基于聲發射的船用壓力容器泄漏檢測試驗設計研究

趙冬冬，吳猛猛,2，明 岳，張文彬

(1.海軍潛艇學院，山東 青島 266199；2.中國科學院聲學研究所，北京 100089；3.92196部隊，山東 青島 266005)

壓力容器是一種工業領域常用的設備，在石油化工、船舶工業、發電等領域有重要的應用[1]。其在艦船上同樣具有廣泛的應用：用于保障艦船生命力的高壓氣系統中，利用高壓氣瓶儲存壓縮空氣，以便艦船浮起時吹除水柜中的水；用于為艦船提供能源的液壓系統中，利用高壓氣瓶向蓄能器供壓，以便向液壓用戶穩定地提供液壓油；用于消防的化學滅火系統，利用壓力容器儲存具有一定壓力的滅火劑，以便失火時快速進行化學滅火；用于魚水雷發射系統中，利用壓力容器儲存的高壓氣體將魚水雷推出發射管等。壓力容器的正常工作是保障艦船生命力、戰斗力和保障機械設備的正常運行的重要基礎。由于艦船上的壓力容器具有較高的承壓能力，因此，一旦發生壓力容器泄漏，將對艦船生命力、船員人身安全及機械設備正常運行帶來很大威脅。例如，當儲存滅火劑的氣瓶發生微量泄漏時，不易被察覺，但有毒氣體釋放至密閉的艙內達到一定濃度后，會對船員身體產生不可逆轉的損害，甚至會產生窒息危險。船用壓力容器的泄漏檢測及在線監測成為重點研究內容。

當前船用壓力氣瓶狀態的實際檢測分為2種情況：①在日常使用階段，仍然采用傳統的人工檢測方法，即在夜晚安靜工況下，在壓力容器上涂抹肥皂水，根據觀察氣泡及聽辨聲音來進行管路檢測；②在進廠維修及改換裝階段，利用超聲探傷儀、超聲測厚儀和磁粉探傷技術分別對壓力容器的焊縫內部、容器厚度、焊縫表面及近表面進行檢測。人工檢測費時費力，且只能對部分船內容器進行檢查；拆檢則需花費大量的人力物力，經濟性差且2種方法均無法實現對船用壓力容器的在線監測，而聲發射技術將很好的解決這一問題。

1 壓力容器聲發射檢測機理

材料中局域源能量快速釋放而產生瞬態彈性波的現象稱為聲發射(AE)[2]。在固體材料中，聲發射信號的產生往往來源于材料內應力的變化。在材料的加工、處理和使用過程中，很多因素都會導致內應力的變化，如材料的熱脹冷縮、裂紋的萌生與擴展、外加負荷的變化等。以裂紋的產生為例，當固體材料中裂紋在萌生階段，局部的應力集中得到釋放，產生應變能和應力波。裂紋在擴展和斷裂階段也會釋放應變能并產生應力波。當應力波傳播到達材料的表面后，引起表面位移。用于探測這種表面位移的聲發射傳感器探測到表面位移，通過探測器將這種機械振動轉化為電信號，電信號最終被系統放大、處理、記錄和顯示[3]，最終得出材料內部聲發射源的特征參數與波形圖，整個流程便是聲發射檢測技術的基本原理。聲發射檢測技術基本原理示意圖如圖1所示。

圖1 聲發射檢測技術基本原理示意圖

隨著技術的發展，近年來另一類與斷裂機制無直接關系的彈性波源(如流體泄漏、摩擦、撞擊、燃燒等) 被稱為二次聲發射源[4]。壓力容器泄漏的聲發射信號就屬于二次聲發射源，它是由于壓力氣體在壓力容器的泄漏點泄漏時，壓力氣體撞擊容器壁或容器接口管材料所激發的彈性波，是一種連續型的聲發射信號。

2 基于聲發射的壓力容器泄漏檢測系統設計

基于聲發射檢測技術的基本原理，本文設計了試驗室條件下船用壓力容器的聲發射檢測系統，用于對船用壓力容器不同壓力、不同泄漏位置和不同泄漏量的聲場特性進行檢測。

2.1 檢測系統整體組成

檢測系統組成框圖如圖2所示。系統包含檢測試驗臺和聲發射檢測裝置2部分。檢測臺包含高壓起源1個，采用終壓為3.0 MPa的空氣壓縮機；待檢測的船用壓力容器1個；減壓器、壓力表、流量計、消音器等檢測儀器儀表1批。聲發射檢測裝置采用某公司生產的聲發射檢測儀器1套。

圖2 檢測系統組成框圖

2.2 檢測方案設置

在船用壓力容器的故障收集過程中發現，壓力容器的泄漏主要發生在氣瓶瓶口處，出現泄漏的主要原因為：①瓶口處紫銅墊圈有裂紋或安裝過程中產生了壓痕或磨痕，四氟乙烯墊圈出現磨痕、老化；②瓶口螺紋接口處不密封；③螺帽松動、氣瓶口附近閥件關閉不嚴；④瓶身腐蝕、固有缺陷擴展等。

