压力容器无损检测技术的现状与发展

! 专题综述 # 压力容器无损检测技术的现状与发展 3 梁宏宝 1 王立勋 1 刘 磊 2 (1 1大庆石油学院现代教育技术中心 21大庆石油管理局) 摘要 为了避免和减少压力容器失效事故的发生,最有效的措施就是对压力容器进行监测和 定期检验。简单介绍了几种压力容器无损检测技术的应用特点,这些技术包括超声检测技术,红 外热检测技术,声发射检测技术以及金属磁记忆检测技术。对这些技术的研究现状进行了详细的 阐述,同时指出我国压力容器无损检测技术在今后的发展方向仍为关键技术和设备的研究。 关键词 压力容器 超声检测 红外热检测 声发射检测 金属磁记忆检测 引 言 压力容器主要应用于石油化工行业,由于其盛 装着易燃、易爆、剧毒或腐蚀介质,长期承受高温 和压力,是危险性较高的特种设备,在生产和使用 中的失效形式比较复杂,易发生事故。 近几年来,国内外的压力容器爆炸事故屡有发 生,给国家和人民生命财产造成了巨大的损失。 2004年10月大庆石化炼油厂硫磺车间发生爆炸, 其中1个装满酸性液体的大罐顶部被炸开,并燃起 大火,死亡7人; 2005年11月吉林石化公司双苯 厂苯胺装置发生爆炸着火事故,死亡5人, 70多 人受伤; 2005年3月,美国德克萨斯州的一家炼 油厂发生爆炸,造成15人死亡, 100人受伤,直 接损失10亿美元;2005年12月,英国伦敦附近 的1座油库发生爆炸, 36人受伤。 为了避免和减少压力容器失效事故的发生,最 有效的措施就是对压力容器进行监测和定期检验。 因此,无损检测在压力容器制造和使用过程中具有 举足轻重的地位。笔者拟介绍几种压力容器无损检 测技术的应用研究现状及发展方向。 超声检测技术 超声检测是国内外应用最广泛、使用频率最高 且发展较快的一种无损检测技术,主要用于检测对 接焊缝内部埋藏缺陷和压力容器焊缝内表面裂纹, 及从压力容器内部检测焊缝外表面裂纹,也可测出 焊缝内缺陷的自身高度。超声检测技术具有检测对 象范围广、检测深度大、缺陷定位准确、灵敏度 高、速度快、对人体无害以及便于现场使用等优 点,但其缺点是难以检测粗晶材料。 国内外的学者对超声信号的缺陷模式识别、换 能器等关键技术作了大量的研究,具体如下。 11信号处理 针对超声信号中的缺陷识别及其位置的确定问 题,我国张海燕 1 和郭建平等2采用小波包对焊 接缺陷信号超声波检测信号进行降噪处理,起到很 好的降噪效果,且能明显提高信噪比。陈国华 等 3 引入小波分析和人工神经网络技术进行缺陷 深度的智能识别,为超声的定量识别提供有效途 径。赵永林等 4 采用小波包分析方法来提取缺陷 的故障特征,验证了应用集成神经网络对缺陷模式 分类识别的有效性。杨文献等 5提出基于复小波 变换的信号包络及互相关分析技术,成功地解决了 超声信号中的缺陷识别及其位置确定问题。Fairouz Bettayeb等 6 也采用小波包分析来进行超声信号中 缺陷的降噪处理和位置确定,取得了良好的效果。 21超声换能器 目前应用在压力容器检测的超声换能器主要有 压电超声换能器、电磁超声换能器等,其中电磁超 声换能器无需与被测物体接触,可以在高温、高速 45 石 油 机 械 CHI NA PETROLEUM MACHI NERY 2007年 第35卷 第2期 3基金项目:黑龙江省科学技术攻关项目(GC05A521)。 和在线检测上应用。我国哈尔滨工业大学等 7, 8 对 电磁超声换能器和压电换能器的开发和信号处理等 都有研究。目前压电超声换能器向着大功率、低压 驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化发展 8 。 例如西班牙J. A.Gallego Jurez等 9 开发了新型阶 梯板状换能器,属于大功率型的换能器;法国B. Dubus等 10对多层 PZT郎之万换能器的谐振子进 行了实验研究,在低电压下得到了大的振幅 ( l0 V, 5 m) 。 红外热检测技术 红外热检测技术利用红外热辐射特性对设备进 行检测。目前,红外热成像技术主要应用于高温压 力容器热传导的在线检测和对常温压力容器的高应 力集中部位检测。对高温压力容器的检测可以及时 发现压力容器内衬的损伤和内部的结焦、堵塞等异 常情况。红外热检测技术由于具有快速、无损、非 接触、无需耦合、快速实时、大面积、远距离检测 等优点而得到迅速发展。 对于红外热检测技术国外做了大量的研究,例 如AlbertAmedee Ohliger 11 就红外热技术在石油工 业设备中的应用进行了综述,红外检测技术比其他 检测更快,且可进行震动分析,可作为一种提前预 防设备出现事故的 手 段。