（工程力学专业论文）金属常压储罐底板声发射源特性研究.pdf

摘要 摘要 本课题来源于科技部重点课题“大型储油罐检测技术研究及设备开发”，由中国特 种设备检测研究中心提供。其核心是围绕声发射检测和漏磁检测，意旨在建立声发 射和漏磁检测的方法和标准。 对于大型金属常压储罐的检测，主要采用常规检测、在线检测和开罐检测这三种 方法。作为在线检测的主要手段声发射检测，其主要任务是解决三大问题：定 位、定性和定量。所谓定位就是明确缺陷存在的位置；定性是分析引起缺陷的原因； 而定量则是出具量化的标准，从而确定缺陷的严重程度。 本课题通过基础性模拟实验研究和工程实际应用相结合的方式进行了以下探讨： ( 1 ) 不同激励方式下所采用的定位声速及确定定位声速的方法。三种激励方式所 对应的声速为vi m = 1 3 5 0 r n ，s ，v * = 1 1 5 0 州s ，v * * = 1 0 0 0 州s 。其中所确定的定 位声速方法为l u c y 值最小原理法。 ( 2 ) 通过对三种不同激励方式下产生信号的小波变换、频谱分析、相关性分析等 信号处理方式，研究不同激励方式下所对应信号之间的差异及来源于同一源的不同 接收处信号的差异，以试图区分不同激励方式所产生的信号并明确是否可以由所接 收的信号来推断源信号的特征。最终结果表明，从频谱上来讲，三种激励方式所产 生信号的主频集中在2 0 5 0 k h z ，小波系数相差甚微，并且来源于同一源的接收信 号与源信号相关程度也不高。 ( 3 ) 通过对镇海仓储公司n 3 号储罐的声发射在线检测，发现该储罐无泄漏迹 象，根据l u c y 值最小原理法可知，定位该储罐的定位声速有两种：1 2 1 4 m m s 和3 2 州m s 。同时对u j c y 值随声速变化曲线走向一致的定位点信号进行了相关性 分析，表明其曲线的重合度与相关程度有直接的关系。 ( 4 ) 引入漏磁检测方法，并将其结果与超声波检测结果对比，论证该方法作为声 发射技术开罐验证手段的合理性。分析国内不同地区( 镇海、日照、厦门) 、1 2 个服 役9 - 1 9 年的常压储罐漏磁检测的结果，统计所存在缺陷的腐蚀程度及分布情况，从 而确定声发射检测的重点部位在储罐的中间部位。 ( 5 ) 根据声源和事件活度对整个储罐底板的完整性进行综台评价，用量化的指标 确定分类等级( a 、b 、c 、d 、e 五级) ，从而为规范声发射检测方法，建立声发射检 测标准提供依据。 北京工业大学工学硕士学位论文 关键词常压储罐；声发射检测： 漏磁检测；定位声速；信号处理 a b s t r a c t t h i sp 印e rw a ss u p p o r t e db yc h i n as p e c i a le q u i p m e n ti n s p e 甜o n r e s e a r c hc e n 订e ，a n dnw a s p e r f o r n l e do nt h eb a s eo fk e yp r 。j e c to f s t u d yo ft e c h n o l o g ya 1 1 de x p l o i t a t j o no fe q u i p m e n t sf o rb 唔 s t o r 8 9 eo i lt a i l k b e l o n g i n gt ot 1 1 em i n i s t r yo fs c i e n c ea i 】dt e c h n 0 1 0 醪n l er e s e a r c hp u te m p h a s e so n a c o u s t i ce m i s s i o nt e s t i n ga n dm a 髓e t i cf l u xl e a l ( a g et e s t i n ga 1 1 d 仃i e dt oe s t a b l i s ht h es e f i e ss t a n d a f d o f t h et w on l e t h o d sa b o v e t h et r a d i t i o n a lt e s n n o n - 1 i n et e s 痂唱a i l do p e n i n gi n s p e c t i o na r eg e n e r a l l yu s e df o rh u g e 咖o s p h e r i cs t o r a g et a l l k s a c o u s 廿ce m i s s j o nt e s 石n gi so n em 面o rm e t h o do fo n l n et e s t j n g ，a n db m a i n 诬ki st or e s o l v et h e ek e yp r o b l e m so f 】o c a t i o n ，q u a l 讯c a t i o na n dq u a n t i 打c a t i o n i tm e a n st h a tt o c o n f i 皿t l l ep o