在這些泄漏現象中，瓶口處泄漏為最常見的泄漏方式，此外，也發生過瓶身蝕孔泄漏情況，檢測方案設計示意圖如圖3所示。圖3(a)為1號氣瓶檢測方案，在氣瓶未鉆孔情況下，進行瓶口螺紋微量泄漏檢測，檢測完畢后恢復瓶口密封性，隨后在1號氣瓶瓶身鉆D0.5小孔，進行瓶身泄漏檢測。圖3(b)為2號氣瓶檢測方案，在圖示位置鉆D1.0小孔，進行瓶身泄漏檢測。

圖3中，壓縮機及儲氣罐作為氣源，儲氣罐的設置起到很好的保壓作用，便于2個待測氣瓶同壓力下不同測點的聲發射信號的采集。氣罐上設置有安全閥，防止壓縮機供氣壓力超過儲氣罐承壓，起到保護作用；在管路上設置有調壓閥，起到節流降壓的作用，用于調整測試壓力；調壓閥前后分別設有壓力表，用來觀察儲氣罐壓力及減壓后的壓力；管路上設有流量計，用于測量氣體泄漏量，檢測不同泄漏量時聲發射信號的強度；泄壓閥用于測試完畢后泄放氣瓶壓力，避免氣瓶長時間處于高壓下。

2.3 檢測平臺搭建

1)氣瓶泄漏檢測試驗臺搭建。氣瓶泄漏檢測試驗臺實物圖如圖4所示。試驗臺中的待檢測氣瓶為船用壓力容器，在船上作為蓄能設備，用來儲存高壓空氣。試驗中，先測試了完好氣瓶不同位置的聲發射信號，檢測該氣瓶固有聲發射特性。待無泄漏聲發射信號檢測完畢后，將1個待測氣瓶瓶口處接管螺紋進行人為破壞，測試圖3(a)對應聲發射信號，檢測完畢后更換瓶口接管，保證瓶口密封性。另分別在2個氣瓶上鉆D0.5和D1.0小孔，測試圖3(b)對應泄漏信號。

圖3 檢測方案設計示意圖

圖4 氣瓶泄漏檢測試驗臺實物圖

2)聲發射檢測系統搭建。本試驗采用的檢測裝置為某公司聲發射檢測儀，該檢測儀主要由聲發射傳感器、前置放大器、信號采集卡以及工控機等組成，聲發射檢測系統實物圖如圖5所示。聲發射檢測裝置的工作原理是通過聲發射傳感器將氣瓶泄漏時產生的機械波信號轉換為電信號，并通過前置放大器將這一電信號放大后傳輸給檢測裝置的主處理器，經處理、存儲后等待后續的信號分析處理和顯示。

圖5 聲發射檢測系統實物圖

3 試驗及結果分析

試驗中對完好氣瓶進行了無泄漏狀態下的聲發射數據采集，作為氣瓶泄漏特性數據的比對數據。利用空壓機將氣瓶分別加壓至0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa，檢測得到無泄漏狀態下的平均信號電平(ASL)的時域圖及電源頻率圖。然后根據設計需要在2個氣瓶不同位置分別鉆孔(D0.5和D1.0)，對不同壓力下、不同泄漏位置和不同泄漏量下的聲場特性分別進行了檢測，得到不同條件下船用壓力容器的泄漏聲場特性。取1.0 MPa和1.5 MPa壓力下、氣瓶無泄漏狀態與瓶口微量泄漏狀態下的聲發射特性參數進行對比，不同壓力下無泄漏與瓶口微量泄漏時的聲發射信號對比圖如圖6所示。

圖6 不同壓力下無泄漏與瓶口微量泄漏時的聲發射信號對比圖

由圖6可知，在無泄漏狀態下，同一氣瓶同一檢測位置的聲發射信號ASL為固定值，不隨壓力變化而變化。通過大量試驗表明，該值也不隨檢測位置變化而變化，即在無泄漏狀態下，壓力容器的ASL是固定值，不隨檢測位置和檢測壓力(該檢測壓力為不足以使氣瓶產生新裂紋或使固有裂紋進一步擴展的壓力)變化而變化。當壓力氣瓶出現微量泄漏時，其ASL幅度出現較為明顯的變化。

通過對該壓力容器進行大量檢測試驗發現，試驗結果符合預期，該檢測平臺可以滿足對壓力容器的多種泄漏模式下的聲發射信號特征參數的檢測。

4 結束語

該檢測裝置設計比較合理，能夠較好地反映出壓力容器的泄漏聲發射特性，從而驗證了利用聲發射信號檢測船用壓力容器泄漏的可行性，同時檢測結果表明該裝置的檢測精度較高、結果準確、適用性較好。下一步將在此基礎上開展實船壓力容器泄漏在線檢測試驗，開發手持式壓力容器泄漏檢測儀器或在線監測系統，這將對艦船壓力容器的完好性監測和艦船的安全保障具有十分重要的意義。