（机械工程专业论文）声发射技术在化工设备检测中的应用.pdf

摘要 声发射技术是上世纪六十年代开始目前已日趋成熟的一种无损检测方法，它被广泛应用 于石化设备的检测及结构的完整性评价。本文通过阐述声发射检测的基本原理，总结了声发 射检测的特点。介绍了国内外声发射检测技术的发展历程和现状，并概述了声发射检测技术 在压力容器和常压储罐上的应用进展。 压力容器在制造、定期维修和长期使用过程中都需要进行检罚和监蔫，以防止恶性事故 发生，避免人身重大伤亡和设备财产重大损失。本文从声发射信号的采集、信号分析的相关 原理开始简述了压力容器裂纹在线检测的方法，讨论了检测时的测点布置及数据处理的原理 和方法，并通过实例应用加以说明。 常压储罐在原油、化学危险品的储存和输送过程中起着重要作用，在使用过程中罐底 腐蚀泄漏是引起储罐失效的主要原因。本文根据常压储罐的声发射检测与评价技术的研究成 果介绍了声发射技术用于立式储罐罐底腐蚀状态下的检测研究并通过实倒证明了采用该项 技术可以对立式储罐罐底的结构完整性做出准确的评价 关键词：常压储罐；声发射检测；完整性评价 a c o u s t i cm i s s i o n ( a e ) t e c h n i q u e ( a e r ) i sap r o g r e s s i v e l ym a t u r en o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g m e t h o d w h i c h 雌b e g u n i n1 9 6 0 s a e t h 笛b e e n w i d e l y u s e d i n p e t r i f a c t i o n e q u i l m e a t t e s t i n g 虹 踮删i n t e g r i t ye v a l u a t i o n n i j sp a p e rb a s e so nt h ep r i n c i p j eo f a c o u s t i ce m i s s i o nt , 剃n g ，t l a e f e a t u r e so f a c o u s t i ce m i s s i o nt e s t i n gt e c h n i q u ea r e 翻皿町n 触i z e d a f t e r 卸i n l z o d u e t i o nt ot h eh i s t o r y n n dp r e s e n ts i t u a t i o no fa c , o u s t i ee m i s s i o nt e 蝣i 唱t e c l m o l o g , h o m ea n da b r o a d ，t h ea l l t l l o t sh a v e m a d e 嘶c wo ft h ea p p l i e a t i o 岱o fa e o m l i ce l l l i 嫡o nt e e l m i q u ei n p r e s s m ev e s s e la n d a m a o s p h e r i em e t a ls t o r a g et a n k s 。 p r e s s l ev e s s e l ss h o u l db et e s t c da n dm o n i t o 似li n 廿l ec o l t , 1 1 口o fm n u f a e t m r e g u l 口 m 妇肛m c e 枷l o n g - d a t el l s es o t oa v o i ds o m em a l i g l u m ta c c i d e n t s ，s u c h 丛g r e a ti n j u r i e sa n d d e a t h so ft h e v i l l gb o d yn n dt h eh e a v yl o s eo fe q u i p m e n ta n dp r o p e n y ai i l e t h o do fp l e s s u l t v e s s e l so n - f i n , , d e t e c t i n gi s b r o u g h tf o r w a r db y 璐i n ga c o u s t i ce m i s s i 0 1 t e c h n o l o g yi ns i g n a l c