聲發射檢測的一次升壓信號分析

張曉斌，王春強，李建勛，朱政果，黃 健，黃 就

（1.廣西區特種設備監督檢驗院，南寧 530219；2.廣西區崇左市質量技術監督局，崇左 532200）

聲發射技術作為一種新的無損檢測方法，目前已被應用在石油、化工、橋梁、金屬成形等行業，但應用最廣泛的對象當屬各行業中的壓力容器檢測。我國目前將聲發射技術用于壓力容器的安全檢測，主要是通過對容器在承壓下的聲發射信號監測（是否測得信號和信號的強弱）來判別壓力容器上是否存在活性缺陷以及缺陷的位置［1］。

聲發射信號的識別一直是聲發射檢測技術的研究熱點，但目前更多地是關注信號處理方法、噪聲剔除及識別技術等方面的研究，而對檢測過程的研究較少。文獻［2］給出了聲發射信號簡化波形特征參數的定義和分析方法，包括列表顯示和分析、單參數分析、經歷圖分析、分布圖分析和關聯圖分析等；文獻［3］研究了能量累計值在壓力容器聲發射檢測中的應用；還有一些文獻使用了小波分析、人工智能及獨立分量等方法進行各種聲發射信號的識別技術研究［4－6］。聲發射檢測過程一般分成升壓和保壓階段，因為升壓過程受到外界的影響很大，所以不管是在標準中，還是在實際應用中，技術人員更多是把目光關注在保壓階段的聲發射信號。但在升壓過程中，特別在首次升壓過程中，隨著壓力的升高，可能會導致活性缺陷的擴展，產生含有豐富的缺陷信息，因此研究首次升壓過程中的聲發射信號，對發現缺陷具有重要意義。文章將通過聲發射信號產生機理和檢測實例，驗證在首次升壓過程中聲發射信號研究的重要性，研究成果可供相關技術人員參考。

1 國家標準簡單介紹

聲發射技術現行的主要評價依據是國家標準GB／T 18182—2000《金屬壓力容器聲發射檢測及結果評價方法》［1］，在此標準中給出了詳細檢測及評價方法。

由標準中對源活度劃分方法可以知道，在二次加壓循環四個階段中，只在一個階段出現聲發射信號的都判為非活性；出現二次聲發射信號的，只有當都在保壓階段出現聲發射信號的才判為活性，其他都判為弱活性；出現三次聲發射信號的，都判為活性；當四個階段都出現聲發射信號，判為強活性。

通過以上統計可看出：當在四個階段只出現一次聲發射信號時，判為非活性；另在有兩次聲發射信號中，當兩個信號都出現在保壓階段時，判為活性。

由此可知：在標準中對只出現一次的聲發射信號認為對設備的影響較弱；其次是保壓階段的聲發射信號更加重要。上述結論符合凱塞爾效應，值得重點認同，但在具體的檢測過程中，還應對升壓過程中的聲發射信號波形及其他參數進行重點研究，特別是首次升壓信號，才可以避免檢測結果偏差。

2 一次升壓聲發射信號產生機理分析

壓力容器中最危險的缺陷是裂紋，裂紋的產生可分為三個階段，即疲勞應力集中源、微觀裂紋萌生及宏觀裂紋擴展。由于某種原因，導致在焊縫區域存在一個應力集中源，當受到周期載荷時，在“擠出擠入”機制作用下，形成微觀裂紋，即裂紋萌生階段，這時應力集中部位的金屬材料產生塑性變形；當在外力的繼續作用下，最后微觀裂紋發展為宏觀裂紋，即裂紋擴展。以此為一個循環周期，開始進入下一個裂紋擴展周期，最后形成一條宏觀裂紋。在裂紋的形成過程中，只在當裂紋擴展那一瞬間產生一個突變聲發射信號，而在微觀裂紋形成階段，即在金屬的塑性變形階段是不產生聲發射信號的。