s i t i o no fn a w s ，t oa n a l y z et h er e a s o nc a u s e dn a w sa 1 1 dt oe s t a b l i s ht h es t a n d a r do f q u a n n f i c a t i o nf o rd e t e r m i n i n gt 1 1 es e r i o u sd e 酽e eo f f l a w s c o m b i n i n gb a s i ce x p e r i m e m s 锄de d 舀n e e r i n g 印p l i c a t i o n ，m a j o ro b j e c t sw e r ep e r f o r m e da n d d i s c u s s e di n “sp a p e ra sf o l l o w s ： ( 1 ) l o c 砒i o ns p e e du n d e rm ed i f r e r e n tm o t i v a t i n gs t y l ea n dt h em e t h o do fc o n f o r m i n gl o c a i i o n s p e e d t h es p e e d s 盯e1 3 5 0 l ，s ，1 1 5 0 1 t 1 sa 工l d1 0 0 0 州sc o r r e s p o n d i n gt om es t o r i eh m i n g ，h a n l m e r h i t t i n ga 1 1 d1 e a db r e a l ( i n 岛a 1 1 dt h e 州n c i p l eo f l e a s tl u c yv a l u ew a sc o n f o 皿e d ( 2 ) t os 札d yt l l ed i 彘r e n c eb e 押e e ns i 口a l sr c s p o n d i n gt od i 施r e mm o t i v a t i n gm 锄e r sa sw e l la s b e 铆e e ns i g n a l sc o m e 舶mm es 锄eo r i g i n ，t h ed j 髋r e n tm a n a g i n gm a n n e r so fw a v e l e tt r a n s f b m ， 舶q u e n c ya n a l y s i s ，p e r t i n e n c ea 1 1 a l y s i sa n dc b a r a c t 州s t i cc o e m c i e n t so fw a v e l e tr e g j o nf o rs i g n a i i n f o m a t i o nw e r ep e b m e d t h ee 圩b r to f 叫n gt od i s t i n g u i s h 也es 蟾n a l sm o t j v a t e d b yd i f 话r e n t m a l l i l e r s 柚dt oc o n f i 姗t h es i g n a lo r i g i nt h r o u 曲t h er e c e i v e di n f o r l l la t i o nw a sm a d e i tw a sj n d i c a t e d m a t t h e m a j o r 疗e q u e n c yo f s i g n a i s f o r t h r e ed i a 奄r e n t m o t i v a t j n g m a n n e r sc o n c e n 仃a t e db e t w e e n2 0a t l d 5 0k h z ，t l l ed i 舵r e n c eb e t w e e nw a v e l e tc o e 娟c i e n t sw a ss m a l l ，a n dt h ep e n i n e n c eo ft h eo r i 舀n a l s i 鲷a la n d 也er e t u r n i n gs 蟾n a l sw a s1 0 w ( 3 ) t h eo n 1 i n et e s 曲堰r e s u l t sf o rn o r 1 3 伽1 kj nz h e n h a is t o r a g ec o m p a n yb yu s i n ga em e t l l o d w 酷o p e f a t e d a c c o r d i n gt ot b ep r i n c 巾1 eo f1 e a 或l u c yv a l u e ，m e1 0 c a t o ns o u n ds p e e d sf b rt h et a n k a b o v eh a v eb e e nc o n f i n n e d o nt h eo t