o l l e c t i n g a n d a n a l r 2 i n g n c m c l h o d 蛐p o i n t s a r m l g i n g a n dd a t a p r o c e s s i n g i s d i s c u s s e d a t m o s p h e r i cm e t a ls l o r a g et , m k st a k e 缸i p 咖tp a r ti ns t o r i n ga n dt r f e r r i n ge t u d eo i l d d a n g e r o mc h e m i c a l s ，t h em a i l ) l - e i $ o no ft a n kf n i l u r ei nl l s ei st h eb o l l o ml e a kn g l n e df r o m c o r r o s i o n a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho v e l r a m c so f a c o u s t i ce m i s s i o n t e s t i n g d 越懿m e m t e c l o l o g y0 1 1a t m o s p h e r i cl a n k s ，1 1 l j sp a p e ri n l r o d u r , e st h ed e t e c t i o nr e s e a r c ho fv e r t i c a lt a n k b o t t o m sw h i c hmi nd i f f e r e n tc o r r o s i o ne o n d i t i o i l su 妇培a c o u s t i ce m i s s i o nt e e l m o l o g yw 鸹 i n t r o d u c e d r e s u l t ss h o w e dm 砸t h es t r u c t u r ei n t e g r i t yo fv e r t i c a lt a n kb o t t o m s 锄b ea s s e s s e d t h r o u g ht h et e e l m o l o g y k y _ o r 由：o i l t n i l k ；a c o u s t i c e m i s s i o n t l 蛐 1 9 ；s a f e t y e s a l n a t e 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表 或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确说明并表示谢意。 作者签名 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学 位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论 文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文 的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的 学位论文在解密后适用本规定。 、0， 学位论文作者签名：b ，扣导师签名：幼 日期：口6 ，o 日期： 口7 、g ，d 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 1 1 选置的青景及意义 1 1 1 选题的背景 第一章绪论 随着国民经济的快速增长，能源问题己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( 尤其是石油) 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，美国当时约有去七十万座地上常压储罐，其中只有5 的储罐 能够提供储存容积6 7 。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己经设立了国家石油储备办公室，表明石油战 略储备己进入实质上作阶段。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，倒如；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。 