Francisco J.Madruga 等 12 对装载核燃料的压力容器在制造中运用红外 热检测技术进行监测,能有效地控制制造中产生的 气泡和缺陷。我国目前也已经有研究所和单位对红 外热检测技术的应用、关键技术、仪器开发进行 研究。 中国特种设备检测研究中心、中科院沈阳金属 所、天津石化公司等单位 13, 14开展了金属试样、 压力容器和压力管道缺陷的热传导分析、断裂力学 和应力分析等研究工作,并对液化石油气储罐、反 应器、加热炉和高温压力管道等设备成功地进行了 红外热检测应用工作。我国已能自行研制生产多种 型号的制冷红外热像仪,由华中光电研究所研制的 我国首台非制冷FPA红外热像仪,标志着我国将 结束长期依赖进口设备的局面 15 。 我国红外热检测技术今后的研究方向为2个方 面:一是在传热学、物理学的基础上,设计数学模 型,充分利用计算机的计算能力,建立专家系统, 对在线运行的压力容器进行长期监控;二是在红外 热检测标准方面,我国与国外相比有一定的差距, 因此在解决红外热检测在压力容器检验应用难题的 基础上,建立红外热检测行业或国家标准是研究的 另一个方向 16。 声发射检测技术 声发射技术利用声发射特性(Kaiser效应)来 检测,非常适用于压力容器的动态实时在线监测, 检测时不受设备材料、尺寸、形状和测点位置的限 制,不仅能够诊断缺陷,而且具有预测裂纹发展趋 势的预警功能。 目前声发射理论和研究方向主要是声发射识别 和声发射源评价,具体包括: 声发射源模式或物 理机制; 声发射波在固体材料中的传播理论; 机械声发射信号与电信号的转换 研制高灵敏 度、多频带宽和用途的换能器; 材料的声发射信 号特性; 研制多参数、多功能、高速度和实时分 析的新型声发射检测分析仪; 声发射信号处理的 新理论、新方法; 声发射监测/检测方法; 声 发射源评价标准与规范;声发射含义的广义化 扩展新的研究和应用领域; 声发射技术用于 结构完整性评价的经济分析 17 。国内外对上述方 向展开了大量研究。韩国的Ki - Bok Ki m 18 和 R R da Silva等 19 验证了基于人工神经网络技术的声发 射信号处理和分析技术的有效性。C.Ennaceur 等 20利用声发射技术对压力容器的裂缝扩展进行 了在线监测,取得了良好的效果。 我国目前约有30多个专业检验单位、科研院 所和大专院校从事压力容器声发射检测技术的研究 和应用,从业人员100多人 21 。例如 :合肥通用 机械研究所 22和大庆石油学院等单位23 主要对材 料的声发射特性和压力容器的声发射检测、评定方 法进行了深入的研究。武汉大学等单位 24在磁声 发射机理和应用方面进行了研究。据粗略统计,这 些单位每年采用声发射检测大型压力容器300 500台。在仪器制造和销售方面,国内主要有科海 恒生公司、广州声华公司和沈阳电子所等 25 。 在金属压力容器的声发射信号处理和分析方 面,我国处于领先地位。刘时风、沈功田和耿荣 生 2628 开发和采用了基于波形分析基础之上的模 态分析、经典谱分析、现代谱分析、小波分析和人 工神经网络模式识别,另外也对声发射信号参数采 用了模式识别、灰色关联分析和模糊分析等先进技 术,我国还自主开发了进行各种信号分析和模式识 别的软件包。通过采用这些信号处理与分析技术, 可以在不对声发射源部位进行常规无损检测复验的 552007年 第35卷 第2期梁宏宝等:压力容器无损检测技术的现状与发展 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 情况下,直接给出声发射源的性质及危险程度。 磁记忆检测技术 磁记忆检测技术采用磁致伸缩逆效应原理,是继 声发射后又一利用材料自身结构发射信号的方法来进 行检测的,能有效地用于在役设备早期损伤检测,检 测出可能诱发损伤或破坏的应力集中部位,从而防患 于未然,缺点是难以检测非铁磁性金属材料。 由于金属磁记忆检测技术具有上述特点,因此 引起了国内外学者的关注。A.Dubov 29 将磁记忆 和其他传统的检测相比,综述了磁记忆技术是检测 设备表面应力集中和缺陷的一种新趋势。A.A. Dubov等 30 运用金属磁记忆技术对锅炉和蒸汽管 道的弯曲处进行检测,验证了金属磁记忆作为早期 在役检验手段的可靠性。目前,在俄罗斯的动力、 石油化工、天然气和其它工业部门,己经制定了一 些以金属磁记忆方法为基础的实际应用指导性文件 和检测方法:建立了相应的应力、变形集中区的判 定准则和十多个针对不同检测对象的技术标准;并 已有了2个国家标准草案:金属磁记忆方法、术 语、定义和代表符号,以及采用金属磁记忆的机械 试验、金属组织试验和工艺试验用代表试样选取方 法 31 。我国对金属磁记忆在理论、应用和仪器开 发方面都有大量的研究。 