h e rh a i l d ，p e r t i n e n c ea 1 1 a l y s i sw a sm a d ef o rl o c a t i o ns i g l la 1o f l u c yv a l u e si na c c o r d 鞠c ew i mc h 缸g i n gs o u n ds p e e d s ，i no r d e rg oc o n n mt h ek i n d so ft h es i g n a l s t h er e 鲫h ss h o w 也a tt h el o c a n o ns o l l n ds p e e d sf o rm et a n ka b o v eh a sb e e nc o n n 丌n e da s1 2 1 4 州m sa n d3 2 m ，m sa n dt h ed e g f e eo f t h es u p 。r p o s i t 主o no f t w ol u c yv a l u e 翮ds o u n ds p e e dc u w e s c o r r e l a t e dd i r e c t l yw i t i lt h ep e n i n e n c eo f t h es i g n a l ( 4 ) 。i n 的d u c i n gt h ef l u xl e a l ( a g e 麟a r n i n a t i o na i l dt h ec o m p a r i s o nm a d eb e t w e e nm a g n 髓j cf l u x 1 e a k a g ee x a i i l i n a 廿0 na 1 1 du l n 铀o n i ct e s t i n gp r 0 v e dt h a tm a g n e t i cf 1 u xl e a k a g ee x a m i n a t i o nc a nb eu s e d 1 1 1 北京工业大学工学硕士学位论文 a sav e r 试c a t i o nm e 廿1 0 dt oa c o u s t i ce m i s s i 。nt e s t j n g t h ee x a m i n a t i o nr e s u l t sw e r ea n a 】y z e sf o r1 2 a t m o s p h e r es t o r a g et a n k st h a th a v eb e e nw o r k i n gf o r9 - 1 9y e a si nd i 毹r e n tp 3 a c e s ，a n dt h ec o n s i o n d e g r e ea 1 1 dp o s i 廿0 no f t h ef l a w sw e r es t a t i s t i cs oa st oc o n f i 珊t h ee m p h a s e sp o s i t i o no f a ei n s p e c t i o n t h a ti s 也ec e 眦e ro f t b et 甜血 ( 5 ) a c c 。r d i r i gt ot h es o u n do r i 舀na 1 1 dc a s ea c t i v 吼t h ei n t e g r i t yo ft h ew h 0 1 et a n kb 。n o mw a s c o r n p r e h e n s i v e i ye v a i u a t e da n dh a sb e e n 铲a d e db y 印p l y i n gt h eq u a n t 讯c a t i o ns t a n d a r d t h e ya r ea 、 b 、c 、da 1 1 de a ut h ew o r kd o n ep r o v i d e dt h eb a c k 盯o u n df o rs t a n d a r d i z i n gt h ea c o u s t i ce m s s i o n t e s t i n gm e 血o d sa n de s t a b l i s h i i l gt h es t a n d a r do f a c o u s t i ce m i s s i o nt e s t i n g k 奶唧o r d sa t i l l o s p h e r i cs t o m g et a l l l ( s ；a c 删i ce m i s s i o n i n s p e c t i o n ；m a 朗e t i c f 】u x 1 e a l ( a g e e x 删n a t i o n ；l o c a t i o ns p e e d ；s i g n a lt r e a n n e n t - i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 硌监日期：狸；：t ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名过跏躲避胁迦也加 第1 章绪论 1 1 课题的工程背景 随着国民经济的快速增长，能源问题已成为我国经济快速发展的瓶颈，同时也是 我国国家安全和社会稳定的隐忧，是值得引起全体中国人民共同关注的大事。