基于護衛(wèi)傳感器聲發(fā)射技術(shù)的封頭分層缺陷安全評估

張曉斌，孫小兵，曾德程，江 村

（廣西特種設(shè)備監(jiān)督檢驗院，南寧 530219）

某立式壓力儲罐2006年11月制造，2007年8月在某水電站投入運行，其材質(zhì)為16MnR；工作參數(shù)為設(shè)計壓力6.8MPa，實際工作壓力5.4～6.3MPa，設(shè)計溫度0～55℃，介質(zhì)為汽輪機油和壓縮空氣；其幾何參數(shù)為直徑1200mm，壁厚30mm，容積3.94m3；按1999版《容規(guī)》，其類別為Ⅱ類容器。儲罐出廠時有質(zhì)量證明書、產(chǎn)品合格證、監(jiān)督檢驗證書、銘牌完整，但缺少竣工圖，封頭無單獨的質(zhì)量證明書。對接焊縫經(jīng)20%射線檢測，按JB／T 4730—2005Ⅱ級合格，整體熱處理后，水壓試驗（PT＝8.5MPa）合格。

投入使用兩年半后，2010年1月第一次對壓力儲罐進行全面檢驗。測厚檢測時，發(fā)現(xiàn)封頭存在大面積分層缺陷。上封頭的整個橢圓面及直邊段的部分位置都存在分層缺陷，缺陷深度距表面約為12.6～15.6mm，且為連續(xù)分層缺陷，缺陷與表面基本平行。2010年的檢驗結(jié)論是儲罐監(jiān)控使用，封頭直邊段的分層缺陷作為重點監(jiān)控部位。2011年1月又對該儲罐進行了檢測，發(fā)現(xiàn)直邊段缺陷有擴展。

文獻［1］分析了分層缺陷的安全及可靠性，但其所述分層缺陷面積比較少，對大面積分層缺陷參考價值不大。由于本壓力容器是在交變載荷下，分層缺陷在其作用下是否具有活性，是判定該容器是否能安全使用的關(guān)鍵。由于壓力儲罐的充裝介質(zhì)為汽輪機油和壓縮空氣，且以空氣源作為動力源，在容器的下部注入，故擬用基于護衛(wèi)傳感器的聲發(fā)射方法來排除噪聲聲發(fā)射信號，以便正確對此缺陷進行安全評估，確定該壓力容器是否可繼續(xù)使用。

1 壓力儲罐的應(yīng)力計算

分層缺陷如在沒有應(yīng)力集中的情況下已經(jīng)判為危險，那該容器就可以直接判廢。首先分析在沒有應(yīng)力集中的情況下該容器的危險級別，確定其是否安全。

假設(shè)封頭分層缺陷沒有應(yīng)力集中，其應(yīng)力為內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力和橢圓封頭與筒體連接處變形不協(xié)調(diào)所致的彎曲應(yīng)力，按薄殼理論求解［2－3］。壓力儲罐受力分析圖如圖1所示。

為保持連續(xù)體，在筒體及封頭連接處將產(chǎn)生邊緣力Q0和邊緣力矩M0，由此引起的彎曲變形與薄膜變形疊加后，筒體及封頭的總變形量一定相等，即：

圖1 壓力儲罐受力分析圖

式中ΔP，ΔM0為在P，Q0，M0作用下產(chǎn)生的徑向位移；θP，θM0為在P，Q0，M0作用下產(chǎn)生的徑向轉(zhuǎn)角。以下標1表示圓筒，下標2表示橢圓殼，得：

發(fā)生在封頭連接邊緣區(qū)域殼體處內(nèi)表面的總應(yīng)力為：

當橢圓a＝2b時，得：

如分層缺陷無應(yīng)力集中時，可認為此設(shè)備安全。

2 分層缺陷聲發(fā)射檢測方案確定

由壓力儲罐的測厚試驗可知，其上封頭橢圓面全為分層結(jié)構(gòu)，直邊段也有部分分層缺陷，且所有分層都連續(xù)。分層缺陷距上表面的厚度在12.6～15.5mm之間，基本與表面平行。由此可知，設(shè)備的上封頭橢圓段和部分直邊段基本可看作是由兩層結(jié)構(gòu)組成。設(shè)備在沒有受壓時，兩層之間沒有壓力；在受到內(nèi)壓時，兩層之間有可能存在磨擦、擠壓等現(xiàn)象。因此，當受到交變載荷時，分層缺陷有擴展的趨勢，就有產(chǎn)生聲發(fā)射信號的可能，故采用聲發(fā)射技術(shù)來檢測分層缺陷是否具有活性。

