聲發射檢測在超高壓水晶釜安全評估中的應用

, , ,

(四川省特種設備檢驗研究院, 成都 610061)

超高壓水晶釜是生產人造水晶的重要設備，根據生產水晶品種的不同，其使用壓力不同，一般為115 MPa～150 MPa，使用溫度一般為350～390 ℃，介質為堿溶液及石英砂等。由于其長期在高溫高壓下運行，一旦發生事故后果非常嚴重[1]。四川省是超高壓水晶釜的使用大省，共有在用超高壓水晶釜1 000余臺，有的已經服役20 a以上，其安全狀況不容樂觀。

超高壓水晶釜的失效模式主要是堿應力腐蝕和底部變形，當前對超高壓水晶釜的檢驗方法主要是常規檢驗，檢測項目以超聲波檢測為主，再輔以硬度和金相檢測[2-3]。但由于超高壓水晶釜在使用過程中，其內壁會附著一層堅硬的水晶膜，在定期檢驗中不能將其有效清除，所以采用內窺鏡等檢查方法很難從內表面發現水晶釜的開裂情況。同時，對外壁的超聲波檢測也很難發現內壁的腐蝕或裂紋缺陷，而采用聲發射方法對服役年限比較長的超高壓水晶釜進行安全評估是有效發現和檢測內壁缺陷的一種手段。

筆者從服役年限較長的超高壓水晶釜安全評估的角度出發，通過分析聲發射檢測技術的特點及其在特種設備安全評估中的應用案例，探討了該技術在超高壓水晶釜安全評估中應用的可行性，并根據超高壓水晶釜的特殊結構形式提出了對其進行聲發射檢測的注意事項。

1 聲發射檢測概述

材料中局域源快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象稱為聲發射(AE)。聲發射是一種常見的物理現象，大多數材料變形和斷裂時都會有聲發射產生。采用專業儀器探測、記錄、分析聲發射信號，并由其推斷聲發射源的技術稱為聲發射技術。

20世紀90年代以來，隨著計算機技術的發展，以美國PAC公司、德國Vallen公司為代表的數字化多通道聲發射檢測分析系統得到大量應用。聲發射技術作為一種成熟的無損檢測方法，已被廣泛應用于許多領域，主要包括以下幾個方面。

(1) 特種設備

各種壓力容器、壓力管道和常壓儲罐的檢測和結構完整性評價，閥門和管道的泄漏檢測等。

(2) 電力工業

鍋筒、管道和閥門的檢測，變壓器局部放電的檢測。

(3) 民用工程

樓房、橋梁、隧道、大壩的檢測，水泥結構裂紋開裂和擴展的連續監測等。

(4) 航天和航空工業

航空器殼體主要構件、發射塔架的檢測和結構完整性評價等。

(5) 金屬加工

切削工具磨損和斷裂的檢測，金屬加工過程的質量控制，焊接過程監測，振動檢測等。

(6) 交通運輸業

長管拖車、公路和鐵路罐車及船舶的檢測和完整性評價，火車車輪和軸承的斷裂檢測等。

聲發射檢測是在結構承載過程中進行動態整體檢測的一種技術，在許多方面不同于其他常規無損檢測方法，其優點主要表現為以下幾個方面。

(1) 動態性

聲發射是一種動態檢驗方法，能量來自被測物體本身，對活動的缺陷敏感。

(2) 整體性

在試驗過程中，聲發射檢驗能夠整體檢測和評價整個結構中活性缺陷的狀態。

(3) 連續性

可提供活性缺陷隨載荷、時間、溫度等外變量而變化的實時連續信息，適用于工業過程在線監控及早期或臨近破壞預報。

(4) 經濟性

對于在用設備的定期檢驗，聲發射檢驗方法可以縮短檢驗的停產時間或者不需要停產。

(5) 適用性

對構件的幾何形狀不敏感，可適用于檢測形狀復雜的構件。

目前，在金屬壓力容器檢驗及安全評定中，聲發射已是一種重要的無損檢測方法。聲發射檢測利用耦合在壓力容器外側表面上的壓電傳感器來檢測材料開裂或缺陷活動過程中輻射出來的應力波，并對活動性缺陷進行定位，通過對應力波的分析來確定缺陷的性質。