目前， 对能源( 尤其指石油) 的需求急剧增长的情况，对一个资源所限，能源供应对国外的依 赖程度很高的国家来说，储备能源就显得尤为重要。1 9 8 9 年a p i 的一项研究结果表 明，美国当时约有7 0 x 1 0 5 座地上常压储罐，其中只有5 的储罐能够提供储存容积 的6 7 i i j 。鉴于此，国务院在第十个五年计划的纲要报告中指出“必须千方百计节约 石油，加快石油和天然气勘探与开发，积极利用国外资源，并尽快建立石油等战略 资源的储备制度。”这表明我国要建立自己石油战略储备制度，象征着国家建设战 略储备库计划启动。2 0 0 3 年1 1 月1 7 日，在“能源战略改革国际研讨会上”宣布新组 建的发改委已经设立了国家石油储备办公室，表明石油战略储备己进入实质工作阶 段1 2 】。这样会有更多的储罐 将相继而起，随着时间的 推移，面临的问题也会越 来越多，例如：储罐的老 化，出台相应的检验及维 修所需要的规范或标准 等。图1 - l 给出了一幅来源 于氓r b m i “的数据统 计。从这个统计的结果来 看，不论是那类容器随着 5l l1 6 图l1 各类容器的使用年限与风险累积关联图 y e a r 照 使用年限的增加，其累积风险将越来越大。 早在1 9 8 8 年，美国一座储罐发生脆性破坏，使2 8 x l o l 柴油倾入邻近的雨水道， 继而流入附近的河流，造成巨大的环境污染和不毫社会影响，业主不得不花费数百 万美元来进行清理工作和支付罚款。这一重大的事故与另外两起几乎同时发生的泄 漏事件震撼了美国国会，国会强烈要求a p i 为现有地上储罐制定技术规范。在我国， 同样的事件也继在黄岛、秦黄岛及南京等地发生过。这一系列问题不得不引起相应 部门对储罐检测的重视。从目前我国现有常压储罐的状况来看，广泛应用于石油、 化工、航空、港口等企业的大型储油罐( 5 0 0 0 m 3 以上) ，据估计就有2 万台以上，l o 万吨以上的大型储油罐也相续开始组建，图1 2 是宁波镇海码头大型常压储罐分布一 角缩影。根据a p i ( 美国石油组织) 6 5 3 【3 】中的有关规定，常压储罐的罐底板最长检测 周期为2 0 年( 未知罐底板的腐蚀速率情况下) 。但是就我们现在所检的浙江镇海并化 周期为2 0 年( 未知罐底板的腐蚀速率情况下) 。但是就我们现在所检的浙江镇海石化 及宁波孚宝仓储有限公司服役十年的储罐中，最严重的底板腐蚀程度己达到8 3 有的焊缝处因种种原因已有泄漏现象。其原因主要是由于在上世纪九十年代以前投 建的储罐，当时我国有关安装、维护及检验标准不是很键全，所以不论从材料的选 取及安装工艺上都存在不同程度的问题，而这些问题最终导致现有服役十年以上的 储罐必须进行开罐检测井及时地进行维修。 有关行业规定，大型储罐应6 年进行一次停产开罐检验，检验多 采用常规的无损检测方法( 这些方 法包括漏磁、超声等) ，但这些方 法需要经过清空油料、开罐、清洗、 去除表面防腐层、检验和恢复等一 系列过程，检验周期长、成本高并 且不能达到预期的目的。更令人无 法接受的是，当花费了大量人力、 物力和财力，经常规的无损检测方 法检测后而确定为不需要任何维 图1 2 储罐图片 修。所以，人们希望有一种新的检 测技术，能够在不需要开罐的情况进行对该罐的全面评估。鉴于此，目前，国际上 广泛应用于其它行业的声发射技术( 一种能够进行在线检测的非侵入式、不停产、不 清罐、经济适用检测技术) 可以实现对金属常压储罐进行不停产检测。并且如果能根 据其源特性分析结果，进步确定声发射源特性与储罐缺陷的对应关系，则会为开 发新的无损、可靠、快捷、高效的检测技术和设备做基础，为储罐开罐检验的周期 和最佳时机及其风险评估做安全保障。 总之，储罐因腐蚀导致储罐底板减薄直至穿孔引起的介质泄漏事故时有发生。据 统计由于腐蚀而引起的储罐失效占全部储罐失效的6 0 以上【4 1 。采用有效的检测方 法提供相应的补救和预防措施，对生产生活、保护环境和保障人民生命财产安全 具有重大的意义。 1 2 声发射技术国内外研究现状 就声发射检测技术本身发展来讲，现代声发射技术的开始以k a i s c r 五十年代初 在德国所作的研究工作为标志【5 1 。紧接着到了二十世纪五十年代未六十年代初，美国 和日本的科学家分别在实验室作了大量的工作，主要研究金属塑性变形的声发射和 位错运动的关系嘲及各种材料声发射现象的物理机制【7 1 ，首次提出声发射可以作为研 究工程材料行为疑难问题的工具，并预言声发射在无损检测方面具独特的潜在优势。 