SPV355N材料球罐聲發(fā)射檢測及其缺陷成因分析

張延兵，劉文卜，席曉勇2，孫志濤

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院, 南通 226011;2.中化南通石化儲運(yùn)有限公司, 南通 226017)

球罐作為貯存化學(xué)介質(zhì)的大型壓力容器, 具有節(jié)省材料、結(jié)構(gòu)簡單、造價低、投資小等優(yōu)點(diǎn)，是石油化學(xué)工業(yè)中貯存石油氣體、液體及液化氣體的主要工具。由于其儲存的介質(zhì)多具有易燃、易爆、有毒等特點(diǎn)，故球罐一般均作為重點(diǎn)監(jiān)護(hù)的特種設(shè)備進(jìn)行安全管理。球罐在設(shè)計時的材料選取，多是根據(jù)設(shè)備實(shí)際工作條件來確定的，不同的材料會產(chǎn)生不同的失效模式，因此材料的正確選用對于球罐本體的安全至關(guān)重要。球罐的傳統(tǒng)定期檢驗(yàn)方式需要對設(shè)備進(jìn)行停產(chǎn)清罐，此種方式會影響設(shè)備的正常使用，且檢驗(yàn)成本高，因此企業(yè)對于在線檢測技術(shù)的需求日益強(qiáng)烈。隨著檢測技術(shù)的飛速發(fā)展，聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)技術(shù)由于具有實(shí)時監(jiān)測、覆蓋范圍廣、對設(shè)備結(jié)構(gòu)型式和材料不敏感等優(yōu)勢[1-3]，已被GB 150《壓力容器》和NB/T 47013《承壓設(shè)備無損檢測》等標(biāo)準(zhǔn)吸納，正越來越廣泛地應(yīng)用于壓力容器的缺陷檢測和結(jié)構(gòu)完整性評價中[4-5]。

1 檢測背景

受檢球罐為某危化品庫區(qū)的液化石油氣儲罐(具體技術(shù)參數(shù)見表1)，于1998年投用，已使用20 a，所屬企業(yè)希望能夠采用在線檢驗(yàn)的方式進(jìn)行定期檢驗(yàn)，因此選擇聲發(fā)射技術(shù)對球罐整體進(jìn)行缺陷的排查掃描檢測，以衡量設(shè)備本體繼續(xù)使用的安全裕度。檢測現(xiàn)場圖片見圖1。

圖4 球罐兩次加壓過程的聲發(fā)射定位結(jié)果

表1 球罐技術(shù)參數(shù)

圖1 檢測現(xiàn)場圖片

1.1 檢測儀器及傳感器布置

聲發(fā)射檢測設(shè)備采用美國PAC公司的SAMOS型48通道聲發(fā)射儀，傳感器型號為R15I。基于聲發(fā)射球面定位方式進(jìn)行傳感器布置，如圖2所示。

1.2 加載過程

檢測過程中，選用水作為介質(zhì)進(jìn)行加載。依據(jù)NB/T 47013.9-2012 《承壓設(shè)備無損檢測 第9部分：聲發(fā)射檢測》 對球罐進(jìn)行兩次升壓和保壓過程的聲發(fā)射檢測，加載過程選擇5個壓力梯度進(jìn)行升壓，并最終升至最高試驗(yàn)壓力1.837 MPa。其循環(huán)加載曲線如圖3所示。

圖3 球罐的循環(huán)加載曲線

2 聲發(fā)射檢測過程及結(jié)果分析

2.1 檢測過程

在第一個加載試驗(yàn)壓力階段(0.8～1.0 MPa)，球罐內(nèi)部并未出現(xiàn)較為顯著的聲發(fā)射源，只有離散的一些聲發(fā)射信號出現(xiàn)，但在到達(dá)1.0～1.2 MPa階段后，球罐表面的聲發(fā)射事件數(shù)隨著壓力的升高而增加，聲發(fā)射定位源快速增加，幾乎每一個升壓階段都有大量的聲發(fā)射事件聚集，各通道的聲發(fā)射信號在同一時間密集分布，且強(qiáng)度較高，最高幅值均超過60 dB，且信號經(jīng)過傳播衰減后仍然超過門檻值，并被大部分傳感器接收到；再加上信號能量在20～150范圍內(nèi)，持續(xù)時間非常短，這些信號特征是典型的缺陷擴(kuò)展特征，說明球罐在升壓過程中本體缺陷具有較強(qiáng)的活性。圖4為球罐的兩次加壓過程的聲發(fā)射定位結(jié)果。

