聲發射技術在大型壓力容器檢驗中的應用研究

楊宇博

(1.天津市特種設備監督檢驗技術研究院,天津 300192;2.國家市場監管重點實驗室(特種設備數字孿生共性技術),天津 300192)

壓力容器是承載化學物品的特殊設備,具有承壓性和密閉性的特點,在現代工業生產中占據重要地位,有著廣泛的應用空間。受材質、環境、操作等因素的影響,大型壓力容器易出現介質泄露的問題。一旦發生泄漏,將對周圍環境造成污染,損害人的身體健康,因此檢驗人員必須以科學的技術手段,以嚴謹負責的工作態度,加強對大型壓力容器質量的檢驗。而聲發射技術作為一種無損害、高效率的技術,基于其技術優勢可以達到精準檢驗容器質量的目的,及時找到容器存在的缺陷,促進維修養護工作的開展,提高容器使用的安全性和穩定性。

1 壓力容器的危險性

壓力容器是盛裝化學物質的密閉容器,按照性質和功能,可將其劃分為反應壓力容器、換熱壓力容器、分離壓力容器、儲存壓力容器四大類。按照使用的位置可將其劃分為移動式壓力容器和固定式壓力容器兩大類。通常壓力容器儲存的物質有易燃性、易爆性及高腐蝕性,對壓力容器的材料質量和使用性能要求極高,基于材料老化、操作不當和外界環境影響等因素,增大了壓力容器應用的危險程度。相較于中小型壓力容器,大型壓力容器在應用時危險性更高。容器在使用的過程中,其本身承受巨大壓力,如果工作人員沒有控制好容器壓力的標準值,那么很可能引發爆炸,尤其是大型壓力容器存儲的是高能量的化學物質,這些化學物質在爆炸時將釋放巨大的能量,產生熱浪、輻射及沖擊波,會對周圍建筑造成巨大破壞,嚴重威脅生產人員的安全。不僅如此,這些化學物質往往有劇毒,能夠污染環境和破壞生態,人一旦觸碰到這些有毒物質,很可能誘發重大疾病,如臟器功能減退,血液感染、癌癥等、加之大型壓力容器爆炸的威力巨大,通常還會引起一系列的連鎖事故。比如1992年通遼市油脂化工廠發生一起特大的傷亡事故,主要是因壓力容器失控引起的爆炸,整個車間廠房東側被炸塌,附近建筑被大面積破壞,個別墻體被爆炸飛物貫穿,伴有大火災,直接造成8人死亡,4人重傷,13人輕傷的慘劇。借鑒于此次事故的發生,在實際的生產工作中,工作人員必須重視檢驗大型壓力容器,及時排除安全隱患問題,為工業生產創設安全穩定的環境[1]。

2 聲發射技術的基本原理及發展現狀

了解聲發射檢測技術的基本原理,首先要正確認識聲發射的概念。聲發射是指材料在發生變形或出現裂紋時,以彈性波的形式釋放應變能的現象。基于這種現象特點,工程師依托聲電、數字等技術發明了聲發射檢測技術。聲發射檢測技術的基本原理是聲發射源釋放的彈性波在構件內部傳播,產生一定的波形位移,此時利用傳感器捕捉信號,經過電子設備的處理,使之生成電信號或數字符號。在檢測工作中,為了準確了解材料的缺陷問題,技術人員可以通過放大、處理、記錄和分析這些信號,從中掌握缺陷信息的情況,進而實現對材料質量的檢測[2]。聲發射儀器主要有單通道聲發射儀和多通道發射儀兩種。單通道發射儀的運作原理相對簡單,檢測的精準度稍差。多通道發射儀的運作原理較為復雜,檢測的精準度更高。對于大型壓力容器質量的檢測,應選擇多通道聲發射儀。如果材料內部存在缺陷,依托多通道系統能夠快速掌握缺陷程度及發現缺陷的具體位置。

聲發射技術作為一種高效化、便捷化及無損害化的動態檢測技術,在檢測材料和構件上有著廣泛的應用,現代工業生產對壓力容器的使用需求和使用質量在不斷提高,加強聲發射技術在材料檢測領域中的應用勢在必行。一方面,國家高度重視聲發射技術的研究,投入大量的人力、物力及財力,以求在提高檢測穩定性和精準性上有更多的突破。另一方面,隨著聲發射技術應用的創新與完善,其已走向專業化和規范化的發展道路,隨其應用效果的不斷提高,將進一步推動我國工業的發展。

