声发射源释放出的弹性波在结构中传播过程中携带的丰富结构或是材料缺陷信息加以利用，借助于仪器执行对声发射信号的检测、记录与分析任务，同时，对设备存在的缺陷作相应的判断。整体而言，声发射技术可以对处于发展状态下的缺陷进行检测，其信号以缺陷本身为来源，这意味着此技术能够有效地将缺陷的活动性以及严重性确定下来[2]。

1.2 锅炉压力容器声发射检测信号

(1)裂纹扩展。在一些锅炉压力容器中，焊缝上表面和内部深埋的位置有时会出现裂纹，若是这些裂纹尖端进一步出现塑性形变钝化或扩展现象，经声发射技术检测会有相应的声发射信号产生，此即裂纹扩展信号。

(2)焊接缺陷开裂。在部分锅炉压力容器的焊缝内，会或多或少地存在气孔、夹渣、未熔合等缺陷，若是这些缺陷进一步开裂与扩展，由此生成的声发射信号即为焊接缺陷开裂信号。

(3)机械摩擦。锅炉压力容器外部很多部件都有可能产生机械摩擦声发射信号，不仅如此，立式锅炉压力容器的裙座与卧式锅炉压力容器的马鞍形支座都通过垫板对容器的壳体与支撑板进行连接，通常情况下，垫板和容器壳体会对全部或是部分角焊缝焊接的方式加以采用，在进行加压作业时，由于垫板和壳体的不一致膨胀而导致的摩擦会有很多的声发射信号产生。

(4) 泄漏。在进行气压或水压试验的过程中，如果位于锅炉压力容器上的接管、法兰、人孔或缺陷穿透位置存在泄漏问题，会有很多泄漏型声发射信号出现。

(5)氧化皮剥落。对于钢制的锅炉压力容器而言，其在长时间使用以后，不管是内部还是外部，都很容易有氧化现象产生，有的时候，内部介质会受到严重的腐蚀，而容器外部同样会在潮湿、酸雨以及海风等气候条件下出现严重腐蚀的现象，在进行水压试验时，氧化皮会在破裂与剥落过程中出现很多的声发射信号。

(6)电子噪声。受到探头信号线短路、传输电缆线短路以及前置放大器自激发等相关因素的影响，都有可能出现很多的电子噪声信号[3]。

2 锅炉压力容器声发射检测系统

对锅炉压力容器声发射检测原理进行分析，可主要作如下概括：运用耦合在容器表面上的传感器，在采集到的材料内部声发射源产生瞬态弹性波之后，对其进行转换，用电信号的形式表示出来。之后，执行对声发射信号各种特征参数的采集与分析任务，将锅炉压力容器内部的缺陷状态和严重程度明确下来。通常，锅炉压力容器都会在出厂时接受耐压试验，此时可以对升压与保压环节的声发射信号进行采集与分析，判断是否有泄漏、活性确实等状况存在[4]。

3 锅炉压力容器泄漏声发射检测实例

基于对锅炉水压试验规程中具体内容的参考，针对SZL10-1.25-A II 型号锅炉压力容器实施水压试验，在此过程中，利用声发射技术对其进行检测，此锅炉压力容器额定蒸发量、蒸汽压力、蒸汽温度分别为10 t/h、1.25 MPa 以及194 ℃，所用燃料为II 类烟煤。对水压试验声发射信号进行采集。

3.1 锅炉压力容器泄漏声发射检测过程

采用SAMOS 型48 通道声发射仪，执行声发射检测任务，所用传感器为DP15I，基于对声发射逐点检测方法的运用，按照等间距方式在锅炉压力容器上锅筒轴向进行多个传感器的均匀布置。另外，在其右侧封头圆周方向，同样等间距布置多个传感器。从数量上看，锅筒轴向与右侧封头圆周方向传感器个数分别为5 个和4 个，可以实现对各部位泄漏情况的实时监控。开始试验前，先将相关准备性工作做好，包括灵敏度测试与AE 信号衰减测量等，此外，逐一确定检测仪器的各个参数，主要如下：门槛值、预触发、模拟滤波、采样频率、采样点数、PDT、HDT 以及HLT 分别为43 dB、256 μs、100～400 kHz、1 MHz、2 K、1 000 μs、 2 000 μs 以及20 000 μs。