2 我國特種設備聲發射檢測典型應用分析

隨著我國特種設備向大型化、高參數化方向發展，企業有延長檢修周期、縮短檢驗時間、對設備進行全面評估的需求。近年來，聲發射檢測已在鐵路罐車、大型冷庫、重整反應器、球罐、多層包扎容器等壓力容器的定期檢驗，鍋爐汽包以及起重機械、游樂設施的檢測與評價等方面進行了較為廣泛的應用，并取得了很好的效果。

2.1 大型冷庫壓力容器的在線檢測

為解決大型冷庫壓力容器無法停車檢驗的難題，山東省特檢院研究并實施了對大型冷庫中的壓力容器進行聲發射動態在線檢驗的技術。冷庫壓力容器屬于“無法進入內部檢驗”的壓力容器范圍，介質為液氨，有應力腐蝕傾向，腐蝕特性比較明確。檢測過程中發現其多處表面裂紋缺陷以及夾渣等內部埋藏缺陷。應用情況說明，只要檢測條件適合，儀器參數設置正確，聲發射對應力腐蝕裂紋就相當敏感。

圖1為某貯氨器的聲發射檢測結果。檢測發現筒節環焊縫附近存在一D級聲發射源，超聲復驗發現Ⅲ區缺陷顯示，射線復驗確定為墊板點焊處的裂紋。

圖1 某貯氨器聲發射檢測結果

對一套3.5萬t大型單體冷庫壓力容器的在線聲發射檢測中，發現有較集中的定位聲發射源存在。通過對取得的檢測結果進行數據分析和處理，對聲發射集中部位進行了復驗，發現是較嚴重的內表面裂紋缺陷(見圖2)。證明聲發射可以可靠地檢測出內外表面裂紋。

圖2 內表面裂紋產生的聲發射源定位結果

2.2 重整反應器的在線檢測

某煉油廠的3臺重整反應器因催化劑原因無法進行開罐檢驗。這3臺重整反應器內裝有催化劑，介質為油氣、氫氣。根據前期介質腐蝕性調查結果，反應器不在Nelson(納爾遜)曲線界定的氫腐蝕范圍內，根據長期使用經驗表明材料沒有氫腐蝕傾向。

在檢驗中，除常規檢測外，使用TOFD(超聲波衍射時差法)對焊縫進行抽查，用聲發射進行整體性能檢測。

對3臺重整反應器的聲發射檢測定位結果如圖3所示。在檢測過程中共發現一處信號集中的聲發射源，根據標準GB/T 18182-2012《金屬壓力容器聲發射檢測及結果評價方法》，該聲發射源綜合等級劃分為C級。使用TOFD進行復驗，發現3處條狀缺陷。因為此缺陷為活性，建議進行處理。處理時發現一處為裂紋，其他兩處為夾渣。

圖3 3臺重整反應器聲發射檢測定位結果

通過該次檢驗可以確定，采用聲發射檢測具有很高的可靠性，可以發現容器內的危險性缺陷，為缺陷處理提供參考。

2.3 球罐的聲發射檢測

球罐的聲發射應用是聲發射技術在壓力容器定期檢驗中較早的應用，國內有大量的應用案例。從20世紀90年代開始，在定期檢驗的水壓試驗時對球罐進行聲發射評價取得了較為廣泛的應用。近年來，球罐的聲發射應用大都趨向于對含超標缺陷、使用年限較長、歷次檢驗發現缺陷比較多的球罐的安全評定中[4]。同時，在一些無法開罐檢驗的球罐上也有一些聲發射應用。

