化工設備檢測中聲發射技術的運用實踐研究

張中利 何鑫業

摘 要：聲發射技術是目前日漸成熟的無損檢測技術，在化工設備檢測中得到了有效應用。本文通過分析聲發射技術的特點及檢測方法，對其在壓力容器和常壓儲罐中的應用效果展開了研究，核心目的為保證加強化工設備檢測，使其在石化企業中得到有效應用。

關鍵詞：化工設備；檢測；聲發射技術

中圖分類號：TB52 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）08-0049-01

1 聲發射技術特點

聲發射簡稱為AE，主要是指材料內部在受到外界因素的影響下，與能量快速釋放同時產生的瞬態彈性波現象。在自然界中，聲發射是一種比較常見的物理現象，如果在音頻范圍內釋放足夠多的應變能，就會聽見聲鳴，而且當木材折斷、金屬材料塑性形變或斷裂時都會出現聲發射信號。但是，聲發射信號強度較弱，人耳無法聽到，要在傳感器、電子儀器的基礎上才能被檢測出來。聲發射技術在應用時包括以下優勢：（1）能夠檢測對結構安全有害的活性缺陷。通過聲發射技術可以對活性缺陷的動態信息進行檢驗，從而評價缺陷對結構安全造成的影響。（2）針對大型構件能夠進行整體或范圍的快速檢測，在提高檢測效率方面具有重要意義。（3）能夠為化工企業提供活性缺陷在時間、溫度等外部因素影響下的實際信息，在工業生產在線監控中具有重要作用。（4）由于對被檢測件的接近要求不是特別高，應用其他方法無法在適當的環境下完成檢測，如高低溫、易燃易爆等環境。（5）對于構件的幾何形狀不是特別敏感，應用聲發射技術會對形狀復雜的構件進行全面檢測[1]。

2 化工設備中聲發射技術檢測方法

2.1 聲發射技術的檢測流程

在化工設備檢測中，聲發射技術的應用流程為：做好各項檢測的準備工作；明確傳感器陣列；安置聲發射傳感器，確保聲發射技術耦合良好；完成接線后檢查線路，確定檢測條件；清除一切噪音干擾；校正檢測系統；評定數據處理結果；出示檢測報告。

2.2 聲發射源特征分析

要向對化工企業中壓力容器聲發射信號源進行分析和解釋，務必充分了解現場壓力容器聲發射源特征，有可能遇到的缺陷包括：（1）裂紋拓寬。裂紋是導致化工設備損壞的根本原因，具體步驟為形成裂紋、裂縫尖端變形、裂紋拓寬等。當塑形材料受到外力作用時，由于第一相應質點與基本材料變形不一致，通常會在質點上面形成微孔，在外力組間增加時，微孔會不斷擴大，并且與相鄰微孔連接在一起，形成裂紋。裂紋尖端的應力比較集中，從而形成塑形區域，一旦受到外力作用，塑性區域就會出現微觀裂紋，逐漸擴展成宏觀裂紋。一般情況下，脆性材料大不會出現比較顯著的塑性變形，裂紋的形成原因為位錯塞積，發展速度非常快[2]。（2）氣孔、未焊透、未熔合等焊接問題。壓力容器在焊接過程中，如果采用的焊接工藝不合理，就會導致出現焊接問題，如氣孔、夾渣以及未熔合等焊接問題經常同時出現。據壓力容器聲發射試驗結果可知，當大部分缺陷處于正常水壓試驗條件下時，不會輕易產生聲發射信號，但是也有例外存在。上述缺陷所產生的聲發射定位源比較集中，在聲發射檢測過程中，通常在小于壓力容器運行壓力下才會產生聲發射定位源信號。（3）結構摩擦。在進行現場壓力容器加壓試驗時，容器殼體會發生一定的改變，導致整個結構在摩擦的情況下產生大量聲發射定位源信號。結構摩擦產生的原因包括容器支座、腳手架、保溫支撐環以及平臺等部位的焊接。（4）泄漏。裂紋人孔、穿透、法蘭的泄漏都會導致出現聲發射信號，該種聲發射信號具有連續性特點，所以不能采用時差定位法予以定位。但是，通過分析多通道儀器得出，探頭越接近泄漏源的通道，收集的聲發射信號就會越多，信號幅度、能量等參數也會越大。