以加载曲线为依据，对水压试验过程进行划分，一为升压，一为保压，两个过程循环实施两次。利用声发射仪器对整个过程的声发射信号进行采集，同时，监测锅炉压力容器在试验环节的声发射源分布和活性情况。

3.2 分析与处理锅炉压力容器的声发射检测数据

通道1 与通道5 的幅度历程示意图，如图1 所示。

图1 通道1 与通道5 的幅度历程示意图

(1) 升压环节幅值分析。在第1 次升压过程中，锅炉压力容器有十分活跃的声发射信号，并将密集的AE 撞击信号产生出来。在压力持续加大的过程中，AE 信号幅度表现出线性增加的特点，在达到特定的临界值以后，又进一步与压力的持续加大相伴随而表现出平稳下降之势。究其原因，在于由0 开始逐渐将压力增大的过程中，打压进入的液体在较大程度上对锅炉压力容器造成不均匀的扰动；在压力持续性变大的过程中，压力容器内部压力的增长速度表现出逐渐减慢之势，与之相伴随，整个锅炉压力容器承受的压力也在慢慢趋近于稳定，扰动逐渐减少，AE 信号量也随之而降低。另外，对两个通道进行比较，通道5 的信号幅度较之通道1 而言明显要高出不少，对其原因进行分析，主要在于通道5 处在升压进液口附近的位置，在升压的过程中，通道5 受到的信号干扰最为明显，因此其接收的AE 信号较之通道1 而言有着更大的幅度。

当锅炉压力容器处在第2 次升压环节时，与第1 次升压相较，AE 信号量在第2 次升压环节明显要低，对该现象的原因进行分析，主要可归纳为两点：其一，第2 次升压起始于1.25 MPa，与起始于0 MPa 相较，第2 次升压锅炉内的压力增加已经趋于平缓，压力的增加速度逐渐减慢，干扰信号亦随之而逐渐减少；其二，锅炉压力容器本身存在凯撒效应，对第二次加压和第一次加压进行比较，第二次加压的最高压力会变小，这会让材料结构变形现象相对稳定，在此因素的影响下，材料变形应力释放出的AE 信号也会少一些。

(2)保压环节幅值分析。进入保压环节以后，并没有外界扰动信号进入，因此若是不存在活性缺陷，就不会有AE 信号产生(除了噪声之外)，通过对该环节各通道接收到的AE 信号进行分析，便能初步确定下来锅炉压力容器的缺陷状态。

对两次保压过程通道1 与通道5 的幅度历程进行分析能够知道，1 号通道的AE 信号量较之5 号通道而言明显要更多，从1 号通道一直到5 号通道，AE信号量以及幅度均有一个比较明显的递减特征表现出来，原因就在于AE 信号传播存在衰减的问题。另外，第2 次保压环节产生的AE 信号无论是在幅度还是在密度上，较之第1 次保压而言都明显要高一些，根据这两个现象能够做出初步的判断，即1 号通道附近的位置有泄漏的缺陷存在。

前文已经提及，泄漏、裂纹扩展、机械摩擦以及电子噪声等都是锅炉压力容器的典型声发射信号，在这些信号中，机械摩擦与电子噪声都属于具有稳定性的AE 源，它们产生的AE 信号在整个试验的进行中始终存在[5]。但是，裂纹扩展等属于锅炉压力容器的内部缺陷，在升压过程中，AE 信号是典型的突发型信号[6]，以凯撒效应为依据，也就是在反复多次对材料进行卸加载试验时，在超过之前施加的应力以前，材料并不会出现能够探测到的声发射。不过，通过此次试验发现，在第2 次升压和保压环节都有比较多的AE 信号出现，相对于第1 次保压而言，第2 次保压在1 750 s 时有密集度更高的AE 聚集信号出现，幅值亦比较高，这明显与凯撒效应不相契合。