如山東省特種設備檢驗研究院于2009年對一臺液化石油氣球罐進行了在線檢驗試驗。試驗中，除常規的檢驗手段外，使用TOFD對焊縫進行局部抽查(20%)，使用聲發射進行整體性能檢測。聲發射檢測過程中使用調整介質操作壓力的方式加載。

在檢測過程中未發現聲發射信號集中點，均為分散信號，初步認為該球罐整體狀況良好。

對下半球丁字口焊縫進行抽查，赤道大焊縫進行100%檢測。在球罐底部焊縫處發現了一條狀缺陷，長度為100 mm，深度為20 mm，該缺陷為非活性缺陷，決定不作處理。

該球罐于試驗的次年進行了開罐全面檢驗，檢驗結果與試驗結果吻合，取得了預期的試驗數據和檢驗經驗。

2.4 多層包扎尿素合成塔的聲發射檢測

由于多層包扎結構的特點，多層包扎尿素合成塔的聲發射檢測與單層容器有很大不同，如由于層板摩擦等原因，在升壓過程中產生的噪聲信號較多，內層層板發出的信號不易收集，聲發射源不易定位等。因此，多家機構和高校對聲發射信號特點、識別以及聲發射源的分類和級別評定方法等都進行了研究[5-7]。同時，由于層板貼合度不好等因素的存在，試驗壓力應足以保證外側層板達到足夠的應力水平，以確?；钚匀毕菪纬捎行У穆暟l射定位源。

圖4是典型的多層包扎結構尿素合成塔的聲發射源定位結果[5]。

圖4 典型的多層包扎結構尿素合成塔的聲發射源定位結果

2.5 其他特種設備的聲發射檢測

在電站鍋爐應用方面，福建省特種設備檢驗研究院采用聲發射技術對超臨界鍋爐水壓試驗過程中的三通管座和管道焊縫進行了完整性狀態監測，分析了在復雜信號中找到損傷活動信號的方法。山東省特種設備檢驗研究院對定期檢驗中發現裂紋較多的電站鍋爐汽包進行了聲發射完整性評價，對管子支撐部位缺陷信號的分析評價進行了研究。

在起重機械及游樂設施完整性評價應用方面，中國特檢院進行了大量的聲發射研究和應用工作[8]，并在起重機鋼梁、大型游樂設施主軸等方面進行了應用。

3 超高壓水晶釜聲發射檢測應用探討

聲發射技術從材料學的角度完成了設備在受力狀況下內部微觀結構變化的監測與評價，為特種設備破壞的早期預防、預報提供了可靠、科學的評價方法，對設備的破壞事故實現了事前處理。

從上述介紹和綜述看，聲發射檢測在我國特種設備領域取得了廣泛的應用成果。特別是在諸如多層包扎容器、超臨界鍋爐三通管座等一些特殊結構壓力容器、壓力管道中的成功應用說明，探討聲發射技術在超高壓水晶釜安全評估中的應用具有技術和應用基礎。

超高壓水晶釜釜體結構為單層圓筒形鍛造容器，釜體主體材料為CrNiMoV調質鋼，屈服強度在800 MPa以上。內徑范圍為180～400 mm，外徑范圍為370～800 mm，壁厚范圍為90～110 mm，長度范圍為5 000～6 000 mm。有通孔和盲孔兩種結構，特點是內徑小、壁厚大、筒體長。通孔和盲孔的超高壓水晶釜結構示意如圖5，6所示。

圖5 通孔的超高壓水晶釜結構示意

圖6 盲孔的超高壓水晶釜結構示意

超高壓水晶釜的結構特點類似于厚壁管道，從結構上來說比較便于進行聲發射檢測。但考慮到其結構特殊的特點，為了能夠對可能的活性聲發射源進行精確定位，其聲發射檢測中需要采取的措施及應注意的事項如下所述。