二十世纪七十年代初，g r e e n 等人首先开始了声发射技术在无损检测领域方面的应 用，d u n e g a n 将声发射技术应用于压力容器方面的研究【8 ；到二十世纪七十年代， d u n e g a 等人开始声发射检测仪器研制，现代声发射仪器的研制成功为声发射技术 从实验室的材料研究阶段走向在生产现场用于监视大型构件的结构完整性创造了条 件；八十年代，美国p a c 公司将现代计算机技术引入声发射检测系统中来，为九十 年代全面推广做出具大贡献。 我国声发射技术 9 _ ” 的开展源于上世纪七十年代，当时正是我国断裂力学发展的 高峰，人们希望利用声发射预报和测量裂纹的开裂点。八十年代初开始在压力容器 检验中应用，当时由于声发射仪器的性能和声发射信号处理方面的能力限制，以及 人们对声发射源性质和声发射波产生后到达传感器过程中的传输特性等的认识缺少 应有的深度，在实验结果的重复性和可靠性方面存在不少问题，因此声发射技术曾 入低谷。到八十年代中期，中国特种设备检测研究中心率先从美国p a c 公司引进当 时世界上最先进的采用z 8 0 微处理计算机技术制造的s p a r t a n 源定位声发射检测 与信号处理分析系统，并在检测中取得了成功的实例，得到了广泛的认可。从而使 我国的声发射技术的研究成快速发展的趋势。 然而就声发射在常压储罐底板腐蚀特性检测方面的发展状况，最早是在上世纪八 十年代末九十年代初，美国p a c 公司接受用户的委托，用声发射技术进行非清罐条 件下，罐底腐蚀状况的课题研究，并与b p 、i c i 、k p e 、e s s o 等共同合作开展项目 的开发，现场检测和结果论证工作。到1 9 9 9 年e e m u a ( 工程设备材料协会) 向他的 会员推荐此检测方法，2 0 0 0 年法国石油公司宣布了此方法在法国的验证结论，并向 全球石油行业推荐。与此同时，德国v a i l e n 公司也与于2 0 0 0 年完成了声发射检测储 罐底板这一项新技术，到2 0 0 2 年成功研制出a m s y 系列产品a m s y - 5 型可以用于 金属常压储罐罐底板特性检测的机器。我国的广州声华科技有限公司也于2 0 0 4 年3 月顺利通过了声发射罐底定位软件包的测试。这就为声发射检测技术应用于底板腐 蚀特性检测提供了充足的保障。 1 3 金属常压储罐的检测方法及存在问题 1 3 1 金属常压储罐的检测方法 对于常压金属储罐目前主要采用常规检测、在线检测和开罐检测等三种形式，常 规检测就是简单地通过目测的方法，直观地检查一下储罐是否有结构上的损坏；在 线检测是指所有不需要停产就可以进行的检测，主要采用宏观检测和声发射检测方 法；开罐检测需要储罐停用、打开并清空，使检测人员能安全进入罐中进行各项检 测，主要采用漏磁扫查、超声检测、射线检测、磁粉检测、涡流检测和渗透检测等 检测方法1 1 ”，表1 一i 详细给出了各种常规无损检测方法与声发射检测方法之间的比 较。 表1 1 不同检测方法的比较 检测方法用途特点局限性 超声波探伤 材料不连续性的检 对面性缺陷敏感：探测距离不直观，人为因素大 ( a 型)出、厚度测量等大，装置小巧、轻、费用低 需对表面进行清洗和去污： 适用于所有非多孔 可检出表面裂纹、针孔、只能检出表面上的开口缺 渗透探伤折叠、缝隙、泄漏等表面开 陷；浅的擦伤和污迹会形成 性和非吸收性材料 口缺陷 假指示；地法显示不连续的 深度；有毒 适用于材料内都有 对体积性缺陷检出率率较 x 射线探伤高，对不大于6 m m 的钢扳 适用于体积形缺陷，面形缺 缺陷的检测 陷检出率较低 可辩认出o 1 m m 的钢丝 适用于磁性材料的能检测出缺陷的位置和表 磁粉探伤表面和近表面缺陷 操作简便、直观、灵敏度高： 检测成本低 面的长度但不能确定缺陷 检钡4 的深度；只限于铁磁性材料 能够测量电导率、磁导率、 晶粒大小、热处理状况硬 度；能检测出试件表面及近 只是种间接的测量方法， 具有导电性的铁磁表面内缺陷；能分选金属材 对仪器指示值与工件的结 涡流检测性材料和非铁磁性 料，检查其成分、显微组织 构特征之间关系必须加以 材料和其它物理性质的差异；能 仔细分析：探伤前表面要进 检测出试件的各种尺寸、涂 行清理，除去对控伤有影响 料厚度、腐蚀状况和变形状 的附着物 况 操作简便、直观、灵敏度高、 适用于铁磁性材料 成本低、效率高；能穿透涂 漏磁检测 层；不受内部流动介质影 只适用于铁磁性材料；材料 的缺陷检测 越厚，需要的磁化能力越强 响；尤其能够检测出内表面 的缺陷 适用于铁磁性材， 操作简单、方便，成本低、 在检测过程中需要有力及 声发射检测非铁磁性材料的缺 效率高。可以实现掩体和在 状态的变化：检测过程中易 线监控，对不易按近的被测 受噪声的干扰；定位误差严 陷检测 重，需要的检测人员有足够 件也可以应用 的知识和丰富的经验 从总体上来看，射线、超声和涡流等检测技术的发展方向都比较明确，即肉发展 成像和自动检测技术挺进。目前，从事这几种检测技术研究的人员已基本到能向市 场推出实用化的商品。漏磁检测技术也日益完善，所开发的仪器在检测当中能够体 现其快速、准确和高智能性等特刨1 2 1 。然而，由于声发射检测缺乏对a e 源机制的 第1 苹绪论 深刻认识，在这方面可能还有相当长的路要走，所以非常有必要进行对声发射检测 技术进行进一步的研究，从而为仪器的开发及该技术的推广应用提供足够的保障。 