2.2 檢測結(jié)果匯總及分析

通過對采集到的聲發(fā)射信號進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，將每一個階段重復(fù)發(fā)生的定位源區(qū)進(jìn)行標(biāo)記，對比這些區(qū)域不同階段的聲發(fā)射源發(fā)生的事件數(shù)、能量、持續(xù)時間、定位位置等，依據(jù)NB/T 47013.9中關(guān)于聲發(fā)射定位源活性等級劃分要求進(jìn)行匯總，結(jié)果如表2所示(表中√代表有聲發(fā)射定位源，×代表沒有有效聲發(fā)射定位源)。

表2 球罐的兩次加壓循環(huán)聲發(fā)射定位源匯總

對圖4與表2進(jìn)行綜合分析，可以發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射定位結(jié)果具有以下特點(diǎn)。

(1) 隨著壓力的上升，聲發(fā)射定位源位置從相對離散逐漸發(fā)展為越來越集中，這主要是因?yàn)榈谝淮紊龎哼^程中缺陷在擴(kuò)展時已經(jīng)將累積的能量釋放，即使再次升壓，如果沒有致使其產(chǎn)生活度更為強(qiáng)烈的能量來源，缺陷擴(kuò)展信號的幅值和聚集程度也有可能不會超過前一次過程中的信號；另一方面，前期的升壓過程中，結(jié)構(gòu)的內(nèi)部還含有大量的應(yīng)力分布不均勻或結(jié)構(gòu)摩擦(如螺栓、法蘭、密封連接面等)聲發(fā)射信號，這均會導(dǎo)致前幾個升壓階段的聲發(fā)射信號相對較多。但隨著壓力的上升，再次出現(xiàn)的聲發(fā)射信號則更多來自于缺陷的活動，其激發(fā)的載荷也更高，能夠在幾個連續(xù)加壓階段重復(fù)出現(xiàn)，活性也必然較強(qiáng)，因此在實(shí)際的定位顯示中會形成更為密集的聲發(fā)射定位源集中[如圖4(d)中的上部環(huán)縫位置和上部Y縫位置]。

(2) 第一次加載循環(huán)過程中，在1.2～1.4 MPa,1.4～1.6 MPa,1.6～1.837 MPa升壓階段，4個聲發(fā)射源均有出現(xiàn)，而在保壓階段各定位源并不同時出現(xiàn)，其中以上環(huán)縫出現(xiàn)頻率最高，因此可以看出每個定位源區(qū)的缺陷活性等級不同，上環(huán)縫的缺陷活性程度最高。

(3) 在匯總后的4個定位區(qū)域中，上環(huán)縫和中環(huán)縫在不同加載過程中的聲發(fā)射定位源并不完全集中在某處，更多的是分散在環(huán)向位置，其中上環(huán)縫主要集中在10～13號傳感器位置，中環(huán)縫主要集中在17～20號傳感器位置。而上部Y縫位置和下部環(huán)縫位置則非常集中，分別在2號傳感器和27號傳感器附近。這說明球罐的上部環(huán)縫和下部環(huán)縫的活性缺陷可能分布在較長區(qū)域內(nèi)或在多個位置出現(xiàn)，而Y縫位置和下部環(huán)縫位置的缺陷數(shù)據(jù)則相對單一。

(4) 在第二個加壓循環(huán)中，除上部環(huán)縫在加壓過程中出現(xiàn)了少量離散的聲發(fā)射事件外，其他幾個定位源區(qū)均未出現(xiàn)，這主要是Kaiser效應(yīng)造成的，即對材料進(jìn)行反復(fù)卸加載試驗(yàn)時，材料在超過先前所施加的應(yīng)力之前，不會出現(xiàn)可探測到的聲發(fā)射。

2.3 缺陷的評級

(1) 球罐材料為SPV355N，參照NB/T 47013.9標(biāo)準(zhǔn)第6.3條中的表4規(guī)定，從各通道采集到的聲發(fā)射信號最大幅值均在70 dB以下，參考標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于材料Q345R聲發(fā)射信號強(qiáng)度級別分界的a，b值，判定聲發(fā)射源的強(qiáng)度等級為中強(qiáng)度；4處聲發(fā)射定位源區(qū)的活性等級均為強(qiáng)活性。

(2) 依據(jù)NB/T47013.9標(biāo)準(zhǔn)第6.4條中的表5規(guī)定，該球罐的上環(huán)縫位置聲發(fā)射源綜合等級評定為Ⅳ級，下環(huán)縫、中環(huán)縫和上部Y縫位置聲發(fā)射源綜合等級評定為Ⅲ級。依據(jù)NB/T47013.9標(biāo)準(zhǔn)第7.3條規(guī)定，判定對該球罐的定位源區(qū)域進(jìn)行相關(guān)無損檢測方法的表面和內(nèi)部缺陷復(fù)驗(yàn)。