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储罐的全面评估l l 】。 压力容器是在石油、化工、钢铁、造纸、医药、食品、城市公用等各行各业 得到广泛使用的设备，而且与人民日常生活息息相关。据2 0 0 3 年的统计，我国现 有固定式压力容器1 3 3 万多台，罐车近1 6 万辆，各类气瓶9 8 0 0 多万只。压力容 器是具有爆炸危险的特种承压设备，它承受着高温、低温、易燃、易爆、剧毒或 腐蚀介质的高压力，一旦发生爆炸或泄漏往往并发火灾、中毒等灾难性事故，造 成严重的环境污染，给社会经济、生产和人民生括带来损失和危害，直接影响社 会安定f 2 】。 而且，近年来压力容器产品大型化，高参数化的趋势日益明显，千吨级的加 氢反应器、一万立方米的天然气球罐等已经在我国大量应用。压力容器在五油化 第一章绪论 工、核工业、煤化工等领域中的应用场合也日益苛刻，大多在高温高压，低温高 压，高载荷及腐蚀性介质中运行，条件十分恶劣，如果部件在制造中留有缺陷或 在使用中产生新的裂纹，而不能及时发现，将导致灾难性后果。若能充分利用无 损检测技术及时准确地发现缺陷，有针对性地消除隐患，有目的地改进制造工艺， 就能保证压力容器的安全运行。通常情况下，压力容器的破坏主要取决于三个基 本因素：应力水平，材辩性能和缺陷危害程度。压力容器无损检测就是指在容器 应力分析和材料性能评价的前提下，确定焊缝中是否存在缺陷，缺陷当量，缺陷 性质和缺陷危害程度。从这个意义上说压力容器焊缝无损检测的可靠性也就是压 力容器安全可靠的重点和难点唧。 声发射检测与结构完整性综合评价技术就是解决上述问题的新方法之一。声 发射检测的目标主要是针对设备中的活性缺陷，它可以在压力变化过程中，利用 少量固定不动的换能器，就可获得活性缺陷的动态信息，而活性缺陷声发射 源的位置可通过时差定位、区域定位等方法来确定。因此，采用声发射技术可以 达到提高检测速度，节省检测费用，达到储罐和压力容器安全、连续使用的目的。 1 1 2 声发射检测技术发展 大约公元前6 5 0 0 年，古人在制陶过程用听窑炉陶器凝固过程中发出的声音来 判断制造的陶器是否完好，这其实就是早期的声发射技术应用。然而对于现代声 发射技术来说，其开始的标志却是1 9 5 0 年德国人j o s e f k a i s e r 对多种金属材料的 声发射现象进行的研究1 4 1 。他发现了材料形变过程中声发射的不可逆效应，即声 发射现象仅在第一次加载时产生，材料被重新加载期间，主应力值达到上次加载 最大应力之前不产生声发射信号，这就是著名k a i s e r 效应。这一效应在工业上得 到广泛应用，成为声发射检测技术的依据。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l 冠及各种材料的声发射现象的物理机制m 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。六十年代初，g r t ：e l l 等人首先开始了声发射技术在无损 检测领域方面的应用，并首次将发射技术应用于压力容器检测方而的研究” 把声发射技术成功地用在焊接延迟裂纹监视、压力容器、固体发动机壳体，核反 应堆的冷却液泄漏等的检铡。d u n e g a n 对声发射技术傲了开拓住的改进，他把声 发射的测试频率范围从声频范围提高到1 0 0 k h z 至i m h z ，这就大大地减少了背景 噪声，使得声发射的应用更加广泛。到二十世纪七十年代，d u n e g a n 等人又开始 声发射检测仪器研制 9 - 1 0 l 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 2 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 面推广做出具大贡献一2 1 。 我国声发射技术0 3 - 4 1 的开展源于上世纪七十年代，当时正是我国断裂力学发 展的高峰时期。研究者主要利用声发射来预报和测量裂纹扩展。二十多年来，我 国声发射技术在研究、应用的深度和广度上都有比较大的发展。从研究范围看， 已从最初的仅限于压力容器、金属疲劳和断裂力学应用等，发展到目前的金属材 料、复合材料、岩石和磁声发射等领域，并且在监视刀具破损和磨损、评价压力 容器结构完整性以及旋转机械和飞机结构监视系统研究、泄漏检测等方面取得了 一些成果。 