儲灰罐聲發射在線檢測應用研究

袁希

【摘 要】儲灰罐是一種封閉式的儲存散裝物料的設備，在固井作業中主要用于儲存、干混水泥、粉煤灰等各種散裝物料，由于設備受到瞬時升壓、降壓這種壓力波動的影響，在應力集中處（結構不連續、原始制造缺陷）可能產生裂紋，對設備的安全使用產生影響，本文研究了灰罐聲發射進行在線檢測技術，對一臺水泥灰罐進行了聲發射檢測，發現了多處超標缺陷，結果表明聲發射對于瞬時承壓設備的檢測有較好的適應性。

【關鍵詞】聲發射；灰罐

【Abstract】Gray tank is a closed storage equipment bulk material，used for storing cement bulk materials，since the device being affected by pressure fluctuations，possible cracks produced in the stress concentration，have an impact on the safe use of equipment，this paper studies the acoustic emission detection technology，the results show that acoustic emission testing equipment for the instantaneous pressure has better adaptability.

【Key words】AE Cement tank

儲灰罐是一種封閉式的儲存散裝物料的設備，在固井作業中主要用于儲存、干混水泥、粉煤灰等各種散裝物料，正常工作狀態為常壓，卸料、干混時需要通入壓縮空氣使物料流化來實現氣力輸送，根據物料比重的不同卸料時壓力可達到0.3～0.4MPa。由于設備受到瞬時升壓、降壓這種壓力波動的影響，在應力集中處（結構不連續、原始制造缺陷）可能產生裂紋，對設備的安全使用產生影響，根據報道國內已發生過多次灰罐爆炸事故，所以對于使用年限較長的罐體應進行安全評價以減低風險。常規開罐檢測需要進行內部清理，而清理過程中罐內殘留物會產生大量粉塵，極難處理，費時費力，為了縮短檢測周期，本文對應用聲發射進行在線檢測的方法進行了研究[1]。

1 聲發射檢測原理

聲發射檢測技術是一種通過捕捉承壓設備在壓力作用下金屬材料內部缺陷（如裂紋）萌生、擴展、塑性變形、屈服、斷裂時所釋放的彈性能量進行分析處理而確定材料內部缺陷活動情況的無損檢測新技術，檢測過程中不需要停機、清罐，只需將傳感器按照一定的分布方式布置在設備表面上，采用適當的方式給罐體加壓，監測壓力變化過程缺陷部位中產生的聲發射信號并進行處理，就可以實現對設備的檢測（圖1），所以采用聲發射檢測技術可以對在用設備進行在線動態檢測與評價。

2 檢測研究

檢測對象選取一臺使用超過20年的水泥灰罐，該灰罐按照壓力容器規范進行制造，型式為立式圓柱形筒體，罐下部為錐形，上封頭為橢圓形封頭，直徑為Ф2800mm，壁厚10mm，材質為Q235，卸料時壓力0.3MPa，用于儲存水泥。

聲發射檢測設備采用美國PAC SAMOS 型48通道聲發射系統。檢測主要參數：背景噪聲小于33dB；門檻值40dB；增益40dB；模擬源為0.5mm的HB鉛芯折斷信號；傳感器為DP15I高靈敏度傳感器；檢測頻率為100—400kHz。

2.1 技術準備

查看運行記錄，確定設備運行最高壓力等，并確定加壓程序。進行現場勘察，排除外壁附屬物與罐壁直接接觸等可能出現的干擾源。

2.2 傳感器陣列布置

本次聲發射檢測需要對罐體進行整體檢測，采用三角時差定位，沿筒體軸線方向布置四圈傳感器，每圈布置三個，上、下封頭各一個（傳感器陣列布置相對位置參見圖2），最大探頭間距為3.3米。為減少焊縫信號衰減的影響，布置時傳感器距相鄰環縱焊縫距離不小于100mm。

2.3 聲發射系統靈敏度校正和定位校準

以硬度為2H的鉛筆芯折斷信號作為模擬源，對每個傳感器進行標定，保證每個通道響應的幅度值與所有通道的平均幅度值之差不大于4dB，對響應幅度值超出要求的通道進行調整，以確保在檢測過程中各通道正常工作。