3 缺陷復(fù)檢

3.1 TOFD檢測復(fù)驗(yàn)

對球罐的主要焊縫進(jìn)行100%TOFD檢測，檢測結(jié)果如表3所示。

表3 焊縫缺陷的TOFD檢測結(jié)果

圖6 中環(huán)縫TOFD復(fù)驗(yàn)結(jié)果

3.2 超聲檢測復(fù)驗(yàn)

對聲發(fā)射檢測發(fā)現(xiàn)有活性缺陷的4處焊縫進(jìn)行超聲檢測復(fù)驗(yàn)，其中對上環(huán)縫、中環(huán)縫、下環(huán)縫、上部四處Y縫交叉點(diǎn)三邊各1 000 mm區(qū)域均進(jìn)行100%檢測，其結(jié)果也再次驗(yàn)證了TOFD檢測的結(jié)果，依據(jù)NB/T 47013.3《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》，將其評定為面積型缺陷，Ⅲ級。

3.3 缺陷打磨復(fù)驗(yàn)

對檢測中確認(rèn)的缺陷進(jìn)行打磨處理后，在這些區(qū)域均發(fā)現(xiàn)了明顯的裂紋(見圖7，8)，完全驗(yàn)證了聲發(fā)射檢測、TOFD(超聲波衍射時差法)、UT(超聲檢測)的結(jié)果，且開裂寬度在目視情況下已經(jīng)完全清晰可見，且長度較長，這也印證了聲發(fā)射活性較強(qiáng)的評級結(jié)果。

圖7 上環(huán)縫位置缺陷(長度2 020 mm)

圖8 裂紋缺陷打磨后的顯示

3.4 缺陷修復(fù)與檢測

圖9 中環(huán)縫裂紋缺陷修復(fù)后圖片

圖10 上部Y縫裂紋缺陷修復(fù)后圖片

對打磨后發(fā)現(xiàn)的裂紋缺陷進(jìn)行打磨直至裂紋消失，再通過合理的焊接工藝進(jìn)行補(bǔ)焊和熱處理，從而消除這些缺陷(見圖9，10)。最后再利用聲發(fā)射、TOFD檢測方法進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，以評定缺陷的修復(fù)質(zhì)量。其中TOFD檢測結(jié)果顯示，修復(fù)后的焊縫質(zhì)量達(dá)到Ⅰ級，符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。聲發(fā)射檢測結(jié)果顯示，在修復(fù)部位產(chǎn)生了大量的聲發(fā)射信號[見圖11(a)]，但這些信號的能量均在0～2范圍內(nèi)，進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波后均被消除[見圖11(b)]，這主要是由于材料在焊接過程中產(chǎn)生了大量的殘余應(yīng)力，而加壓時出現(xiàn)了應(yīng)力的釋放和重新分布，因此這些信號屬于金屬內(nèi)部的摩擦信號，其都不構(gòu)成有效的聲發(fā)射定位源，為噪聲信號。

圖11 缺陷修復(fù)后聲發(fā)射復(fù)驗(yàn)檢測結(jié)果

4 缺陷成因分析

4.1 缺陷成因分析

(1) 球罐充裝介質(zhì)為液化石油氣，不含水，工作溫度為常溫，材料SPV355N為低碳合金鋼，從失效機(jī)理上看，其對于液化石油氣中硫成分導(dǎo)致的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂和應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂應(yīng)該不敏感；且從缺陷打磨后的檢測結(jié)果可以看出，裂紋均位于焊縫內(nèi)部，也再次否定了缺陷是由于外部接觸介質(zhì)造成的推測。

(2) 此次檢測后，又分別進(jìn)行了兩臺材料為SPV355N的球罐聲發(fā)射檢測(一臺在筆者單位，另外一臺在相鄰公司)，其使用年限、充裝介質(zhì)、使用條件也基本相同，檢測過程中也在幾乎相同的區(qū)域發(fā)現(xiàn)了大量的裂紋缺陷。但在同樣使用條件下的16MnR材料的球罐中則沒有此類現(xiàn)象。查找球罐建造時的材料證明文件，比對SPV355N與16MnR兩種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能指標(biāo)，如表4，5所示(表4中為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