八十年代中期声发射技术在压力容器和金属结构的检测方面得到应用。九十 年代以来，我国己开始研究核压力容器材料和模拟容器的声发射检测技术，并已 研制成功用于核反应的声发射换能器和前置放大器。目前我国声发射技术既有基 础性声发射源的识别研究( 主要是金属焊接的缺陷) ，也有金属材料、复合材料、 磁声发射、岩石、过程监测、压力容器等多个领域广泛研究和近几年，我国基本 每两年举办一次全国性声发射会议，推动了我国声发射技术的发展。我国声发射 学者在一些重要的国际学术会议上，如世界无损检测会议、国际声发射技术研讨 会、亚太地区无损检测会议等都发表了有水平的论文 随着人们对声发射源和声发射信号传播理论更深层次的认识，以及新一代全 数字化声发射仪器和功能强大的信号处理软件的问世，声发射技术在未来将经历 一个新的往更高层次发展的阶段，并获得更广泛的应用。 声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ) 简称a e ，是指材料内部局部区域在外界幢力或温 度) 的影响下，伴随能量快速释放而产生的瞬态弹性波现象i “。a e 是自然界中 一种常见的物理现象，如果在音频范围释放的应变能足够大，就可以听得见声鸣。 木材折断、大多数金属材料发生塑性形变和断裂时都伴有声发射信号产生。a e 的频率范围从次声( 频率低于2 0 h z ) 、可听声( 2 0 h z - 2 0 k h z ) 、直至几十m h z 的超 声波，其幅度( 传感器输出电压) ，大约从几微伏到几百伏。但a e 信号的强度一般 比较弱，人耳不能直接听见，需要借助敏感的传感器和电子仪器才能检测出来i j7 。 a e 技术是根据结构内部发出的应力波来判断内部损伤程度的一种新型动态 无损检测方法。如图1 1 所示，声发射源发出的弹性波，经介质传播到达被检测 物体表面，引起表面的机械振动。经声耦合在材料表面的压电陶瓷探头将表面的 瞬态位移转换成电信号。在探测到声发射信号后，通过鉴别系统的处理，记录下 声源位置及其它特性参数i ，处理装置对获得的每一个声发射信号的峰值幅度、 能量、上升时问、持续时间和到达时问高精度、高效率地进行测量和处理，同时 第一章绪论 由计算机对所得数据进行存储和分析f 1 9 1 。根据分析并结合制订的相关标准，即可 检测出被检容器表面及内部的活动性缺陷并划分出相应的等级，从而得出被检测 压力容器的实际材质安全状况方面的结论【2 0 】。 o o o 圈1 - 1 声发射技术基本原理 声发射检测是一种动态无损检测方法，即：使构件或材料的内部结构、缺陷 或潜在的缺陷处于运动变化的过程中进行无损检测。声发射检测的这一特点使其 区别于超声、x 射线、涡流等其他无损检测方法1 2 。 由于材謇 变形、裂纹扩展等的不可逆性质，声发射也具有不可逆性。因此， 要进行声发射检测，必须知道材料的受力历史，或者在构件第一次受力时进行检 测 声发射检测技术的主要优点有： ( 1 ) 可检测对结构安全更为有害的活动性缺陷。由于提供缺陷在应力用的， 动态信息，适评于价缺陷对结构的实际有害程度。 ( 2 ) 对大型构件，可提供整体或范围快速检测，易于提高检测效率。 ( 3 ) 可提供缺陷随载荷、时问、温度等外变量而变化的实时或连续信息， 因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报。 ( 4 ) 由于被检测件的接近要求不高，而适用于其他方法难于或不能接近环 境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境。 ( 5 ) 由于对构件的几何形状不敏感，而适用于检测其他方法受到限制的形 状复杂的构件。 声发射检测技术的主要局限性有： ( 1 ) 声发射特性对材料甚为敏感，又易受到机电噪声的干扰，因此，对数 据的正确解释要有更为丰富的数据库和现场检测经验。 ( 2 ) 声发射检测，一般需要适当的加载程序。 ( 3 ) 由于声发射的不可逆性，实验过程的声发射信号不可能通过多次加载重 4 大庆石油学院工程硬士专业学位论文 复获得，因此，每次检测过程的信号获取是非常宝贵的，不可因人为疏忽而造成 宝贵数据的丢失。 ( 4 ) 声发射检测所发现缺陷的定性定量，仍需依赖其它无损检测的方法。 由于上述特点，现阶段声发射技术主要用于：其他方法难以或不能适用的 对象与环境；重要构件的综合评价；与安全性和经济性关系重大的对象。因 此，声发射技术不是替代传统的方法，而是一种新的补充手段1 2 2 1 。 