基于聲發(fā)射技術(shù)的化工容器檢測(cè)研究

陳慧媛

（青海大學(xué) 化工學(xué)院，西寧 810016）

0 引言

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)作為一種新的無(wú)損檢驗(yàn)方法，被廣泛應(yīng)用于石油化工、電力、材料試驗(yàn)、民用工程、航空航天、金屬加工等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。將聲發(fā)射在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)引入化工容器檢測(cè)工作中來(lái)，可以在不對(duì)聲發(fā)射源部位進(jìn)行常規(guī)無(wú)損檢測(cè)復(fù)驗(yàn)的情況下，直接給出聲發(fā)射源的性質(zhì)及危險(xiǎn)程度，能有效避免人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)，防止拆裝檢修過(guò)程中的人為差錯(cuò)，大大提高化工容器檢測(cè)的安全系數(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。[1]國(guó)外于20世紀(jì)60年代初就開(kāi)始了此類(lèi)研究上作，目前在石油化上、天然氣和核能等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用；國(guó)內(nèi)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)最近20年有了飛速的發(fā)展，在航空航天及巖石大壩等領(lǐng)域取得成功的應(yīng)用和推廣，但在化工容器檢測(cè)領(lǐng)域還有待進(jìn)一步研究和推廣。

1 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)及化工容器在線(xiàn)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)

聲發(fā)射是材料中局域源能量快速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，有時(shí)也稱(chēng)為應(yīng)力波發(fā)。聲發(fā)射源分為兩類(lèi)，在應(yīng)力作用下直接與變形和斷裂機(jī)制有關(guān)的彈性波發(fā)射源為通常意義上的聲發(fā)射源；流體泄漏、摩擦、撞擊、燃燒等與變形和斷裂機(jī)制無(wú)直接關(guān)系的彈性波發(fā)射源被稱(chēng)為二次聲發(fā)射源。化工容器無(wú)損檢測(cè)一般應(yīng)用二次聲發(fā)射源。

聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用在化工容器在線(xiàn)檢測(cè)中主要優(yōu)點(diǎn)有：

1）對(duì)化工容器完整性無(wú)影響，不需拆卸，通過(guò)布置高靈敏度的傳感器在閥體外部，判定化工容器內(nèi)部是否泄漏；

2）檢測(cè)方便，不影響正常的生產(chǎn);結(jié)果直觀，可直接定量，測(cè)出化工容器泄漏量；

3）對(duì)被檢化工容器的接近要求不高，可用于難于或不能接近的環(huán)境下檢測(cè)，如高低溫、核輻射、易燃、易爆或毒性等環(huán)境；

4）保證設(shè)備安全運(yùn)行，減少環(huán)境污染和降低檢維修成本。

2 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在化工容器檢測(cè)中的應(yīng)用

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)化工容器檢測(cè)中已得到初步運(yùn)用，主要運(yùn)用在化工壓力容器管道和閥門(mén)泄漏在線(xiàn)檢測(cè)，在其他方面也有著廣闊的應(yīng)用前景。本文以Z44Y-320型高壓截止閥泄露聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)為例，簡(jiǎn)要介紹聲發(fā)射技術(shù)在化工容器在線(xiàn)檢測(cè)中的應(yīng)用。

2.1 檢測(cè)原理

高壓截止閥(Z44Y-320)是天然氣注氣間工藝管線(xiàn)的重要部件，其安全性直接影響整個(gè)注采系統(tǒng)。目前，常規(guī)檢驗(yàn)方法是對(duì)高壓截止閥進(jìn)行耐壓及密封性試驗(yàn)，但對(duì)其整體安全性的評(píng)價(jià)做得較少。可利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)閥體做監(jiān)測(cè)與應(yīng)力測(cè)定試驗(yàn)。

當(dāng)管道和閥門(mén)的嚴(yán)密性較差時(shí)，會(huì)有少量汽或水經(jīng)閥瓣和閥座之間的縫隙噴射而出，產(chǎn)生高速射流，由此產(chǎn)生的聲發(fā)射波是連續(xù)的，信號(hào)比較強(qiáng)烈，幅度大小與泄漏速率成正比。彈性波會(huì)沿著閥體傳播到材料的表面，引起可以用聲發(fā)射傳感器探測(cè)的表面位移，探測(cè)器由于壓電效應(yīng)會(huì)將材料的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后被放大、處理和記錄。對(duì)記錄的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析和判斷，可以掌握閥門(mén)的泄漏情況。[2]聲發(fā)射檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射檢測(cè)原理圖

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)

閥門(mén)泄漏聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、前置放大器、主放大器及濾波器等硬件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)信號(hào)采集系統(tǒng)和存儲(chǔ)顯不分析系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 聲發(fā)射在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