對上述兩種材料的化學(xué)成分和材料力學(xué)性能進(jìn)行分析，可以看出SPV355N材料(日本進(jìn)口)在基本相近的抗拉強(qiáng)度下，通過增加合金元素含量，有效地提升了材料的屈服強(qiáng)度，使得材料的屈強(qiáng)比相對于16MnR的有了較大的提高。這樣在設(shè)計球罐時，相同壓力下使用到的罐體材料量會大大減少，能有效地節(jié)約材料成本。但是，從連續(xù)幾個SPV355N球罐的聲發(fā)射檢測結(jié)果可以看出，這種母材的球罐在長期使用后，其焊縫開裂的可能性較大。對材料的焊接性能進(jìn)行分析可知，屈強(qiáng)比提高會導(dǎo)致材料的塑形下降，使得焊縫的脆性增加，進(jìn)而對裂紋缺陷擴(kuò)展的抵抗力下降(材料的抗疲勞性能下降)，即SPV355N材料的焊縫質(zhì)量不如力學(xué)性能相近的16MnR的焊縫質(zhì)量好，這也就是相鄰16MnR球罐檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)此類大范圍活性缺陷的重要原因。

表4 材料SPV355N和16MnR化學(xué)成分對比 %

表5 材料SPV355N和16MnR的力學(xué)性能對比

(3) 此次發(fā)現(xiàn)的裂紋缺陷絕大部分位于球罐的上半部分，且均發(fā)生在焊縫的內(nèi)部。綜合分析裂紋產(chǎn)生的原因，認(rèn)為主要有兩方面：首先企業(yè)可能有壓力異常使用的狀況，或壓力波動頻率較高，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)展(企業(yè)缺乏相應(yīng)的壓力循環(huán)記錄印證，該可能性較小)；其次，罐體分段焊接時，上部罐體可能受到了強(qiáng)力組裝，在熱處理效果不理想的情況下，產(chǎn)生了大量的殘余應(yīng)力，從而使得投入使用后罐體內(nèi)逐漸形成延遲裂紋，并隨著使用時間的延長，裂紋不斷擴(kuò)展最終形成長達(dá)數(shù)米的裂縫。

4.2 檢測結(jié)果分析

(1) 此球罐使用周期達(dá)到20 a，經(jīng)歷了多次的開罐定期檢驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)有如此大量的缺陷。綜合分析歷次檢測結(jié)果，可能有以下幾方面原因：在以往的檢測中,主要采用超聲檢測、磁粉檢測和滲透檢測方法，其檢測精度較依賴于人員的技術(shù)水平；再者在前幾次的檢驗(yàn)周期內(nèi)，缺陷的尺寸較小，可能未達(dá)到返修的標(biāo)準(zhǔn)，但在該檢驗(yàn)周期內(nèi)缺陷快速擴(kuò)展，尺寸逐漸增大；另一方面此次檢驗(yàn)采用了更多的無損檢測新方法，如TOFD檢測和聲發(fā)射檢測技術(shù)，其檢測精度與缺陷檢出率均較高。

(2) 從TOFD復(fù)驗(yàn)檢測和打磨后復(fù)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，上環(huán)縫有8處裂紋，中環(huán)縫有3處裂紋和7處斷續(xù)渣或圓缺。聲發(fā)射檢測結(jié)果表明上環(huán)縫缺陷的活性遠(yuǎn)大于其他位置的，這主要是由于裂紋缺陷的開裂傾向性遠(yuǎn)高于夾渣或圓缺的，且上環(huán)縫的裂紋長度也遠(yuǎn)比中環(huán)縫、上部Y縫和下部環(huán)縫的長得多，因此也再次驗(yàn)證了聲發(fā)射檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

(1) 使用聲發(fā)射技術(shù)檢測球罐，在理論和實(shí)踐過程中已經(jīng)得到了很好的驗(yàn)證，其可靠度完全可以滿足工程需求。聲發(fā)射檢測可以實(shí)現(xiàn)在球罐外部的在線檢測，可以為企業(yè)節(jié)省非常可觀的檢驗(yàn)成本，因此有著巨大的市場需求。

(2) 在實(shí)際應(yīng)用過程中，聲發(fā)射檢測技術(shù)對于發(fā)現(xiàn)的活性定位源，需要檢測人員進(jìn)行充分地分析和判別，因此對檢測人員的知識背景要求較高，僅僅依靠單獨(dú)的取證還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

(3) 聲發(fā)射檢測結(jié)果主要反映設(shè)備內(nèi)部的缺陷在一定載荷下的擴(kuò)展活性和強(qiáng)度綜合等級，而難以對缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定性和定量，這就需要使用其他檢測方法進(jìn)行復(fù)驗(yàn)[6-9]。大量的工程實(shí)踐證明，TOFD檢測、UT檢測在缺陷復(fù)驗(yàn)方面，其可靠度和檢測效率方面更為值得信賴。

(4) SPV355N材料的球罐在使用的前期階段，其安全狀況較好，但在使用20 a后，焊縫質(zhì)量有可能明顯地下降，需要重點(diǎn)關(guān)注，必要時應(yīng)縮短檢驗(yàn)周期，并增加諸如聲發(fā)射、TOFD等方法的補(bǔ)充檢測，從而提高缺陷檢出率。