金屬壓力容器和常壓儲罐聲發射檢測及安全評價技術與應用

沈功田（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

創新論壇

金屬壓力容器和常壓儲罐聲發射檢測及安全評價技術與應用

沈功田
（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

“金屬壓力容器和常壓儲罐聲發射檢測及安全評價技術與應用”項目獲得了2010年度國家科學技術進步二等獎，其主要內容包括3項國家科技計劃課題的核心研究成果。本文以該項目“國家科學技術獎勵推薦書”的內容為基礎，概述了項目背景、主要成果及其應用情況。主要成果包括提出了金屬壓力容器和常壓金屬儲罐的聲發射檢測及結果評定方法，基于參數與波形分析、特征提取和模式識別的金屬壓力容器聲發射在線檢測源性質的識別方法，研究建立了金屬壓力容器和大型常壓儲罐聲發射檢測及安全評價方法標準體系。

金屬壓力容器 常壓儲罐 聲發射 安全評價

1　項目背景

根據2008年的統計，我國擁有固定式壓力容器192萬臺，氣瓶1.32億只，大型常壓儲罐20多萬臺，它們廣泛應用于石油、石化、化工、醫藥、食品、航空、港口等行業和一億多個家庭，屬于工業生產和人民日常生活的重要基礎設施和設備，涉及到國民經濟與人民生活的各個領域。由于這些設備大多盛裝著高溫、高壓、易燃、易爆或劇毒介質，一旦發生泄漏，往往并發爆炸、火災或中毒等災難性事故，造成人民生命財產的重大損失，并引起嚴重環境污染，社會影響惡劣。壓力容器和大型常壓儲罐的安全關系到保障人民生命和財產安全，也關系到國家經濟運行安全和社會穩定，是我國公共安全的重要組成部分。為確保其安全運行，二十世紀九十年代初，我國對大型常壓儲罐和壓力容器均采取3到6年內必須定期停產開罐進行內外部全面檢驗的方式，對焊縫采取20%無損檢測抽查，采用的無損檢測方法為射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測和滲透檢測等常規無損檢測方法，這些檢驗和檢測方法存在如下很多缺點和不足：

1） 停產檢驗周期長、工作量大，檢驗與檢修費用高；采用強制停產檢驗方式，檢測結果表明許多容器無危及安全的缺陷或隱患，這就為用戶帶來不必要的停產損失；

2） 對壓力容器進行的定期檢驗，一方面對焊縫進行抽查檢驗的盲目性大，易出現對嚴重缺陷的漏檢，導致泄漏等安全事故時有發生；另一方面，一些“文革”期間制造的壓力容器，存在大量的焊接超標缺陷，在進行全面開罐檢驗后，許多情況下難以對這些焊接超標缺陷進行處理，對容器報廢或全面返修都不可能，只能進行缺陷安全評定，因此急需對缺陷進行快速活性識別和安全評價的技術；

3） 對于大型常壓儲罐的檢驗，主要采用停產、倒空、清罐、割板檢查、修理和重新投運的傳統方式，耗時長，工作量大，勞動強度高，而且經濟成本高。以一臺1萬立方米的儲罐為例，每次檢驗周期兩個月以上，直接停產損失較大，清罐維修費用在50萬元以上。

針對壓力容器和常壓儲罐存在的上述難題，急需一種能快速發現活性缺陷并能進行不停產在線檢測的技術。在國際上于二十世紀五十年代開始，于七十年代逐步成熟的聲發射（Acoustic Emission，簡稱AE）檢測技術剛好適用于探測材料在受載條件下內部出現裂紋的萌生和擴展的情況以及腐蝕損傷狀況，并適合于大型結構件的快速動態檢測監測和結構完整性評價。但在二十世紀九十年代初，國外對壓力容器的聲發射檢測只有檢測方法標準，沒有檢測結果的分級與評價方法和標準，國內為空白；對于大型常壓儲罐罐底腐蝕的聲發射檢測，國內外的檢測標準均為空白。自九十年代開始，中國特檢院組織全國十多家大專院校、科研院所、壓力容器檢驗機構和企業，分別承擔國家“八五”、“十五”科技攻關計劃專題和國家社會公益項目，系統開展了壓力容器和大型常壓儲罐的聲發射檢測技術研究、標準研制、人員培訓和推廣應用工作。