目前在化工容器閥門(mén)泄露檢測(cè)中應(yīng)用較廣的在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)為美國(guó)PAC公司生產(chǎn)的5120型閥門(mén)泄漏聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)制成的，將彈性波轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)沿信號(hào)線(xiàn)傳輸?shù)綑z測(cè)儀。[3]噪聲信號(hào)的電壓一般很低，信號(hào)微弱，長(zhǎng)距離傳輸，信噪比必然降低，在主傳感器后設(shè)置前置放大器，提高信噪比。主放大器為二級(jí)放大，主要為提高整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。在整個(gè)聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程，信號(hào)比較復(fù)雜，有機(jī)械噪聲和電噪聲等，設(shè)置濾波器可避免噪聲對(duì)閥門(mén)泄漏信號(hào)的影響，濾波器的工作頻率是根據(jù)環(huán)境噪聲及閥門(mén)泄漏噪聲的頻率特性來(lái)確定，通常中心頻率在40HZ左右。

圖3 5120型聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)

2.3 檢測(cè)過(guò)程與實(shí)例

2.3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1）利用兩個(gè)焊好盲板的帶頸法蘭及透鏡墊圈，密封截止閥兩側(cè)法蘭，連接盲板上的接管與液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)液壓管，以做靜態(tài)液壓試驗(yàn)及液壓疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)主要由注油泵、倍壓器、控制柜等組成。為了減少閥內(nèi)容積，保證液壓加載速度，在閥內(nèi)裝入一直徑為40 mm的圓鋼。

2）為了在靜壓試驗(yàn)過(guò)程和液壓疲勞試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行聲發(fā)射在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，使用2通道聲發(fā)射檢測(cè)分析系統(tǒng)(5120, U SA)。

3）在閥門(mén)殼體上，選擇10個(gè)典型部位粘貼電阻應(yīng)變片，以進(jìn)行縱向與橫向的應(yīng)變測(cè)量。采用YJD-17型動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀與20點(diǎn)接線(xiàn)箱。

4）在閥門(mén)殼體上布置14個(gè)聲發(fā)射傳感器。為檢驗(yàn)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，以及檢驗(yàn)閥門(mén)的各個(gè)部位是否處于儀器系統(tǒng)所設(shè)置的線(xiàn)定位區(qū)域以?xún)?nèi)，在開(kāi)始疲勞試驗(yàn)前，對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，每隔1小時(shí)重復(fù)這一步驟，以保證儀器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)閥門(mén)監(jiān)測(cè)的有效性。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1）靜壓油壓試驗(yàn)，壓力為0～35 MPa；

2）液壓疲勞至 5 432次后做靜壓油壓試驗(yàn)，壓力為0～35MPa；

3）液壓疲勞至1萬(wàn)次后做靜壓油壓試驗(yàn)，壓力為0～38MPa；

4）應(yīng)變測(cè)量，井推算出各測(cè)量點(diǎn)的相當(dāng)應(yīng)力，以評(píng)定閥門(mén)的安全性；

5）連續(xù)的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，以評(píng)定閥門(mén)材料中是否有明顯的活動(dòng)性缺陷及閥門(mén)的完整性。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表1 第10測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力值（MN/m2）

在試驗(yàn)過(guò)程中，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒(méi)有記錄到有效聲發(fā)射信號(hào)，儀器的參量同前，而且也沒(méi)有背景噪聲信號(hào)的干擾。試驗(yàn)結(jié)果表明：在整個(gè)連續(xù)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)明顯的材料缺陷活動(dòng)和由于微泄漏而產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。最大的當(dāng)量應(yīng)力值為83.23 MN/m2，低于材料的許用當(dāng)量應(yīng)力值，可以認(rèn)為閥門(mén)的完整性較好[4]。

3 結(jié)束語(yǔ)

閥門(mén)的在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)在已逐步成為熱點(diǎn)。根據(jù)實(shí)踐，聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于閥門(mén)在線(xiàn)檢測(cè)中，可減少約25%的不必要浪費(fèi)，彌補(bǔ)了常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法在閥門(mén)檢驗(yàn)中的空白。然而，閥門(mén)聲發(fā)射檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在還沒(méi)有出臺(tái)，受設(shè)備和檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)等的影響，微量泄漏檢測(cè)靈敏度也需要提高。因此，還需要在實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，建立起強(qiáng)大的閥門(mén)泄漏聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，以便該檢測(cè)方法的廣泛應(yīng)用。

[1] 徐彥廷,劉富君,王亞?wèn)|.大型立式儲(chǔ)罐綜合檢測(cè)技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè),2007,29(8):482-485.

[2] 方學(xué)鋒.基于聲發(fā)射技術(shù)的閥門(mén)泄漏在線(xiàn)檢測(cè)方法[J].化工機(jī)械,2007,34(1):52-54.

[3] 徐彥廷,王亞?wèn)|,劉富君,姚舜剛.聲發(fā)射技術(shù)在探測(cè)儲(chǔ)罐底板泄漏位置中的應(yīng)用[J].無(wú)損檢測(cè),2007,29(9):506-508.