1 3 声发射技术在石化设备无损检测中的应用 1 3 l 声发射技术在压力容器无损检测中的应用 声发射检测技术作为一种动态无损检测技术，以其动态特性、整体性、实时 性、高效性和经济性等特点，在压力容器的制造质量验证、在线监测上被广泛应 用。我国已制定并发布了与此相配套的检测评定标准。应用声发射检测技术与应 力测定两种方法对加氢精制预反应器进行检验与评定，结果表明采用新检测及评 价技术与常规检验技术相结合的方法，对容器进行全面安全评定，特别是超期服 役的容器，是一种安全、可行的方法。压力容器的声发射检测与评价声发射检测 主要是针对容器中的活性缺陷，可以在水压试验或其它加载试验过程中，利用少 量固定不动的换能器，获得活性缺陷的动态信息，而活性缺陷一声发射源的位置 可通过时差定位、区域定位及次序冲击方法来确定。美国m a n s a n t o 化学工业 公司应用声发射技术成功地检测了数千台大型金属和复合材料压力容器；该项技 术在日本、意大利、澳大利亚和中国等国家也得到广泛研究和应用。 1 3 2 声发射技术在常压储罐中检测中的应用 储罐是一种比较容易发生事故的特殊设备，因此，储罐最根本的两大问题是 安全性和经济性。考虑我国目前在用储罐的拥有量、检测维修能力，以及特殊生 产工艺条件等因素，不可能在检修期内对所有的储罐都进行全面的检查。这样， 哪些储罐作重点检查，哪些才是大危险而急需检测的储罐往往缺乏科学的依据， 根据运行经验判断有可能使真正危险的设备得不到及时的检测，影响安全生产 特别是现在很多大型化工企业为提高经济效益，实行化工装置的长周期运行( “两 年一修”或“三年一修”) 。延长检修周期效益虽然非常可观，但石化企业的设备 老化和安全问题也日渐突出。所以迫切需要一种既保证安全又经济方便的储罐在 线检测和安全性评定的新方法1 2 3 1 。鉴于此，目前，国际上广泛应用于其它行业的 声发射技术，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，进一步的确定声发射源特性与储罐缺陷的对应关系，则会为开发新 6 第一章绪论 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傲安全保障 1 a 本文的主要工作 针对当今世界对石化设备安全、连续运行的需要，本文选基于声发射检测技 术的石化设备安全评估方法这一前沿课题为研究方向。通过综合分析声发射检测 技术与其它传统技术的各自特点，以及声发射技术应用在石化设备检测上的有关 理论的研究基础上，实现石化设备应用声发射检测，提高设备管理水平。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 声发射技术基础的研究 ( 2 ) 压力容器、常压储罐声发射检测原理、方法研究 ( 3 ) 声发射技术在压力容器和常压储罐检测上的应用 ( 4 ) 声发射检测标准的发展 通过研究声发射检测标准可以掌握其对压力容器和常压储罐检测缺陷程度的 划分。为研究石化设备结构完整性的评判标准奠定基础 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 2 1 引言 第二章压力容器声发射检测方法研究 石油化工是以石油为主要原料生产各种化工产品的工业，它与人民的生活、 工业、农业、交通运输以及国防工业有着密切的关系。石化设备是广泛应用于石 油化工业的设备，与机器共同组成石油化工机械。可以说如果没有石化设备，所 有石化企业根本不可能运转，整个国民生活就会陷入瘫痪，石化设备的重要性由 此可见一斑。 在石化设备中，压力容器是最具代表性的。广义上来说，压力容器就是内部 或外部承受气体或液体压力，并对安全性有较高要求的密封容器。早期主要用 于化学工业，压力多在1 0 m p a 以下。合成氨和高压聚乙烯等高压生产工艺出现后， 要求压力容器的压力达1 0 0 m p a 以上。随着化工和石油化工等工业的发展，压力 容器的工作温度范围越来越宽，容量不断增大，有些还要求耐介质腐蚀。压力容 器广泛地应用于化工及炼油厂，因为许多化学反应需要在加工的条件下进行。可 以说，在化学工业中，几乎每个工艺过程都离不开压力容器，而且它常常是生产 中的关键设备。如果发生事故，则事故的破坏性往往很严重，不但使整个设备遭 到毁坏，而且还常常要破坏周围设备和建筑物，并造成人身伤亡。因为压力容器 内的介质都是有压力的气体和饱和液体，容器爆破时内部的介质即卸压膨胀，瞬 时释放出较大的能量，它除可将整个容器碎块以很高的速度飞散外，还会产生冲 击波在大气中传播，从而造成更大的破坏。因此，压力容器在制造和定期维修时 必须要进行耐压试验的检测，在使用过程中进行长期监测瞄】。 