當對在役壓力容器進行聲發射檢測過程中，一次升壓一般都是超過工作壓力的，當壓力容器存在裂紋缺陷，受到強大外力作用下，在前期長時間疲勞壓力的作用基礎之上，很容易導致裂紋的擴展，從而產生聲發射信號；而在聲發射檢測的后三個階段，由于裂紋的擴展是有周期的，需要一定時間的積累，往往不表現出有聲發射信號的特征。如裂紋在其他三個檢測階段發生擴展，那設備已經非常危險了，同時也非常容易檢測出來。但通常的情況是后三個階段沒有聲發射信號，根據標準往往容易忽略其潛在的裂紋擴展危險。

通過上述裂紋形成、擴展及產生聲發射信號的機理可知，在聲發射檢測過程中，首次升壓過程聲發射信號對判別缺陷具有十分重要的意義，應引起足夠的重視，要重點研究和識別。

3 檢測實例

某煉鋼廠有一臺640m3球罐，設備基本參數為φ1070mm×38mm；容積640m3；設計壓力2.1 MPa；材料16MnR；工作壓力1.5～1.6MPa；介質氮氣；設計溫度－19～60℃；2007年1月制造，2012年3月第一次全面檢驗。

聲發射檢測采用二次升壓。在第一次升壓過程中，在探頭1，4，5區域發現6個定位信號，源區內前五個定位信號的平均幅值71dB，按標準判定為A級，定位圖如圖1所示。

結合波形分析可知，波形上升時間200μs左右，撞擊計數一般在200以上，能量也在150以上。考慮到聲發射信號定位比較集中且撞擊計數和能量都較大，決定對該區域進行TOFD，X射線和A型超聲波復驗。

復驗結果如下：

（1）在X射線底片上看不到缺陷影像。

（2）TOFD掃查方向如圖2所示，得到如圖3所示圖譜，TOFD測出缺陷的深度為12.5mm，長度為13mm，缺陷自身高度為1.5mm。

圖1 聲發射檢測定位圖

（3）A超的結果如圖4所示，缺陷位置如圖5所示。由A超結果可知，缺陷當量為φ1mm×6mm＋23dB，缺陷位置的回波落在Ⅲ區。按標準，缺陷直接判為3級。

由A超結果，可以判斷為面狀缺陷，缺陷可能為未熔合。結合聲發射、A超、TOFD及X射線檢測結果，在一次升壓過程中，缺陷在長期疲勞載荷的作用下，可能有擴展。考慮到該公司無法立即進行缺陷的挖補和修復，最后檢驗結論為：監控使用一年，2013年3月再進行一次聲發射檢測，視檢測結果決定是否進行缺陷強制修復。

4 結論

聲發射檢測對設備的整體安全狀態可以作出快速的判斷，在按國家標準進行檢測時，不僅要關注保壓階段的信號，有時更應關注一次升壓信號，要結合一次升壓信號產生的定位聚類特點及產生定位聲發射信號的波形特點，考慮使用其他無損檢測方法加以復驗，確保設備安全運行。

［1］GB／T 18182—2000 金屬壓力容器聲發射檢測及結果評價方法［S］.

［2］沈功田，耿榮生，劉時風.聲發射信號的參數分析方法［J］.無損檢測，2002，24（2）：72－77.

［3］龔斌，齊輝，林偉，等.能量累計值在壓力容器聲發射檢測中的應用［J］.儀器儀表學報，2008，29（4）：609－612.

［4］金鑫，施展.基于小波的聲發射信號參數提取方法［J］.儀器儀表學報，2006，27（6）：347－348.

［5］Ding Y，Reuben R L，Steel J A.A new method for waveform analysis for estimating AE wave arrival times using wavelet decomposition［J］.NDT＆E International，2004，37（4）：279－290.

［6］李偉，蔣鵬.基于獨立分量分析的聲發射信號分離方法［J］.壓力容器，2008，35（5）：13－15.