1 3 2 声发射技术检测常压储罐的难点 从声发射检测技术本身来讲，是没有一种常规的无损检测技术可以取代的，但是， 声发射检测技术仍然存在着难以解决的问题： 定位速度的影响问题：现场检测中可以产生的信号是千姿百态的，而且不同频 率的信号或同频率的信号所对应的定位速度也不尽相同，这样就会给我们声发射检 测中的信号定位带来不便。 信号处理技术问题：在声发射检测中，对a e 源机制的深刻认识是相当重要的， 如何从所得到的信号中获取有用信号并以其合理地处理一直是人们最为关心的问 题，也可以说a e 信号处理技术的发展代表了a e 技术的发展方向【l 引。虽然目前采用 了一些方法( 例如：模式识别、频谱分析、小波变换及人工神经网络) 对其进行处 理，但实际可供的参考的东西并不多。 合理性评估问题：储罐检测，最重要的是对其进行合理地评估，这也是储罐使 用单位最关心的问题。但要对一个储罐做出合理的评估，是建立在对所采集的信息 进行分析并对产生此信号的结果进行量化的基础之上。虽然有些机构采取不同的方 法，将储罐的罐底严重性分为几个级别，可以确定其是不是需要立即开罐，但是不 能像超声波测厚那样给出一个量值来，也不能像x 射线给人一个清晰的画面，总之， 这一方面的问题艰难而又亟待解决。 1 3 3 声发射技术检测常压储罐所存在的问题 ( 1 ) 美国p a c ：尽管美国p a c 公司声称其用在大型储罐罐底腐蚀状况在线声发射 检测服务的t a n ) a c 技术是该公司在许多大型国际石化集团，如b p ，s h e l l ，e s s o ， e ) 。【o n m o b i l 等支持下开发的、拥有独立知识产权的在役储油罐罐底检测技术，是世 界上唯一采用非清罐方法对储油罐罐底腐蚀状况进行检测，评估的专家系统。但是， 该专家系统的理论基础是根据r b i ( 基于风险的检测) 的理论叶1 5 】，最终的结果是 对一个储罐整体情况按严重程度分为a 、b 、c 、d 、e 五个等级，就这一结论，第 一，没有明确给出储罐缺陷所在的位置；第二，没有给出缺陷的程度量化的标准。 ( 2 ) 德国v a l l e n 公司：德国v a l l 吼公司出具的一份使用声发射的方法检验贮罐底 板综合报告中称：该项目联合了试验和开发组织，特别是在声发射领域生产先进的 高性能的a e 设备，以及有影响的平底储罐用户，像澳大利亚t 1 i v 公司、c e s if f o n n e r e n e lr j c e r c a ，f o m l e rc i s e ) 、华伦( v a l l e ns y s t e m e ) 及两个辅助的工业合作伙伴s h e l l g l o b a ls o l 埘o n s 和d o w 公司。他们通过实验室的模拟泄漏( 包括不同直径的小孔 及沟槽，实际检测中采用不同的地基，以便采集不同的信号，诸如紊流在间隙中产 ；：；：! ! 童三些奎兰三兰堡圭兰堡篁圣 ； ； 生的声发射、噪声、流体从金属传递到混凝土上信号、沙粒被冲击反射到底板及其 它地方的信号) 及腐蚀实验( 主要采用实际腐蚀的底板及带有沙片的腐蚀板来采集 不同的信号) ，然后通过模式识别来区分并进行现场选取不同类型的储罐来进行验 证。但是并没有可参考的文献或可供用户应用的信号分包软件。 ( 3 ) 我国的研究状况：在我国的大庆石油学院从流体流动过程中产生声源的机理 分析出发，阐述立式常压储罐泄漏过程中声的形成，主要包括涡声和喷流噪声。同 时也模拟了不同厚度，不同腐蚀程度，不同焊接结构的储罐底板腐蚀损伤试验研究。 分析储罐在不同升压、保压阶段的声发射特性，得如声发射信号特征参量的取值范 围有变化趋势。最后根据用声发射事件活度结合声源区域定位分析的方法对储罐底 板整体腐蚀程度进行评价。这一结果中体现了用量化来对储罐进行评估，但是其中 影响量化分析的量化因子如何确定又成为一新的问题。 1 3 4 客户需求 作为一种新的无损检测方法，人们在关心节约检测成本的同时，更关心的是所检 测的结果，储罐使用者要求检测人员能对所检测的结果通过相应的对应标准出具合 理性的解释，以便对超标的地方进行必要的维修和更换。所以对储罐存在的缺陷进 行精确定位，由分析源特性而确定引起缺陷的原因，并将缺陷进行量化，给出相应 的破坏程度，进而确定是否进行维修或更换是至关重要的。 1 4 本课题研究的目的和意义 本课题来源于中国特种设备检测研究中心“十五”重点攻关课题，该课题的重点是 通过实验室研发和工业现场试验相结合的原则来开发仪器并建立声发射和漏磁检测 的方法和标准。 本课题是基于目前声发射检测中不能精确定位、对所产生的源信号不能进行深刻 认识以及无法对所检测的结果给出一个量化标准等问题，采用了基础性的实验研究 和工程实际应用相结合的方法，从而解决：确定声发射源定位中重要的影响因子一 声速；明确引起储罐失效的成因，分析不同声源的特点，确定不同声源的源特性； 对比两种方法的检测结果进而对缺陷进行量级划分或给出量级化分的方法或标 准。 