由于壓力儲罐的工作介質(zhì)為汽輪機油和壓縮空氣，比例為2∶1，且由空氣源作為動力源，由容器的下部注入。檢測過程中，由于空氣從油中穿過，可能引起油泡，油泡的破裂引起的聲發(fā)射信號可能會影響檢測的有用信號，同時也可能由于閥門泄漏等原因引起的聲發(fā)射信號也會影響聲發(fā)射信號的質(zhì)量，故選擇基于護衛(wèi)傳感器的聲發(fā)射檢測技術(shù)來對分層缺陷的活性進行判定。理論上可以較好地屏蔽護衛(wèi)傳感器以下傳來的聲發(fā)射信號，以此來保證得到真實的分層缺陷擴展信號。

根據(jù)容器的尺寸及結(jié)構(gòu)特點，選擇四個傳感器作為定位組，封頭頂部布置一個，封頭與筒體環(huán)焊縫下50mm處周向均布三個傳感器，在環(huán)焊縫下500mm處與主傳感器交叉布置三個護衛(wèi)傳感器，如圖2所示。

圖2 傳感器布置圖

由壓力儲罐設(shè)備特點可知，設(shè)備噪聲聲發(fā)射信號主要由底部產(chǎn)生，在測定衰減、波速和背景噪聲后，根據(jù)主傳感器和護衛(wèi)傳感器之間的最大距離，確定主傳感器的閉鎖時間為1200μs，因此在護衛(wèi)傳感器被觸發(fā)后，令主傳感器在閉鎖時間內(nèi)閉鎖，不產(chǎn)生定位［4］。但記錄所有超過閾值的聲發(fā)射撞擊，以利于數(shù)據(jù)的事后分析處理。

3 聲發(fā)射對分層缺陷的檢測

由于設(shè)備的工作壓力是交變壓力，工作載荷運行如圖3所示，交變周期是20～30min，壓力波動范圍在5.4～6.3MPa。聲發(fā)射設(shè)備采用PAC公司的SAMOS16，儀器具體設(shè)置參數(shù)為：檢測方式為局部監(jiān)測；檢測頻率100～400Hz；傳感器型號R15I；固定方式為磁夾具；耦合劑為凡士林；傳感器數(shù)量為7個；傳感器平均靈敏度為98dB；最大靈敏度99dB；背景噪聲＜35dB；門檻電平40dB；最小靈敏度98dB；增益40dB；模擬源為0.5mm HB筆芯斷鉛信號；傳感器最大間距1320mm；模擬源距離為1350mm；衰減測量傳感器編號為1號；信號幅度74dB。

各通道閾值設(shè)定為40dB，在6.7MPa壓力開通護衛(wèi)傳感器功能的情況下，封頭聲發(fā)射定位圖如圖5所示，共有287個定位事件。通過軟件設(shè)置，對同一組數(shù)據(jù)關(guān)閉護衛(wèi)傳感器功能時，定位結(jié)果如圖6所示，共有423個定位圖。

由圖5和6對比分析可知，有護衛(wèi)傳感器時，檢測到的聲發(fā)射信號很明顯比沒有護衛(wèi)傳感器時得到的聲發(fā)射信號干凈，更利于判斷真實的聲發(fā)射信號源。

根據(jù)GB／T18182—2000《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價方法》［5］，對檢測結(jié)果進行分析，得到如下結(jié)論：在壓力＞6.0MPa時，強度Q＜60dB，為弱強度，活性為強活性，源的綜合等級為D級；在壓力＜6.0MPa時，強度Q＜60dB，為弱強度，活性為非活性，源的綜合等級為A級。

根據(jù)上述判定結(jié)果可知，此封頭的分層缺陷局部區(qū)域存在強活性，在交變載荷下存在擴展的可能。缺陷的擴展也在2011年的檢驗中得到了驗證。

4 結(jié)論

由于橢圓封頭存在大面積分層缺陷，采用應(yīng)力分析驗證了無應(yīng)力集中時缺陷封頭的可靠性。根據(jù)壓力儲罐的工作介質(zhì)和加載特點，采用基于護衛(wèi)傳感器的聲發(fā)射技術(shù)對分層缺陷進行了局部監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明，在有護衛(wèi)傳感器的條件下，聲發(fā)射的信號更能真實地反映缺陷聲發(fā)射源產(chǎn)生的信號；分層缺陷在交變載荷的作用下，存在缺陷擴展的可能。根據(jù)檢測結(jié)果，建議使用單位更換封頭，在未更換封頭前盡量使壓力保持在6.0MPa以下使用。

［1］王志文，蔡仁良.化工容器設(shè)計［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［3］盛水平.80m3液化氣臥罐封頭夾層缺陷的安全分析［J］.壓力容器，1993，10（5）：76－79.

［4］林春明，康葉偉，王維斌，等.護衛(wèi)傳感器在拱頂儲罐底聲發(fā)射檢測中的應(yīng)用［J］.無損檢測，2010，32（8）：620－622.

［5］GB／T 18182—2000 金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價方法［S］.