11磁记忆理论研究方面 周俊华 32根据得到的地磁场中受应力作用的 金属杆件的漏磁场有效场表达式,解释了铁磁性材 料在应力集中处的漏磁场的切向分量出现最大值, 同时法向分量为零值的现象;武汉大学的丁辉 等 33 阐明裂纹埋藏深度、宽度、走向、受力条件 及外磁场等不同时的磁通量变化规律,为磁记忆检 测裂纹类缺陷提供了理论依据;清华大学李路明 等 34 确立了以磁场法向分量绝对数值和磁场变化 梯度作为应力集中诊断参数的判据,并分析了磁记 忆现象和地磁场的关系。张英、宋凯 31利用 AN2 SYS软件对典型构件进行弹塑性有限元分析,通过 对加载铁磁构件表面漏磁场的测量,验证了应力集 中与磁记忆效应之间的规律。 21应用研究方面 大庆石油学院 35 对带有预制焊接裂纹的球型 容器、爆破试验后破裂的管件和带有焊接缺陷的管 件进行了磁记忆检测实验研究,利用已知评价标 准,准确找出了构件中的缺陷,充分验证了金属磁 记忆方法的有效性。中国科学院上海精密机械研究 所等单位 36 利用地磁场检测钢球表面裂纹的可行 性研究,表明钢球被地磁场磁化后,从位于地磁场 中的磁阻传感器采样得到的信号就能够分辨出钢球 表面缺陷,为磁记忆技术在轴承检测中的应用提供 了可行性方案。黄松岭等 37 研究了焊缝附近残余 应力分布和试件表面磁感应强度垂直分量的关系, 研究表明,二者具有较好的一致性。 31仪器开发方面 爱德森公司 38开发出掌上型 MMT仪器E MS 1000和金属磁记忆诊断与涡流、漏磁检测技术相结 合的新型仪器E MS2003。肖春生、李碧若等 39结 合磁记忆检测和涡流检测2种技术设计了金属损伤 诊断系统,该系统可确定金属构件的易损伤部位, 发现存在的微小裂纹。林俊明、张开良 40等研制了 基于USB接口的多通道金属磁记忆检测仪器。 结 束 语 笔者所列举的4种检测技术只是当前压力容器 无损检测技术的几个代表,在工业界无损检测中具 有重要的意义。虽然在这些技术研究方面我国取得 了一些进展,但与发达国家相比我国仍处于落后地 位。我国在无损检测仪器开发方面缺少原创性的成 果,基本上是仿制或者是跟在别人的后面前进。例 如,虽然我们生产的超声A 扫描检测仪器已占据 国际上该类设备的相当高比例,但大多数超声C 扫描装置和精密声显微镜仍需要进口;虽然我们在 超声成像和相控阵技术方面发表过很多高水平的论 文并也有一些设备问世,但我国工业部门需要的超 声相控阵检测系统几乎100%地从国外进口。同 样,我们在高端红外、激光检测系统方面也基本上 依赖进口。因此,我国超声无损检测技术今后的发 展方向仍然是关键技术和设备的研究。 参 考 文 献 1 张海燕,周 全,夏金东 1超声缺陷回波信号的小波包降 噪及特征提取 1仪器仪表学报, 2006, 27 (1): 9497 2 郭建平,王 玉,王文英 1小波包分析在摩擦焊超声检 测信号消噪中的应用 1航空精密制造技术, 2006, 42 (3) : 4143 3 陈国华,张新梅,谢常欢等 1超声检测中裂纹型缺陷深 度的智能识别 1华南理工大学学报(自然科学版 ) , 2005, 33 (8) : 15 4 赵永林,刘桂雄,周德光等 1应用经验模式分解法处理 超声无损检测信号 1现代制造工程, 2006,(4): 9092 5 杨文献,姜节胜 1基于复小波变换的超声信号分析技术 65 石 油 机 械2007年 第35卷 第2期 w w w . b z f x w . c o m 研究 1西北工业大学学报, 2004, 22 (4) : 510514 6 Bettayeb F1I mproving the time resolution and signal noise ra2 tio of ultrasonic testing of welds by the wavelet pack2 et1NDT&E International, 2005, 38 (6) : 478484 7 王淑娟,康 磊,赵再新等 1电磁超声换能器的研究进 展综述 1仪表技术与传感器, 2006,(5) : 4750 8 贾宝贤,边文凤,赵万生等 1压电超声换能器的应用与 发展 1压电与声光, 2005, 27 (2) : 131135 9 Jurezja G1Recent developments in vibrating - plate mac2 rosonic transducers1Ultrasonics, 2002, 40: 889893 10 Dubus B1Characterization of multilayered piezoelectric ce2 ramics for high power transducers .Ultrasonics,2002, 40: 903906 11 