2　主要成果

1）研究建立了金屬壓力容器和大型常壓儲罐聲發射檢測及安全評價方法與標準體系，制定了6項國家或行業技術標準，填補了國內空白，其中常壓儲罐方面填補了國際空白。

（1）“八五”國家科技攻關課題《在役壓力容器危險性缺陷聲發射監測檢測評估技術研究與設備研制》（鑒定證書號：勞鑒字1995第25號）：提出了以時差定位源為主要判據的壓力容器表面裂紋和深埋裂紋的聲發射信號鑒別方法；國際上首次提出聲發射源分別按強度、活性分類和綜合狀態等級分級的方法，并給出了特征參數的范圍；編寫了《金屬壓力容器聲發射檢測及結果評定方法》標準草案。該成果于1995年12月經勞動部組織的專家組鑒定，總體達到國際先進水平。

（2）“十五”國家科技攻關課題《壓力容器在線檢測關鍵技術研究》（成果登記號：G2006-307）：通過對我國壓力容器常用鋼材和實際大型典型壓力容器進行聲發射試驗和檢測應用，獲取了裂紋擴展、焊接缺陷開裂、殘余應力釋放、支座摩擦、氫鼓包破裂、氧化皮剝落、泄漏、電噪聲等各種典型的聲發射信號數據；通過對這些信號進行特征參數與波形分析、特征提取和模式識別，提出了壓力容器聲發射在線檢測聲發射源性質識別的新方法。該成果于2006年7月經質檢總局組織的專家組鑒定，壓力容器在線檢測聲發射源性質的模式識別技術達到國際領先水平。

（3） 國家社會公益面上項目《大型儲油罐安全檢測技術研究與評價方法研究》（成果登記號：G2007-457）：通過對大型水池和實際大型儲油罐進行聲發射試驗和檢測應用，研究了液體介質和儲罐底板的聲發射信號傳播、衰減與定位特性，獲取了底板腐蝕、泄漏、內外部機械噪音、電子噪音等各種典型的聲發射信號數據；通過對這些信號進行特征參數與波形分析、特征提取和模式識別，提出了大型常壓金屬儲罐聲發射檢測及分級與評價方法，制定了《無損檢測—常壓金屬儲罐聲發射檢測及評價方法》標準，形成報批稿。該成果于2007年1月經質檢總局組織的專家組鑒定，研究成果總體上達到了國際先進水平。

（4） 在上述科研成果的基礎上，先后制定了如下6項聲發射檢測及評價方法國家或行業標準，填補了我國的空白，在檢測結果分級和評價方面處于世界領先水平，其中常壓金屬儲罐聲發射檢測及評價方法標準填補了國際空白：

① GB/T 18182—2000 金屬壓力容器聲發射檢測及結果評定方法

② JB/T 10764—2007 無損檢測 常壓金屬儲罐聲發射檢測及評價方法

③ JB/T 4730.9—XXXX 承壓設備無損檢測 第9部分：聲發射檢測（送審稿）

④ GB/T 12604.4—2005 無損檢測 術語 聲發射檢測

⑤ GB/T 19800—2005 無損檢測 聲發射檢測 換能器的一級校準

⑥ GB/T 19801—2005 無損檢測 聲發射檢測 聲發射傳感器的二級校準

2）研究建立了金屬壓力容器聲發射檢測及結果評定方法，在世界上首次提出聲發射源分別按強度、活性分類和綜合狀態等級分級的方法，將壓力容器聲發射檢測結果按照活性和強度級別分為A、B、C、D、E和F六個級別，并首次提出有缺陷聲發射源嚴重度級別的概念，給出了有缺陷聲發射源嚴重度級別的具體評定方法。