3 聲發射技術的優缺點

在對大型壓力容器使用質量進行檢驗時,聲發射技術是一種可依賴、可信任的檢測技術。壓力容器是用于盛裝化學物質的容器,在其使用前、使用中及使用后都要進行常規的檢驗。對于容器外表情況的檢查較為直觀簡單,對于容器內部情況的檢查較為隱晦復雜。聲發射技術基于其優勢,可以有效避免人工檢驗不全面、不細致等問題,而且還能有效降低檢驗成本。同時聲發射技術不僅適用于檢驗應用時間較長的壓力容器,也適用于檢驗應用時間較短的壓力容器,并且能夠取得良好的檢驗效果,為壓力容器的安全穩定運行提供保障。在檢驗工作中,通過應用聲發射技術檢驗容器,依托檢驗結果判斷容器是否存在缺陷。聲發射技術作為全新、無損及高效的動態檢驗技術,更能滿足壓力容器檢驗的工作需求,比如在動態信息處理方面,基于該技術的檢驗原理,可知有變形或裂紋的容器構件發出彈性波,經過傳感器收集和電子設備的處理,可以顯示出信息情況,從而了解是否存在缺陷以及存在的缺陷大小程度和具體位置。尤其通過綜合分析,參考與對比數據,可以對壓力容器的使用情況、使用壽命等作出評價[3],提出相應的維修養護建議。同時還便于對容器內部缺陷活動規律的探測,提出相應的安全防范措施,避免發生安全事故。

雖然聲發射技術含量和應用水平在不斷提高,但是在某些方面仍存在明顯的不足。依托聲發射技術檢驗壓力容器的安全穩定性,主要以檢測數據為評定依據,但受外界環境的影響,容器材料可能對檢驗工作產生一定的敏感度,進而造成檢測數據的準確性下降。通常情況下,這種敏感性帶來的影響較小,但直接影響了檢驗的質量和效率。值得一提的是,聲發射技術在投入使用后,檢驗人員需要調試儀器設備,加載系統程序,任何一個細節出現錯誤,都直接影響檢測結果,檢驗人員必須做好相應的準備工作。此外,從發展和應用的角度來說,我國聲發射技術尚處于初步發展完善階段,仍要繼續提高技術含量和積累實踐經驗,技術應用范圍有待拓展,技術瑕疵有待克服。在利用聲發射技術檢驗材料和構件的安全穩定性時,檢驗人員還需要進行多次反復的檢驗,通過加強數據整理與分析,以對材料和構件的安全穩定性作出合理的判斷。這無疑增加了檢驗的工作量和工作難度,對檢驗人員的素質和能力提出了更高的要求。

4 聲發射技術在大型壓力容器檢驗中的應用要點

首先,技術人員要科學地選擇檢驗儀器。針對大型壓力容器檢驗儀器的選擇應用,主要考慮以下三點內容:一是準確掌握大型壓力容器的基本特征,包括大型壓力容器的型號、結構、應用環境等,依據實際情況選擇適合檢驗的儀器設備,避免增加檢驗的工作量和工作難度。二是保證儀器設備有較好的彈性波采集能力。聲發射檢驗技術的工作原理是通過采集聲發射源釋放的彈性波,經過電子設備的綜合處理后,將彈性波轉化成電子信息或數字符號,進而為技術人員提供參考數據。如果儀器設備對彈性波的采集能力較弱,采集效果不穩定,那此次檢驗工作將失去價值和意義,所以,在選擇聲發射檢驗儀器時,應選擇受外界影響小,且波形采集能力強的設備。三是在完成上述兩項工作后,還需結合工程實際需求,做好系統加載工作,調整和優化數據,以實現對參數條件的高效控制。

其次,技術人員要合理地布置傳感器。依托聲發射技術檢驗大型壓力容器的安全性時,須在容器的周圍布置一定數量的聲信號傳感器,這些傳感器最大的作用是探尋容器存在的聲發射源,獲取缺陷信息,通過這些信息進行轉化、記錄與分析處理,技術人員可以了解容器故障的類型、程度與位置。因此,須充分考慮實際情況,加強傳感器布置設計,確保更快更準地獲取容器變形、裂紋及斷裂的信息。在設計中,還要兼顧容器的形狀、質量、體積及焊縫結構等,結合實際需求,分析布置傳感器的數量與位置及聲發射通道的數量。通常情況下,采用三角形的布置方式,既能達到節約資源投入,又能達到快速獲取缺陷信息的目的。再次,技術人員要做好加載測試工作。基于該項工作可以提高檢驗的質效性,促進檢驗工作的順利完成。在容器加載實驗的過程中,既要嚴格按照實驗要求與細則完成加載操作,同時加強檢查,確保操作準確到位。同時也要重視控制水壓荷載和容器承載能力,確保滿足實驗所需各項標準。比如在球狀大型壓力容器聲發射檢驗中,技術人員可先建立水壓實驗方案,在預估水壓荷載下限值后,結合容器的設計壓力和運行加載歷史,確定水壓試驗壓力。然后在加壓和保壓過程中,可以結合實際情況,確定發射聲信號。