以1號傳感器做信號衰減測量，在傳感器1至傳感器8所在的直線上分別取與1號傳感器距離為100mm、300mm、600mm、1000mm、2000mm、4000mm的7個點作為測量點，每點測三次，取平均值獲得各點聲發射信號幅值，將得到的幅值輸入軟件，獲得衰減曲線對信號進行衰減補償。

在1#傳感器信號附近，以硬度為2H的鉛筆芯折斷信號作為模擬源，根據信號傳至傳感器2、5、7的時間及傳感器之間的距離，求得信號傳至各通道的聲速，取其平均值為初始檢測聲速。

在傳感器（1、2、4）、（6、8、9）等形成的三角定位區域內分別進行斷鉛模擬源定位，根據定位的實際情況修正聲發射檢測速度，保證定位誤差不超過該傳感器陣列最大傳感器間距的±5%。

2.4 檢測過程

為使檢測數據更充分，結果更可靠，檢測采用二次加載過程，試驗壓力為最大工作壓力的1.1倍，加壓曲線如圖3所示。加載過程盡可能平穩，最大加載速度不可超過0.5MPa/min。

檢測過程分為一次升壓，一次保壓，二次升壓，二次保壓四個階段。

2 檢測數據分析及結果討論

不同檢測階段獲得的圖形如圖4，一次升壓階段檢測的聲發射信號較多，二次升壓階段信號明顯少于一次加壓過程，保壓過程信號增加相對較少，第二次保壓未發現信號，且信號源強度和活度呈下降趨勢。

通過對檢測信號的分析，發現聲發射事件的定位圖呈現局部集中和大面積分散兩個特點，對定位集中和分散的聲發射事件進行了上升時間、計數、能量、持續時間等特征參數分析。結果表明，集中定位信號和分散定位信號的計數、能量、持續時間等參數沒有明顯差別。但是，以上兩種定位源的上升時間存在較大差異。集中定位聲發射源信號上升時間主要分布在300μs。分散聲發射源信號上升時間主要分布在400μs，兩者存在較大的差異。由于裂紋類聲發射信號為上升時間較短的突發型信號，且定位較為集中，所以分散信號為危險缺陷的可能性較少，根據上升時間的不同通過軟件的過濾器將其排除，重點分析集中信號[2]。

根據結合聲發射信號源的活性及強度，GB/T 18182-2012《金屬壓力容器聲發射檢測及結果評價辦法》，共發現有效聲發射源13處，見圖5，有Ⅰ級缺陷5處，Ⅱ級缺陷8處，其信號源綜合等級如表2所示。

根據GB/T 18182-2012，9～13號聲發射源綜合等級為Ⅰ級不需要復驗，泄壓后通過反標定確定Ⅱ級聲發射源的實際位置，其中1、3、4、5、6、7、8號聲發射源位于焊縫位置且屬于中強度對其進行復驗，2號聲發射源為溫度表引管支撐架位置，支撐架與罐體存在碰撞，應為碰撞信號，不復驗。

對1、3、4、5、6、7、8號聲發射源進行磁粉檢測+超聲檢測復驗，3號聲發射源因結構限制，只進行磁粉檢測，結果發現表面裂紋11條處（圖6），參照《壓力容器定期檢驗規則》，結合該罐體的疲勞工況，該儲罐安全狀況較差，繼續使用較較高風險，應停止使用并修理，現場試驗證明，應用聲發射檢測技術可以有效的發現灰罐上的危害性缺陷，對其安全性狀況作出評價，聲發射檢測技術在灰罐的檢測應用方面有著其他檢測手段無法比擬的優勢。

3 結論

儲灰罐雖然多數時間工作壓力為常壓，但在卸料、干混時設備受到瞬時升壓、降壓這種壓力波動的影響，也可能產生危害性缺陷，隨著使用年限的增加，產生危害性缺陷的可能性也隨之增加，而針對其清理難的特點，采用聲發射檢測方法，可在不停車、不清罐的情況下對其進行整體檢測，判斷其安全狀況，經現場實踐，其在灰罐的在線檢測方面有較好的適用性。

【參考文獻】

[1]袁振明，馬羽寬，何澤云，等.聲發射技術及其應用[M].北京：機械工業出版社，1985：100-243.

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

[責任編輯：李書培]