在此標準制定前，國外只有美國機械工程師學會（ASME）制定了金屬壓力容器聲發射檢測的標準，但沒有給出檢測結果的分級方法和評價方法，GB/T 18182—2000國內外創造性地提出了金屬壓力容器聲發射檢測結果分級和評價方法，具體內容如下：

（1） 壓力容器聲發射源的活度分級方法：如果源區的事件數隨著升壓或保壓呈快速增加時，則認為該部位的源具有強活性；如果源區的事件數隨著升壓或保壓呈連續增加時，則認為該部位的源具有活性；如果源區的事件數隨著升壓或保壓呈間斷出現時，源的活度等級按照不同升壓和保壓階段分別劃分為非活性、弱活性、活性或強活性，表1為一次加壓循環源的活度等級劃分方法。

表1　一次加壓循環聲發射源的活度等級劃分方法

（2） 壓力容器聲發射源的強度分級方法：源的強度Q可用能量、幅度或計數參數來表示。源的強度計算取源區前5個最大的能量、幅度或計數參數的平均值。源的強度劃分參考表2進行，其中a，b值應由試驗來確定，對于壓力容器常用材料16MnR，a為40dB、b 為60dB。

表2　聲發射源的強度劃分方法

（3） 壓力容器聲發射源的綜合等級分級方法：聲發射源的綜合等級劃分按表3進行。

表3　壓力容器聲發射源的綜合等級分級方法

（4） 有缺陷聲發射源的嚴重度評定：綜合分級為B級以上的聲發射源部位需進行超聲、射線、磁粉或滲透無損檢測復驗，如果發現有焊接缺陷存在，應對這些聲發射源的嚴重程度進行評定。有缺陷聲發射源的評定是根據聲發射源的綜合等級和缺陷的嚴重性級別確定有缺陷聲發射源的嚴重度。缺陷嚴重性級別根據缺陷的尺寸和性質分別被劃分為I、II、III、IV、V和VI級。有缺陷聲發射源的嚴重度根據表4確定，評定為不嚴重的聲發射源中的缺陷可以保留，評定為嚴重和很嚴重的聲發射源中的缺陷必須予以消除，壓力容器才能投入使用。

3）針對國內外常壓金屬儲罐底板腐蝕聲發射檢測均無成熟方法和標準的現狀，研究建立了常壓金屬儲罐聲發射檢測及評價方法，世界上首次提出儲罐底板基于時差定位分析的聲發射源的分級方法和基于區域定位分析的聲發射源的分級方法，并且給出了儲罐底板腐蝕狀況的評價方法。在世界上首次制定了大型常壓儲罐底板腐蝕的聲發射檢測及評價標準JB/T 10764—2007 《無損檢測 常壓金屬儲罐聲發射檢測及評價方法》。

本成果通過大量現場大型常壓儲罐聲發射檢測數據分析和開罐驗證結果，世界上首次提出了儲罐底板腐蝕基于時差定位分析的聲發射源的分級方法和基于區域定位分析的聲發射源的分級方法，分別見表5和表6。

表5　儲罐底板腐蝕基于時差定位分析的聲發射源分級方法

表5中的C值需通過采用相同的儀器與工作參數，對相同規格和運行條件的儲罐進行一定數量的檢測實驗和開罐驗證實驗來取得。目前，通過已進行聲發射檢測應用的儲罐發現C值一般為3～6之間。

表6　儲罐底板腐蝕基于區域定位分析的聲發射源分級方法

表6中的K值需通過采用相同的儀器與工作參數，對相同規格和運行條件的儲罐進行一定數量的檢測實驗和開罐驗證實驗來取得。目前，通過已進行聲發射檢測應用的儲罐發現K值一般為300～500之間。