最后,技術人員要進行信號源定位和分級。在利用聲發射技術檢驗大型壓力容器的缺陷時,須充分考慮實際情況,選用智能檢驗設備,合理布置傳感器的數量和位置,以快速完成對聲發射源釋放的彈性波信號的捕捉,隨后借由整個系統的運轉,實現信號轉化、信息傳輸與數據分析,將檢驗結果完成地現實出來。為了提高聲發射檢驗的精準度,技術人員要從以下兩個方面加強對容器缺陷的定位與定量控制:一是利用定位系統分析傳感器收集的電信號數據,以鎖定容器缺陷的具體位置。二是強化對傳感器收集信號的處理能力,尤其是必須實現數據的穩定轉化,避免數據在轉化中出現丟失的情況,以了解容器的缺陷類型和缺陷程度。另外,在完成檢驗工作后,技術人員還要加強容器缺陷情況的分析,包括缺陷形成的原因等,結合容器的使用需求,制定針對性的缺陷處理方案,在最大限度上提高大型壓力容器的安全性,提升其使用質量和效果[4-5]。

值得注意的是,若對處于生產期間對壓力容器進行檢驗與安全評定,其可能存在超出檢驗期限的現象,針對這種情況,可以采用聲發射技術對壓力容器進行檢驗,尤其是針對檢驗到期的壓力容器。除此之外,通過聲發射技術不僅可在線監測,還可進行安全評定。一方面,技術人員可以調整壓力窗口的工作壓力,將生產工藝允許的最高工作壓力作為調整的方向,經過生產介質促進壓力容器工作壓力提升,將其提升在允許最高范圍內。另一方面,經過聲發射檢驗技術能實現對反饋信號的收集,還能做好相應的整理并加以分析,適當可將工作時間進一步延長。通過這樣的方式分析壓力容器的安全使用周期,適當延長壓力容器的停產受檢期,以實現效益最大化。

5 聲發射技術在大型壓力容器檢驗中的應用案例

某化工企業擴大生產規模,引入多組大型壓力容器設備,用以盛裝生產所需的氣態原料和液態原料。企業認真落實生產安全要求,將現有的氣態原料和液態原料分開管理,分別儲存在A和B兩個大型壓力容器中。A壓力容器是廠房原有設備,投入使用時間較長,受作業環境、材料老化、承壓受力作用等因素的影響,存在一定程度的介質泄露的情況,給企業生產埋下了安全隱患。為了不影響正常生產,確保生產人員的安全,該企業組織專業技術人員運用聲發射技術對A和B兩個壓力容器進行安全檢驗。在具體的檢驗過程中,技術人員加強對聲發射技術應用方法的控制,及時準確地處理檢驗中遇到的問題。

首先,技術人員清理檢驗現場,認真檢查A和B兩個壓力容器的外觀,發現A壓力容器的外表存在很多微小的裂縫,而且這些裂縫有明顯的拓展趨勢。根據裂縫發生的位置及其幾何形狀,將A容器上的裂紋劃分為深埋裂紋、表面裂紋和穿透裂紋三類,采取不同的方法進行處理。其次,技術人員重視分析這些裂紋產生的原因,發現A壓力容器除了外部載荷、環境和內部介質外,長期處在運行狀態,長期超負荷工作,導致該容器受損嚴重。加之相應的養護工作不到位,進一步加重了容器的損傷。再次,技術人員利用聲發射技術開展裂縫的精準檢驗。在整個操作過程中,技術人員先后完成儀器選擇、傳感器布置、加載測試、定位與定量等工作,為后續的容器檢驗做好準備。為了取得理想的檢驗效果,技術人員重點在大型壓力容器焊縫附近布置傳感器,這些傳感器捕捉聲發射源釋放的彈性波,再依托計算機系統進行收集信號的轉化處理和分析,確定A壓力容器多處處于亞臨界裂紋擴展階段。最后,在利用聲發射技術探尋了解裂紋的程度與位置后,技術人員對容器的裂紋情況進行綜合性的評價,并開展了相應的修復工作。尤其是對處于亞臨界裂紋擴展階段的裂紋進行修復,同時更換裂紋處于快速擴展的容器,有效保證容器使用的安全性,促進生產的正常運行。

大型壓力容器在現代工業生產中的應用愈發廣泛,為避免出現安全事故,須加強先進的檢驗技術的應用。聲發射技術作為一種新型無損檢測技術,其在壓力容器安全性的檢驗中發揮了重要作用,提高了檢驗的質效性,降低了檢驗成本的投入,保證了壓力容器的安全運行。為加強聲發射技術在大型壓力容器檢驗中的應用,檢驗人員還需準確把握技術應用要點,在實踐中進行拓展應用,促進該檢測技術的完善與成熟。