3.1 加載方式的選擇

金屬材料在塑性變形時的聲發射與作用應力之間存在一種不可逆的效應，稱為“凱塞爾效應”,即材料受到一定的應力作用時有聲發射現象產生，停止施加應力時則聲發射也停止，但是在重新施加應力時，如果不超過原來的應力，那么材料就不會再有聲發射產生。

凱賽爾效應為實現超高壓水晶釜的聲發射檢測提供了理論支撐。

可將超高壓水晶釜定期檢驗中的水壓試驗和聲發射檢測結合起來，通過對超高壓水晶釜進行加載的方式來定位設備內的活性缺陷，并可采取從高到低多次加載的方式，以排除干擾信號，得到準確的檢測結果。

3.2 定位方法及探頭布置

超高壓水晶釜在進行聲發射檢測時一般采用線定位方式。但檢測中線定位方式只能定位活性聲發射源的軸向位置，并不能定位到缺陷的具體部位。因此，考慮采用三角定位方法，即以水晶釜二分之一外周長選取長度方向的截面，每個截面對稱布置兩個探頭，相鄰截面探頭連線垂直交叉。

采用這種布置方法可最大限度地定位到聲發射源的具體位置(見圖7)。

圖7 聲發射檢測探頭定位及其平面展開示意

3.3 內壁附著物及卡箍、堵底螺的影響

由于超高壓水晶釜在使用過程中,內壁會附著一層堅硬的水晶膜，在耐壓試驗的同時進行聲發射檢測可能會造成這些附著物的破裂，產生大量的干擾信號，影響聲發射結果的評定。為了消除附著物的影響，可考慮采用二次加壓的方式過濾掉這些反應產物破裂帶來的聲發射信號，但具

體效果需要試驗確認。

在水晶釜耐壓試驗過程中，卡箍螺栓及其本身可能會產生聲發射信號或摩擦信號，但由于其位置確定，區分起來相對容易。

通孔結構的堵底螺為螺紋連接，在耐壓試驗中也會產生聲發射源信號。由于其位置是超高壓水晶釜產生應力腐蝕的重點部位，其信號的過濾和區分相對比較麻煩。當聲發射源信號比較多時，應加強對該部位的超聲檢測。

3.4 評定方法

聲發射檢測結束后采用標準GB/T 18182-2012進行評定，如需要復驗的，則采用其他無損檢測方法進行復驗。

各項檢驗檢測結束后，根據聲發射檢測及其復驗情況，綜合考慮硬度和金相檢驗結果，對服役年限比較長的超高壓水晶釜進行綜合評價。

4 結語

聲發射檢測技術在超高壓水晶釜安全評估中的應用是可行的。檢測中主要應該注意加載方式、定位方法的選擇及內壁附著物等對聲發射信號的影響。

[1] 邱兆蓉， 劉獻游, 彭軍，等.一起高壓水晶釜爆炸事故案例分析[J].石油和化工設備，2013,16(12):32-34.

[2] 李文廣.基于風險的在用超高壓人造水晶釜檢驗[J].壓力容器，2008,26(7):58-63.

[3] 薛福連,陳昕.在役超高壓水晶釜主要檢測方法[J].石油化工設備，2008,37(2):85-86.

[4] 彭國平，杜南勝，李洪剛，等.1 000 m3丙烷球罐聲發射檢測[J]. 無損檢測, 2013, 35(8) :65-66.

[5] 曹懷祥,仇性啟.尿素合成塔聲發射檢測與評價方法[J]. 無損檢測, 2012,34(12):85-88.

[6] 曹懷祥, 祝衛國, 宋明大,等.層板包扎高壓容器聲發射檢測[J].無損檢測，2008,30(10): 741-743.

[7] 戴光,李偉,徐彥廷,等.多層包扎式尿素合成塔的聲發射檢測與評定[J].壓力容器，2001, 18 (3) :75-77.

[8] 吳占穩, 沈功田，王少梅，等.聲發射技術在起重機無損檢測中的現狀[J].起重運輸機械，2007(10)：1-4.