4）針對國內外壓力容器聲發射檢測均不能給出源的性質、必需采用其它常規無損檢測方法復驗這一難題，研究建立了金屬壓力容器基于參數與波形分析、特征提取和模式識別的聲發射在線檢測源性質識別的新方法，實現了對壓力容器上裂紋擴展、焊接缺陷開裂、殘余應力釋放、機械摩擦、氧化皮剝落、泄漏、電子噪聲等各種典型的聲發射源性質的模式識別，從而實現了對壓力容器進行在線聲發射檢測和安全評價，達到國際領先水平。

由于聲發射檢測結果只能給出聲發射源的部位，不能給出聲發射源的性質，而壓力容器上產生聲發射信號有很多種干擾源，因此，聲發射源的部位是否存在超標缺陷，需要由超聲、射線、磁粉、滲透等常規無損檢測方法進行復驗，而對于在線運行的壓力容器，大部分情況下是無法進行常規無損檢測方法復驗的，因而大大限制了聲發射技術在在線壓力容器檢驗中的應用。

本成果通過系統對我國壓力容器常用鋼材16MnR、15CrMo、2-1/4Cr1Mo和實際大型典型壓力容器進行聲發射試驗，得到了壓力容器常用鋼材聲發射源的產生機理，獲取了裂紋擴展、殘余應力釋放、支座摩擦、氫鼓包破裂、氧化皮剝落、泄漏、電子噪音等各種典型的聲發射信號波形，通過對這些波形信號進行波形分析和特征提取，克服了壓力容器聲發射信號中活性缺陷產生的聲發射信號的識別技術難題，提出了對壓力容器聲發射在線檢測中聲發射源性質進行模式識別的新方法，從而實現了對壓力容器進行在線聲發射檢測和安全評價，具體內容如下：

（1） 通過分析研究聲發射信號參數的關聯圖，提出了能量與持續時間的關系式：

并測定了壓力容器多種聲發射源的n、a、b和c值，從而提出了識別壓力容器檢測過程中介質泄漏和電子干擾產生的聲發射噪音信號的方法。

（2） 提出了采用特征矢量映射和Fisher對偶映射相結合的新的模式識別分析方法，對現場壓力容器各種聲發射源信號特征參數進行了模式識別分析，這一方法可以成功地識別裂紋擴展、焊接缺陷開裂、殘余應力釋放和機械摩擦產生的聲發射信號。這一方法還可以對焊接缺陷、保溫支撐、裙座角焊縫和支柱角焊縫部位產生的復合聲發射信號源的機制給出新的解釋。由此，使聲發射技術對壓力容器安全狀態的無損評價成為可能。

（3） 在統計模式識別分析的基礎上，采用人工神經網絡技術對現場壓力容器聲發射源信號特征參數進行了模式識別分析，通過采用真實壓力容器產生的聲發射信號源和大樣本數據進行培訓，得到的人工神經網絡可以對現場金屬壓力容器聲發射源性質進行成功的模式識別，成功率在80%以上。這一結果突破了前人采用聲發射信號參數不能進行有效聲發射源性質模式識別的結果。

（4） 提出了采用人工神經網絡對金屬壓力容器聲發射源機制進行定量分析的概念，從而找到了一種對聲發射源嚴重度進行定量分析的新方法。設計和培訓的BP網絡可以給出一個聲發射源中裂紋擴展、氧化夾渣物斷裂、殘余應力釋放和機械摩擦信號所占的比率。