由于科学技术的不断发展，对设备状态和故障诊断方法已有多种技术手段可 供使用。其中，无损检测( n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ，缩写n d t ) 是一种重要的设备故 障诊断手段，它包括超声探伤法、射线探伤法、磁粉探伤法、渗透探伤法、涡流 探伤法、声发射检测法等各种无损检测方法的适用范围和特点是不尽相同的， 见表2 1 目前，用于压力容器无损检测的方法主要有射线检测、超声检测、渗透检测、 磁粉检测及其他一些非常规无损检测方法。 ( 1 ) 射线检测技术：射线检测方法是利用射线透过试件时部分射线按厚度变 化的函数关系被吸收，试件较薄的部分透过的射线多，而较厚的部分透过的射线 少。这样就在胶片上生成一个按试件厚度变化的影像，从而可以对试件进行无损 7 第二章压力容器声发射检铡技术基本理论 超鬻伤的嚣淼毒絮票萼譬嚣不魏m ( a 型) 的检出、厚度测离大，装置小巧、轻、费用 一 量等低 适用于所有非 渗透探伤多孔性和非吸收 性材料 适用于材料内 x 射线探伤都有缺陷的检测 适用于磁性材 磁粉探伤科的表面和近表 面缺陷检测 具有导电性的 涡流检测铁磁性材料和非 铁磁性材料 适用于铁磁性 漏磁检测 材料的缺陷检测 适用于铁磁性 声发射检测材，非铁磁性材 料的缺陷检测 可检出表面裂纹、针孔、 折叠、缝隙、泄漏等表面开 口缺陷 对体积性缺陷检出率较 高，对不大于6 m m 的钢板 可辨认出4 , 0 i m m 的钢丝 操作简便、直观、灵敏度 高；检测成本低 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 近表面内缺陷；能分选金属 材料，检查其成分、显微组 织和其它物理性质的差异； 能检测出试件的各种尺寸、 涂料厚度、腐蚀状况和变形 状况 操作简便、直观、灵敏度 高、成本低、效率高；能穿 透涂层；不受内部流动介质 影响；尤其能够检铡出内表 面的缺陷 操作简单、方便，成本低、 效率高。可以实现整体和在 线监控，对不易按近的被测 件也可以应用 需对表面进行清洗和去 污；只能检出表面上的开口 缺陷；浅的擦伤和污迹会形 成假指示：地法显示不连续 的深度；有毒 适用于体积形缺陷，面形 缺陷检出率较低 能检铡出缺陷的位置和 表面的长度，但不能确定缺 陷的深度：只限于铁磁性材 料 只是一种间接的测量方 法，对仪器指示值与工件的 结构特征之间关系必须加 以仔细分析；探伤前表面要 进行清理，除去对探伤有影 响的附着物 只适用于铁磁性材料；材 料越厚，需要的磁化能力越 强 在检测过程中需要有力 及状态的变化：检测过程中 易受噪声的干扰；定位误差 严重，需要的检测人员有足 够的知识和丰富的经验 检测射线检测技术经长时间的发展，现已形成射线照像技术，射线实时成像检 测技术和射线层析检测技术三大部分，其中x 射线和l r 射线的常规射线照像检测 技术已发展成为相当成熟的无损检测技术，它正广泛应用于锅炉压力容器检验中 ( 2 ) 超声检测技术：超声检测是用普通的脉冲反射法操作，通过在噪声波 和干扰波的背景上出现意外的回波来检溺出缺陷的过程，它具有检测对象范围广， 0 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 检测深度大，缺陷定位准确，检测灵敏度高，成本低，使用方便，速度快，对人 体无害及便于现场使用等优点 2 6 】。因此，超声无损检测技术是国内外应用最广泛， 使用频率最高且发展较快的种无损检测技术。 ( 3 ) 磁粉检测：当工件磁化时，若工件表面有缺陷存在，由于缺陷处的磁 阻增大而产生漏磁，形成局部磁场，磁粉便在此处显示缺陷的形状和位置，从而 判断缺陷的存在。磁粉探伤设备简单、操作容易、检验迅速、具有较高的探伤灵 敏度，可用来发现铁磁材料镍、钴及其合金、碳素钢及某些合金钢的表面或近表 面的缺陷；它适于薄壁件或焊缝表面裂纹的检验，也能显露出一定深度和大小的 未焊透缺陷；但难于发现气孔、夹渣及隐藏在焊缝深处的缺陷。 ( 4 ) 渗透检测：渗透检测是利用液体的毛细现象检测非松孔性固体材料表 面开口缺陷的一种无损检测方法。在装备制造、安装、在用和维修过程中，渗透 检测是检验焊接坡口、焊接接头等是否存在开口缺陷的有效方法之一。其具有适 用材料广泛，操作简单等优点。 以上所介绍的几种无损检测方法虽各有其显著的特点，但是在压力容器检测 时却必须要求停产或者清罐才能进行检测。这在生产上是不可行的，因此只有在 线检测才能化解安全检测和连续运行的矛盾。