据有关统计显示，在实际工程中因腐蚀导致储罐底板失效占全部储罐失效的6 0 以上，而现有检测技术结果很难给出合理的补救和预防措施，所以开发经济有效 的无损检测方法，对储罐做出合理的评价，同时制定相应的标准规范，不仅可以有 效解决检测中的存在的技术难题，同时对生产生活、保护环境和保障人民生命财产 安全具有重大的意义。 第l 章绪论 1 5 本课题的研究思路 1 6 本文的主要工作 1 6 1 定位速度的研究 图l - 3 课题研究思路框图 声发射检测中，为了确定其缺陷的位置，需要对所产生的信号进行精确定位。然 而，就目前所获得的信息来看，对于不同频率的信号或不同声源所产生同一频率的 信号在定位中可能使用不同的定位声速。本文自行设计了系列模拟实验，并用声发 射检测中常用的三种标定方式( 断铅、锤击及石击水) 来模拟实际检测中常遇到的 =i ! 室三些奎兰三耋堡圭兰堡兰兰：=； =； 三种声源( 裂纹开裂、撞击及液体冲击) ，在给定的位置进行激励并作相应的采集， 最终通过对实验结果的计算及分析来确定三种不同激励方式下所产生信号精确定位 所需要声速，同时指出解决确定声速所需的方法。 1 6 2 信号分析处理 在声发射检测中，为了确定缺陷的特性，需要对所产生的信号进行处理，从而由 信号之间的差异来确定源之间的不同。本文通过利用频谱分析、小波变换、相关性 分析分别对模拟实验中的三种不同声发射源所产生的信号进行分析。同时，为了使 信号能够更加精确地反映其所包含的信息，采用了对信号进彳亍小波降噪处理的手段。 最终由分析的结果可以明确这三种不同发射源所产生信号的频谱特征及他们之间的 相互关系，从而为实际检测中的信号分类提供合理的分类依据及模式识别中所采用 的标准波形。 1 6 3 工程实例分析及量化分析方法 基于模拟实验分析及相应信号处理的基础上，对宁波镇海仓储公司2 万m 3 在役 常压储罐分别进行了现场声发射检测。本文详细分析声发射检测中所得到的结果， 并对所采集的信号进行相应的处理和分类统计。与此同时，采用了磁漏检测对不同 大小的十二个在役常压储罐进行检测。通过检测结果的统计可知缺陷分布的位置和 缺陷的腐蚀程度，进而明确了声发射检测中的重点注意事项，并对声发射检测结果 的量化提供了合理的对比依据。最后，本文指出了对声发射检测结果的量化分析方 法及所采用的有关数学表达式，从而为正在制定的声发射检测标准提供大量的实验 依据和理论基础。 1 。7 本文的结构 本文在结构上共分为六章，在第一章绪论中主要交代了课题产生的背景、国内外 研究现状、金属常压储罐的检测方法及存在问题，进而确定本课题研究的目的及意 义，提出了本课题研究的登要性以及研究过程中需要解决的问题；第二章主要是通 过基础的实验，来不同激励方式下所产行信号的定位声速及确定定位声速的方法； 第三章主要是通过小波变换、频谱分析、相关性分析及小波域的系数所反应的特征 来对几种不同声源信号进行全面的分析对比，从而确定其不同信号之间的差异：第 四章重点讲叙了声发射技术在常压储罐检测中的实际应用，同时对所采集的信号进 行分类分析及对检钡4 结果进行了总体评价；第五章阐述了作为验证声发射检测结果 的开罐检测手段漏磁检测，并给出了目前储罐所存在的主要问题及所产生缺陷 的成因和分布情况，从而为声发射检测结果的量化分析提供依据；第六章展望主 要讲叙了有关声发射检测结果的量化分析情况并给出一些量化的方法。最后一章综 合评价，得出相应的结论。 ；=；苎至三些查茎三兰堡圭兰篓兰三 第2 章声发射检测的定位 作为一种新型的检测方法一声发射，其检测定位的目的是根据所采集的信号的 精确定位来确定缺陷在底板上的精确分布。然而，信号的精确定位又是以确定的信 号传播速度为前提的。长期以来人们一直无法对信号的定位声速问题给出一个明确 的答复，可以说是众说纷纭。所以，明确检测中定位点所采用的定位声速是对检测 结果进行精确定位的前提，也是声发射检测中不可缺少的一个环节。 2 、1 声发射检测的定位技术 所谓的声发射是材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象( a e ) 【1 6 ，该 现象是自然界中常见的一种现象。尽管人类无法考证何时首先听到声发射，但诸如 折断树枝、岩石破碎和折断骨头等的断裂过程无疑是人们最早听到的声发射信号。 利用声发射技术检测主要是通过多个声发射探头组成一个探头组来对声源所产生的 信号来进行采集、定位。这就是声发射检测中的定位问题。从定位的理论解释来看 并不是困难，从目前所使用的针对突发信号和连续信号的定位方式来讲，有以下几 种，具体情况参见表2 1 表2 1 声发射源定位的方法分类 r 一维定位 r 平面定位 r 时差定位 二维定位柱面定位 l 环面定位 r 突发信号 。