聲發(fā)射檢測(cè)的一次升壓信號(hào)分析

張曉斌，王春強(qiáng)，李建勛，朱政果，黃 健，黃 就

（1.廣西區(qū)特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)院，南寧 530219；2.廣西區(qū)崇左市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，崇左 532200）

聲發(fā)射技術(shù)作為一種新的無(wú)損檢測(cè)方法，目前已被應(yīng)用在石油、化工、橋梁、金屬成形等行業(yè)，但應(yīng)用最廣泛的對(duì)象當(dāng)屬各行業(yè)中的壓力容器檢測(cè)。我國(guó)目前將聲發(fā)射技術(shù)用于壓力容器的安全檢測(cè)，主要是通過(guò)對(duì)容器在承壓下的聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)（是否測(cè)得信號(hào)和信號(hào)的強(qiáng)弱）來(lái)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(fā)射信號(hào)的識(shí)別一直是聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的研究熱點(diǎn)，但目前更多地是關(guān)注信號(hào)處理方法、噪聲剔除及識(shí)別技術(shù)等方面的研究，而對(duì)檢測(cè)過(guò)程的研究較少。文獻(xiàn)［2］給出了聲發(fā)射信號(hào)簡(jiǎn)化波形特征參數(shù)的定義和分析方法，包括列表顯示和分析、單參數(shù)分析、經(jīng)歷圖分析、分布圖分析和關(guān)聯(lián)圖分析等；文獻(xiàn)［3］研究了能量累計(jì)值在壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)中的應(yīng)用；還有一些文獻(xiàn)使用了小波分析、人工智能及獨(dú)立分量等方法進(jìn)行各種聲發(fā)射信號(hào)的識(shí)別技術(shù)研究［4－6］。聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程一般分成升壓和保壓階段，因?yàn)樯龎哼^(guò)程受到外界的影響很大，所以不管是在標(biāo)準(zhǔn)中，還是在實(shí)際應(yīng)用中，技術(shù)人員更多是把目光關(guān)注在保壓階段的聲發(fā)射信號(hào)。但在升壓過(guò)程中，特別在首次升壓過(guò)程中，隨著壓力的升高，可能會(huì)導(dǎo)致活性缺陷的擴(kuò)展，產(chǎn)生含有豐富的缺陷信息，因此研究首次升壓過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)，對(duì)發(fā)現(xiàn)缺陷具有重要意義。文章將通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理和檢測(cè)實(shí)例，驗(yàn)證在首次升壓過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)研究的重要性，研究成果可供相關(guān)技術(shù)人員參考。

1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)單介紹

聲發(fā)射技術(shù)現(xiàn)行的主要評(píng)價(jià)依據(jù)是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 18182—2000《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)及結(jié)果評(píng)價(jià)方法》［1］，在此標(biāo)準(zhǔn)中給出了詳細(xì)檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法。

由標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)源活度劃分方法可以知道，在二次加壓循環(huán)四個(gè)階段中，只在一個(gè)階段出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)的都判為非活性；出現(xiàn)二次聲發(fā)射信號(hào)的，只有當(dāng)都在保壓階段出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)的才判為活性，其他都判為弱活性；出現(xiàn)三次聲發(fā)射信號(hào)的，都判為活性；當(dāng)四個(gè)階段都出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)，判為強(qiáng)活性。

通過(guò)以上統(tǒng)計(jì)可看出：當(dāng)在四個(gè)階段只出現(xiàn)一次聲發(fā)射信號(hào)時(shí)，判為非活性；另在有兩次聲發(fā)射信號(hào)中，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)都出現(xiàn)在保壓階段時(shí)，判為活性。

由此可知：在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)只出現(xiàn)一次的聲發(fā)射信號(hào)認(rèn)為對(duì)設(shè)備的影響較弱；其次是保壓階段的聲發(fā)射信號(hào)更加重要。上述結(jié)論符合凱塞爾效應(yīng)，值得重點(diǎn)認(rèn)同，但在具體的檢測(cè)過(guò)程中，還應(yīng)對(duì)升壓過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)波形及其他參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究，特別是首次升壓信號(hào)，才可以避免檢測(cè)結(jié)果偏差。

2 一次升壓聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理分析

壓力容器中最危險(xiǎn)的缺陷是裂紋，裂紋的產(chǎn)生可分為三個(gè)階段，即疲勞應(yīng)力集中源、微觀裂紋萌生及宏觀裂紋擴(kuò)展。由于某種原因，導(dǎo)致在焊縫區(qū)域存在一個(gè)應(yīng)力集中源，當(dāng)受到周期載荷時(shí)，在“擠出擠入”機(jī)制作用下，形成微觀裂紋，即裂紋萌生階段，這時(shí)應(yīng)力集中部位的金屬材料產(chǎn)生塑性變形；當(dāng)在外力的繼續(xù)作用下，最后微觀裂紋發(fā)展為宏觀裂紋，即裂紋擴(kuò)展。以此為一個(gè)循環(huán)周期，開始進(jìn)入下一個(gè)裂紋擴(kuò)展周期，最后形成一條宏觀裂紋。在裂紋的形成過(guò)程中，只在當(dāng)裂紋擴(kuò)展那一瞬間產(chǎn)生一個(gè)突變聲發(fā)射信號(hào)，而在微觀裂紋形成階段，即在金屬的塑性變形階段是不產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的。