在用压力容器设备检测要在线无损 检测，其工作介质特殊，危险性大，一般需要远程测量。另外在用压力容器检测 的工作量大，有较大难度，并且诊断要求有一定的前瞻性，有预警功能。 鉴于在用压力容器在线检测的这些特点，传统的检测方法已不能满足检测要 求，声发射技术作为在线无损检测的新兴技术，经过几十年的发展己逐渐成熟地 应用于压力容器的在线检测。 声发射对压力容器的检验可分为新制造的验证试验、在用定期检验和运行过 程中的在线监测，但其共同的特点都是在容器加载的情况下进行动态测试。声发 射检测方法在许多方面不同于其它常规无损检测方法，其优点主要表现为： ( 1 ) 声发射是一种动态检测方法，声发射探测到的能量来自于被测试物体 本身，而不是像超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供； ( 2 ) 声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，它能探测到在外加结构应力下 这些缺陷的活动情况，稳定的缺陷不产生声发射信号； ( 3 ) 在一次试验过程中，声发射检验能够整体探测和评价整个结构中缺陷 的状态； ( 4 ) 对于在用压力容器的定期检验，声发射检测方法可以缩短检验的停产 时间或者不需要停产； ( 5 ) 对于压力容器的耐压试验，声发射检测方法可以预防由未知缺陷引起 的灾难性失效和限定压力容器的最高工作压力 9 第二章压力容器声发射检嗣技术基本理论 2 2 压力容器的声发射检测技术在我国的发展 声发射技术于二十世纪七十年代初开始引入我国，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，随后中科院沈阳金属研 究所、航天部6 2 1 所、机械部合肥通用机械研究所、武汉大学等一些科研院所和 大学主要开展了金属和复合材料的声发射特性研究。 八十年代初期人们开始尝试采用声发射技术进行压力容器的检验等工程应 用，然而鉴于当时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等方面存在不少问题，因此声发射技 术曾陷入低谷。 八十年代中期劳动部锅炉压力容器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 s 0 微处理计算机技术制造的s 鼢期： n 源定位声发射 检测与信号处理分析系统，并在全国一些石化和煤气公司开展了大量球形储罐和 卧罐等压力容器的检测，取得了成功的应用实例，得到了用户的认可。随后，冶 金部武汉安全环保研究院、大庆石油学院、西安4 4 所和石油大学等许多单位相继 从p a c 引进先进的s 鼢k i a n 和l ( 圮a n 等型号的声发射仪器，开展了压力容器、 飞机、金属材料、复合材料和岩石的检测和应用。1 9 8 9 年的全国第四届声发射会 议指出：“我国声发射技术的研究、应用和仪器队伍不断扩大，技术水平不断提高， 表明我国声发射技术发展已经走出低谷，开始向新的高峰攀登” 自进入二十世纪九十年代至今，声发射技术在我国的研究和应用成快速发展 的趋势。九十年代初燕山石化、天津石化、大庆油田、胜利油田、辽河油田和深 圳锅炉压力容器检验所等石油、石化企业检验单位和专业检验所相继进口大型声 发射仪器广泛开展压力容器的检验。2 0 0 2 年国家质量监督检验检疫总局锅炉压力 容器检测研究中心从德国v a l l e n 公司引进了最新型号的a s m 5 型3 6 通道声发 射仪，该仪器既可对声发射信号进行基于波形的模式识别分析，又具有大型常压 油罐底部泄漏的检测能力。目前声发射技术已在我国已在石油、石化、电力、航 空、航天、冶金、铁路、交通、煤炭、建筑、机械制造与加工等领域开展了广泛 的研究和应用工作 声发射技术和大量的科研成果在我国压力容器检测中成功的推广和应用，一 方面及时掉除了大量带缺陷运行的压力容器的爆炸隐患，降低了恶性事故的发生， 确保了这些压力容器的安全运行，取得了重大的社会效益；另一方面，声发射检 测大大缩短了压力容器的检验周期，并减少了盲目返修和报废压力容器所带来的 损失。为广大压力容器用户带来了巨大的经济效益，这种检验方法深受广大压力 容器用户的欢迎 大庆石油学院工程顸士专业学位论文 2 3 压力容器声发射检测的原理 2 3 1 凯塞效应和其在压力容器声发射检酒中的应用 声发射现象与材料的塑性变形和断裂是紧密相连的，由于材料塑性变形和断 裂的不可逆性。声发射现象也是不可逆的。试样第一次受力后，再以同样的方式 受力时，达到以前受力的最大载荷前不出现声发射现象，这一现象被称为不可逆 效应，也称为凯塞效应。 