3 化工設備檢測中聲發射技術的應用

3.1 聲發射檢測系統的原理

圖1為的聲發射檢測系統原理圖，由此可知，聲發射檢測系統主要由聲發射源、聲電轉換、信號放大、信號處理以及信號記錄與顯示組成。在實際的檢測過程中，聲發射源即設備缺陷發射出的彈性波。彈性波在設備中傳播會達到材料表面，而材料表面安裝的傳感器能夠檢測并收集彈性波，從而引發振動，逐漸將振動信號轉換成電信號。之后對信號進行放大、處理等操作，變成相應的特征參數，顯示之后記錄下來。最終經過分析實現缺陷位置、缺陷類型、發生時間以及荷載量的判定[3]。

3.2 在壓力容器無損檢測中的應用

作為一種動態無損檢測技術，聲發射技術憑借著動態性、實時性、高效性以及整體性等特點，在壓力容器質量檢驗、在線監測等方面得到了廣泛應用。目前，我國已經制定并發布了與之相關的檢測評價標準，采用聲發射技術與應力測定兩種方法檢驗加氫精制預反應器，結果表明，新檢驗技術及評價方法在評定容器安全時，能夠確保容器的安全性和可行性。在壓力容器中應用聲發射技術，主要對容器中活性缺陷進行研究，能夠在水壓試驗或其他試驗中應用少量的固定換能器，從而獲得準確的活性缺陷動態信息，另外，可以利用時差定位、區域定位等方法確定活性缺陷中聲發射源位置。以美國MANSANTO化工企業利用聲發射技術對內部大量的壓力容器進行了檢測，而且該技術在日本、意大利以及中國等眾多國家都得到了有效應用。

3.3 在常壓儲罐檢測中的應用

常壓儲罐在化工企業中是一種非常容易發生事故的設備，要想確保化工設備的有效應用，一定要順利解決儲罐中存在的安全性、經濟性等問題。通過對我國儲罐擁有量、檢測水平以及特殊生產技藝進行分析，在規定的時間內無法完成所有儲罐的檢驗和維修。在這種情況下，對于危險性強、需要重點檢查的儲罐無法在科學依據下完成全面檢查，使化工設備存在安全隱患，直接影響化工企業生產效率，甚至會造成經濟損失。現階段，大部分化工企業為了提升自身的經濟效益，制定化工設備長周期運行制度，即兩年一檢修或三年一檢修。雖然延長檢修周期的方法能夠增強企業經濟效益，但是化工設備的安全得不到保障，導致生產過程存在眾多問題。因此，目前急需一種經濟、安全的儲罐檢測方法，通過聲發射技術的應用，可以對金屬常壓儲罐進行不停產的檢測。如果能夠在源特性的基礎上對聲發射源特性及儲罐活性缺陷之間的關系進行分析，將會為全新、可靠性強、高效性的檢測技術的開發奠定基礎，有利于儲罐開罐檢驗周期及風險的評定[4]。

4 結語

綜上所述，石油化工產業主要是在石油的基礎上生產各種化工產品，而化工設備則是應用在石油企業中的設備，直接決定著化工企業的生產水平。由此可見，化工設備的檢測顯得十分重要，可以利用聲發射技術對壓力容器、常壓儲罐進行檢測，促進石油化工企業的可持續發展。

參考文獻

[1]曹廣法.聲發射技術的化工設備應用[J].自然科學：文摘版，2016，（2）：00185-00185.

[2]張國強.聲發射技術在化工壓力設備檢測與診斷中的應用[J].軍民兩用技術與產品，2015，（22）.

[3]任聰靜，陳敏，曹翌佳，等.聲發射技術在化工過程中的應用[J].化工進展，2011，30（5）：918-929.

[4]畢學文.聲發射檢測技術在化工生產中的開發與應用[D].華東理工大學，2011.