當(dāng)對(duì)在役壓力容器進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程中，一次升壓一般都是超過(guò)工作壓力的，當(dāng)壓力容器存在裂紋缺陷，受到強(qiáng)大外力作用下，在前期長(zhǎng)時(shí)間疲勞壓力的作用基礎(chǔ)之上，很容易導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展，從而產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)；而在聲發(fā)射檢測(cè)的后三個(gè)階段，由于裂紋的擴(kuò)展是有周期的，需要一定時(shí)間的積累，往往不表現(xiàn)出有聲發(fā)射信號(hào)的特征。如裂紋在其他三個(gè)檢測(cè)階段發(fā)生擴(kuò)展，那設(shè)備已經(jīng)非常危險(xiǎn)了，同時(shí)也非常容易檢測(cè)出來(lái)。但通常的情況是后三個(gè)階段沒有聲發(fā)射信號(hào)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)往往容易忽略其潛在的裂紋擴(kuò)展危險(xiǎn)。

通過(guò)上述裂紋形成、擴(kuò)展及產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的機(jī)理可知，在聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程中，首次升壓過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)對(duì)判別缺陷具有十分重要的意義，應(yīng)引起足夠的重視，要重點(diǎn)研究和識(shí)別。

3 檢測(cè)實(shí)例

某煉鋼廠有一臺(tái)640m3球罐，設(shè)備基本參數(shù)為φ1070mm×38mm；容積640m3；設(shè)計(jì)壓力2.1 MPa；材料16MnR；工作壓力1.5～1.6MPa；介質(zhì)氮?dú)猓辉O(shè)計(jì)溫度－19～60℃；2007年1月制造，2012年3月第一次全面檢驗(yàn)。

聲發(fā)射檢測(cè)采用二次升壓。在第一次升壓過(guò)程中，在探頭1，4，5區(qū)域發(fā)現(xiàn)6個(gè)定位信號(hào)，源區(qū)內(nèi)前五個(gè)定位信號(hào)的平均幅值71dB，按標(biāo)準(zhǔn)判定為A級(jí)，定位圖如圖1所示。

結(jié)合波形分析可知，波形上升時(shí)間200μs左右，撞擊計(jì)數(shù)一般在200以上，能量也在150以上。考慮到聲發(fā)射信號(hào)定位比較集中且撞擊計(jì)數(shù)和能量都較大，決定對(duì)該區(qū)域進(jìn)行TOFD，X射線和A型超聲波復(fù)驗(yàn)。

復(fù)驗(yàn)結(jié)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(cè)出缺陷的深度為12.5mm，長(zhǎng)度為13mm，缺陷自身高度為1.5mm。

圖1 聲發(fā)射檢測(cè)定位圖

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

由A超結(jié)果，可以判斷為面狀缺陷，缺陷可能為未熔合。結(jié)合聲發(fā)射、A超、TOFD及X射線檢測(cè)結(jié)果，在一次升壓過(guò)程中，缺陷在長(zhǎng)期疲勞載荷的作用下，可能有擴(kuò)展。考慮到該公司無(wú)法立即進(jìn)行缺陷的挖補(bǔ)和修復(fù)，最后檢驗(yàn)結(jié)論為：監(jiān)控使用一年，2013年3月再進(jìn)行一次聲發(fā)射檢測(cè)，視檢測(cè)結(jié)果決定是否進(jìn)行缺陷強(qiáng)制修復(fù)。

4 結(jié)論

聲發(fā)射檢測(cè)對(duì)設(shè)備的整體安全狀態(tài)可以作出快速的判斷，在按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，不僅要關(guān)注保壓階段的信號(hào)，有時(shí)更應(yīng)關(guān)注一次升壓信號(hào)，要結(jié)合一次升壓信號(hào)產(chǎn)生的定位聚類特點(diǎn)及產(chǎn)生定位聲發(fā)射信號(hào)的波形特點(diǎn)，考慮使用其他無(wú)損檢測(cè)方法加以復(fù)驗(yàn)，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

［1］GB／T 18182—2000 金屬壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)及結(jié)果評(píng)價(jià)方法［S］.

［2］沈功田，耿榮生，劉時(shí)風(fēng).聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)分析方法［J］.無(wú)損檢測(cè)，2002，24（2）：72－77.

［3］龔斌，齊輝，林偉，等.能量累計(jì)值在壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（4）：609－612.

［4］金鑫，施展.基于小波的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)提取方法［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，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(dú)立分量分析的聲發(fā)射信號(hào)分離方法［J］.壓力容器，2008，35（5）：13－15.