OhligerA1Using infrared thermography in the petroleum in2 dustry1ASNT Fall Conference & Quality Testing Show 2004, LasVegas, NV, USA, 5762 12 Madruga F J1Application of infrared ther mography to the fabrication process of nuclear fuel containers1NDT & E In2 ternational, 2005, 38 (5) : 397401 13 沈功田,李 涛,姚泽华等 1高温压力管道红外热成 像检测技术 1无损检测, 2002, 24 (11) : 473477 14 沈功田,吴 彦,李 涛等.热弹性红外成像检测技 术在石油液化气储罐检测中的应用.见:全国第八届 无损检测年会论文集.苏州: 2003 15 李国华,吴立新,吴 淼等 1红外热像技术及其应用 的研究进展.红外与激光工程, 2004, 33 (3) : 227 230 16 瞿全炎,郑 炯 1红外热成像无损检测在压力容器检 测中的应用 1无损探伤, 2006,(2) : 1013 17 范雷雷,施惠丰 1声发射技术在设备状态检修中的应 用 1电力设备, 2004, 5 (11) : 4143 18 Kim K1Determining the stress intensity factor of a material with an artificial neural network from acoustic emission measurements1NDT & E International,2004,37( 6) : 423429 19 Silva R R1Detection of the propagation of defects in pres2 surised pipes by means of the acoustic emission technique using artificial neural networks1Non - Destructive Testing and ConditionMonitoring, 2006, 48 (1) : 4551 20 Ennaceur C1Monitoring crack growth in pressure vessel steels by the acoustic emission technique and the method of potential difference.International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2006, 83 (6) : 197204 21 沈功田,李金海 1压力容器无损检测 声发射检测 技术 1无损检测, 2004, 26 (9) : 457463 22 关卫和,沈纯厚,陶元宏等 1大型立式储罐在线声发 射检测与安全性评估.压力容器, 2005, 22 (1) :40 44 23 戴 光,李善春,李 伟 1储罐的声发射在线检测技 术与研究进展.压力容器, 2005, 22 (3) : 3335 24 李晓梅,朱援祥,孙秦明 1基于小波包分析的声发射 源定位方法 1武汉理工大学学报, 2003, 25 (2) :91 94 25 沈功田,戴 光,刘时风 1中国声发射检测技术进展 学会成立25周年纪念 1 无损检测,2003,25 (6) : 302307 26 耿荣生,沈功田,刘时风.声发射信号处理和分析技 术.无损检测, 2002, 24 (1) : 2328 27 沈功田,耿荣生,刘时风.声发射信号的参数分析方 法.无损检测, 2002, 24 (2) : 7277 28 沈功田,耿荣生,刘时风.声发射源定位技术.无损 检测, 2002, 24 (3) : 114117 29 DubovA1The method of metal magnetic memory - the new trend in engineering diagnostics1Journal of the International Institute ofWelding, 2005, 49: 314319 30 Dubov A A1A technique formonitoring the bends of boiler and steam - line tubes using the magnetic memory of met2 al1Thermal Engineering, 200