另外，基于对裂纹扩展机理的遵循，在第1 次保压环节，裂纹在扩展的过程中已经对积累的能量进行了释放，就算是在第2 次保压环节，因为载荷大于临界值，或是缺陷的活性比较强，再一次的出现了扩展的情况，基于载荷与加载时间一致的保持，并没有让其产生活度更大的能量来源，因而较之第1 次保压环节产生的信号，此次保压缺陷信号的幅值以及聚集程度均要小一些。出于对加载压力波动以及现场工况条件的考虑，两次加载的信号应该不会有很大的区别，但是目前的实际情况是，第2 次保压信号的幅值较之第1 次保压而言明显要大得多，这显然和理论并不相符。对上述两个方面的因素进行综合，基本上能够将此信号来源是裂纹类缺陷的结论排除。对泄漏的成因以及现象进行综合分析，因为一次加载使得泄漏点将阻塞冲破，在之后连续性的加载循环之中，泄漏的孔径变大，使得第2 次保压信号较之第1 次保压信号要更大这一现象是完全有可能发生的。

(3)波形频谱分析。如图2 所示。为保压环节通道1 接收到的AE 信号波形图以及频谱图。根据该图能够知道，此信号属于连续型的信号，频谱有着比较宽的分布范围，特点较之泄漏产生的AE 信号存在着一致性。另外，对频谱图进行观察能够知道，在250 kHz的附近位置有异常峰值出现，不仅如此，2 号通道同样有此类现象出现，但较之1 号通道而言该现象要弱一些，其他通道则没有这一现象发生。结合升压环节幅值的分析能够知道，1 号通道附近的位置有泄漏缺陷存在。

图2 保压环节通道1 的AE 信号波形频谱图

在结束声发射技术检测作业以后，以声发射信号的分析结果为参照，进一步执行对通道1 附近位置的复查，发现在通道1 与通道2 之间，与通道1 更为接近的位置确实有锅炉压力容器泄漏缺陷存在，应用声发射技术对锅炉压力容器泄漏缺陷进行检测的可行性以及准确性得以验证。

4 结语

在锅炉压力容器的检测上，声发射技术的应用前景非常广阔，与技术的日益完善、仪器的不断升级以及检测技术的愈发标准化相伴随，锅炉压力容器检测作业的开展效率越来越高，全面性与可靠性也愈发得到保证，可以为容器的安全及正常运行提供重要保证。在工艺以及检测水平不断提升的背景下，生产单位在生产安全上的保障也愈发完善，这对经济效益以及社会效益的提升有着显著的积极意义。文章通过具体的实例验证了声发射技术在检测锅炉压力容器泄漏缺陷方面的可行性和准确性，得到如下结论：(1)将声发射检测技术应用于锅炉压力容器泄漏缺陷的检测中时，因为锅炉压力容器本体及其附属结构非常复杂，要想精确定位泄漏位置存在较大的难度，因此需要对逐点监测方法加以采用，必要时需要在锅炉压力容器上进行传感器的布置，执行局部检测任务，本次检测实例对此方法的可行性以及准确性加以验证；(2) 在水压试验升压环节有比较多的AE 扰动信号，不过保压环节的AE 信号则更多地表现出干净平稳的特点，因此实际检测工作的进行需要对保压环节AE 信号给予较多关注，升压环节检测可以为缺陷的判断发挥一定的辅助作用；(3) 通过比较保压环节各个通道的AE 信号量以及幅度，能够将泄漏缺陷的大致位置确定下来。