3　應用情況

1）本項目制訂的5項標準，已正式發布實施，在全國推廣應用。

2）通過本項目的實施，為全國60多個檢驗機構培養了23名高級（III級）和512名中級（II級）聲發射檢測人員，他們每年開展壓力容器和大型常壓儲罐聲發射檢測3～5千臺，為企業排除了大量安全生產隱患，減少了巨大的停產損失。該技術的應用為企業解決了金屬壓力容器和大型常壓儲罐在線檢測與安全評價的技術難題，既可及時發現和排除安全隱患，為生產安全提供技術保障，也可延長設備的運行周期，為企業帶來可觀的經濟效益和社會效益。僅對大慶煉油廠、燕山石化、鎮海煉化、華北制藥、江西銅業等15家企業開展的500多臺壓力容器和大型常壓儲罐聲發射檢測應用進行統計，就為他們減少了近10億元的停產損失，應用證明基本情況見表7。

表7　

應用單位名稱　應用技術　應用起止時間　經濟效益/萬北京東方石油化工有限公司有機化工廠　壓力容器在線檢測關鍵技術　2001.3～2007.6　6200中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司化工一廠　壓力容器在線檢測關鍵技術　2002.3～2007.6　8000石家莊煉油化工股份有限公司　壓力容器在線檢測關鍵技術　2002.3～2007.6　6000華北制藥股份有限公司　壓力容器在線檢測關鍵技術　2002.3～2007.6　3000中石化鎮海煉化分公司　壓力容器在線檢測關鍵技術　2002.3～2007.6　5000中石化鎮海煉化分公司　大型儲罐群基于風險的檢驗與綜合安全評價技術　2006.3～2008.12 　1200中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司大型儲罐群基于風險的檢驗與綜合安全評價技術　2006.3～2009.3　6000中石化廣州分公司　大型儲罐群基于風險的檢驗與綜合安全評價技術　2006.3～2008.12 　1500中國石油大慶石化分公司　大型儲油罐安全檢測技術與評價方法　2005.3～2009.5　2100中國石油大慶煉化分公司　大型儲油罐安全檢測技術與評價方法　2005.3～2009.5　2300中國石油天然氣股份有限公司克拉瑪依石化分公司大型儲罐群基于風險的檢驗與綜合安全評價技術　2006.3～2008.12 　1600江銅集團貴溪冶煉廠　大型儲油罐安全檢測技術與評價方法　2005.6～2006.7　3000江銅集團化工有限公司　大型儲油罐安全檢測技術與評價方法　2006.4～2006.9　2000中國石油化工股份有限公司江西石油分公司大型儲油罐安全檢測技術與評價方法　2005～2006　2540合計　107540

成果獲得2010年度國家科學技術進步二等獎。

獲獎單位：中國特種設備檢測研究院、大慶石油學院、清華大學、中國科學院金屬研究所、江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院、河北省鍋爐壓力容器監督檢驗院

獲獎人員：沈功田、李邦憲、戴 光、劉時風、林樹青、李光海、黃 毅、胡 智、張 健、段慶儒、王 勇、閆 河、劉德宇、景為科、周裕峰

Acoustic Emission Testing and Safety Evaluation Technology and Application on Metallic Pressure Vessels and Atmospheric Tanks

Shen Gongtian
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

“Acoustic emission testing and safety evaluation technology and application on metallic pressure vessels and atmospheric tanks” item obtained the 2010 national science and technology level 2 award. The main contents of this item include core research results from three national science and technology program tasks. Based the contents of “Recommendation of national science and technology award”, this paper reviews the background, main research results and applications of this item. The main research results include putting forward acoustic emission testing and result evaluation methods on metallic pressure vessels and atmospheric tanks, raising recognition methods of source properties of acoustic emission on-line testing on metallic pressure vessels based on parameters and waveform analysis, feature extraction and pattern recognition, and establishing the standard system of acoustic emission testing and safety evaluation methods on metallic pressure vessels and atmospheric tanks.

Metallic pressure vessels Atmospheric tanks Acoustic emission Safety evaluation

X924.2

B

1673-257X（2016）07-0001-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.07.001

沈功田（1963～），男，博士，研究員，從事特種設備無損檢測新技術研究工作。
（

2016-07-11）