三维定位 r 独立通道定位 源聿付j l 区域定位t 信号到达次序 源定位 v 旧芎到】从，于 r 幅度测量式区域定位 l 连续信号 妻藉娑惹荨量釜位 l 干涉式时差定位 现以三探头的平面定位为例来说明突发信号的定位计算方法，其定位图及计算 公式如下： j 、源( x s ，y s ) 一一 l 2 # ( x 2 ，y 2 ) ，d 2 7 ，r ， ，、艇 d l ， 、 0 ， o 2 坠- l 一一堂蝗一一一 l # 妇l ，y 1 ) 图2 1 三个探头阵列的a e 源平面定位图 f l = “一r ) 矿；f 2 = 也一r ) 矿 r = 圭考赫 2 y + d ，c o s i 臼一鼠) r 毛菇 2 f ，y + d ，c o s i 曰一臼，) 对于三个探头的定位，最多会产生两个定位点，其中一个不在定位范围而被剔 除，但是当采用四个探头或更多探头进行定位时，由于实际中的误差存在会产生多 个定位点，虽然现在声发射仪器可以进行自动进行最小误差拟合，但是这样会产生 一个定位不确定性值，即仪器常用的l u c y 值。在定位中，l u c y 值的大小直接决 定着定位误差的大小。 2 2 声发射定位技术的研究现状 声发射技术作为一项高科技的技术，集成了数据采集、数据处理、模式识别等现 代理论和技术，虽然在测试方面取得了成功的应用。但是，这个理论是建立在所采 集有用信号的波速为一个定值的基础上，实际上，在一个检测中，由于波的传播情 况复杂多变，各种波的模态相互转变、时间的测量误差、计算机显示图形的畸变及 探头位置的精确程度等都会影响到定位的精确度。从而使得声发射检测的定位问题 成为长期以来一直困扰着人们，并在一定程度上阻碍着声发射技术应用推广的严重 问题。虽然有的制造商声称可以使仪器的定位精度小于5 至8 ，但在实际检测中 并非如此。 目前，就声发射的定位问题，不论是国内还是从国外，很多机构都在进行研究。 从国内的发展状况来看，就突发性声发射信号而言，文献 1 7 试图从声发射源定位不 确定度上进行实验分析，在不考虑工程中常见的曲面定位、工件几何尺寸形状变化、 有影响声波传播的表面状况、布点误差、组织及热处理状况变化等等因素，a e 源定 位位置的不确定度也至少约达到：土6 5 0 7 9 3 0 7 i 砌；其实这个定位不确定度相对于 实际检测中所产生的定位不确定度而讲，是非常精确的；文献 1 8 】提到了开发人工智 能技术，也就是当一个探头接收到信号时，则与该探头相关阵列中周边的探头自动 随时间提升增益，这样可以使信号的初始峰值保持在定的幅值。尽管此方法可以 在单个实验中能够实现，但是是否因探头的增益提高而影响相邻阵列的声源定位， 是否会造成大量的噪声信号，这仍然需要进一步探讨；文献 1 9 试图利用波传播过程 北京工业大学工学硕士学位论文 中造成的时间关系来推断未知对象的空间位置( 该技术目前在地震研究、无损检测 ( n d d 和全球定位系统( g p s ) 等领域都有重要应用) ，等等。这些研究都是和检测过程 中波速在变化这一关键问题分不开的，而目前多通道声发射系统还不能处理变声速 的问题，因而，该问题急需进一步解决。 对于连续性声发射信号而言，针对突发性声发射信号常用的声发射参数已毫无意 义，目前所采用定位方法也不成熟，定位精度有时达到无法接受的地步，并且对仪 器性能要求比较苛刻，所以，对连续性信号的研究相对更少一些。 2 3 声发射定位声速的基础性实验研究 2 3 。1 基础实验方案设计原则 1 、精确解决不同激励方式下定位速度问题：针对检测中常出现的声发射信号， 如底板裂纹开裂、撞击及升压时的液体冲击，本实验采用断铅、锤击和石击水三种 不同的激励方式来模拟真实的声源，从而由所得的信息来确定不同激励方式下定位 所需要的声速； 2 、研究定位方法：在己知声速和探头之间的定位时差时，可以采用计算来确定 声源的位置。但是，在检测中，为了进行定位只有时差是不够的，需要确定合理的 定位声速方法方可进行精确定位； 3 、明确信号的传播情况：主要是根据信号的传播速度来确定信号传播所借助的 载体； 4 、模拟工程上常压储罐运行的实际工况：在现场检测中，所检的储罐为圆形， 直径为l o 米以上，且所储的介质为液态的化工及油类产品。为了使本实验的结果具 有可比性，特采用直径为9 2 米的圆形池，水为介质的实验条件。 2 。3 2 实验组成 该实验共由一个定位实验，三个附加实验和一个空罐的衰减测定来完成的。 ( 1 ) 定位实验 利用了四个探头，并将其等角度地布置于直径9 2 米的水池边钢条支架上，然后 分别采用断铅、石击水和锤击三种方式在不同的探头处进行激励和接收，从而可以 在已知定位点的情况下，确定三种不同的定位声速和探索确定定位声速的方法。 c 2 ) 附加实验 为了与四探头的定位实验所产生结果进行对比，探索探头之间是否存在干扰， 特在直径为9 2 米的水池o 度和1 8 0 度处布置两探头，并在锤击和断铅两种激励方式 下进行测试； 为了更好她研究探头之间的干扰情况，明确信号在钢板中的传播情况，实验选 第2 章声发射检测的定位 取一根长为9 6 6 米的钢条上布置四个探头，并在断铅方式激励下进行采集； 为了模拟现场的实际情况，研究信号优先选择的传播对象，将钢条放于液体当 中，并在钢条上布置两个探头，采用石击水、断铅及锤击三种激励方式进行测试。 ( 3 1 空罐衰减测试 实际检测当中，采用声发射检测的储罐往往其直径在2 0 米以上，为了检测来源 于中幅板的信号是否能够形成定位，特对底板的衰减进行测定。 2 3 3 实验现场环境情况及实验所采用的设备简介 ( 1 ) 实验现场环境情况 外部没有强干扰源，天气晴，风力3 4 级，地面温度最高2 0 ，水温1 2