叁 牛 v 丹 毒 越 缸 时问 图2 1 凯塞效应试验结果 圣 每 蚤 复 田 霍 凯塞尔效应的试验结果如图2 1 所示，当加了一次载荷使发生声反射之后卸 去载荷，第二次再加载荷时则在所加载荷未超过第一次加载时的应力值之前，便 没有声发射产生，这一原理常用于压力容器的定期检测。 其实声发射的凯塞效应只是近似的。材料第一次受力为仉，卸载后第二次载 乃时才产生声发射现象，将d 2 a , 称为不可逆效应比。材料的这一特性为凯塞效 应在压力容器缺陷来历评定上的应用提供了可能。 根据断裂力学的理论，当结构中含有缺陷且在平面应力条件下承载时，缺陷 尖端会形成一个如图2 2 所示的塑性区。 围2 - 2 缺陷尖端的塑性区示意囱 第二章压力容器声发射检嗣技术基本理论 ，= 土咖2 01+3sin2习01 3 2 x c ) s ：2 ( 2 - ，)，= l 一咖一iz l j 2 j 式中 三 墨一应力强度因子，m 咖2 o 。一材料屈服强度，m p a 显然，该塑性区的大小随该处应力强度因子的增加而增加，而该处应力强度 因子又随结构承受载荷的增加而增加。根据凯塞效应原理，当所加载荷小于缺陷 承受的历史最高载荷时，由于不会形成新的塑性区，此时缺陷部位不会产生声发 射现象；反之，当所加载荷超过缺陷承受的历史最高载荷时，即使缺陷不扩展， 但由于塑性区扩展，此时缺陷部位仍产生声发射现象鲫。 根据声发射不可逆效应钥塞尔效应，对己使用过的压力容器因已承受过 一定的压力，故在检修中再次进行水压试验时，当压力不超过使用时的最高压力， 则不出现声发射。若容器长期使用中，产生了疲劳裂纹和压力腐蚀裂纹，则在较 低的压力下就会出现声发射。这样就应寻找其形成原因并据其进行安全评定。 2 3 2 压力容器声发射源特征研究 了解现场压力容器的声发射源特性是进行压力容器声发射信号源分析和解释 的基础，现场压力容器声发射检验可能遇到的典型声发射源分为七类，分别是： 裂纹扩展、焊接缺陷开裂、机械摩擦、焊接残余应力释放、泄漏、氧化皮剥落、 电子噪音。 l 、裂纹扩展 裂纹的形成和扩展是许多设备破坏的基本原因，其过程包括裂纹形成、裂纹 尖端的塑性变形和裂纹扩展3 个步骤。塑性材料受到外力作用时，由于其中第一 相硬质点与基体材料变形不一致，往往在前者界面上形成微孔，当外力增加时， 微孔不断长大并且与相邻微孔连接起来形成初始裂纹。裂纹尖端由于应力集中而 形成塑性区域，在外力作用下，塑性区域产生微观裂纹，进一步扩展成为宏观裂 纹。对于脆性材料不产生明显的塑性变形，其裂纹的形成主要是由于位错塞积， 裂纹的扩展也较快 利用声发射传播原理采集信号，然后通过相关信号分析，对压力容器损伤点 或裂纹位置进行检测和预报，这就是声发射相关分析诊断。压力容器等设备在工 作载荷或试验载荷作用下，容器壁受到应力的作用，使材料在破坏过程中组织内 会出现微小的错位移动并逐渐扩大，在薄弱处( 潜在损伤点) 最先出现裂纹，随后 扩展乃至断裂。当裂纹一旦发生，就会发出微小的音响报警信号。利用声响传感 大庆石油学院工程硬士专业学位论文 器接收这些微小的信号并输入处理器经信号放大后，在计算机上进行相关分析， 对分析的结果进行适当的数学处理，就能确定器壁上的破坏点或裂纹相对于测点 的准确位置。 裂纹的声发射定位源比较集中，在进行加载声发射检测期间，一般在低于压 力容器运行的压力下无声发射定位源信号，在高于此压力的升压、保压各个阶段 均有声发射定位源信号，在降压后的第二次升压和保压阶段，很少或几乎没有声 发射定位源信号，满足k a i s e r 效应。 2 、未熔合、未焊透、夹渣、气孔等焊接缺陷 容器在制造焊接过程中，如果焊接工艺操作不当，即可出现各种焊接缺陷。 其中气孔、夹渣和未熔合三种焊接缺陷很易同时出现，混合在一起。根据大量的 压力容器声发射试验结果，大部分缺陷在正常的水压试验条件下不易产生声发射 信号，但也有一些缺陷可产生大量声发射信号。这些缺陷产生的声发射定位源也 比较集中，在进行加载声发射检测时，一般在低于压力容器运行的压力下即可产 生声发射定位源信号，而且各个升压和保压阶段均有声发射定位源信号，在降压 后的第二次升压和保压阶段也可出现一些声发射定位源信号，不能满足k a i s e r 效应。分析认为，夹渣缺陷的存在是第二次升压过程中产生声发射信号的原因。 这是因为非金属夹渣物在第一次升压过程中可产生断裂并与金属基体脱开，在降 压后的第二次升压过程中这些夹渣物会继续破裂或相互之间产生摩擦而释放出弹 性波。 3 、结构摩擦 在现场压力容器加压试验过程中，容器壳体会产生相应的应变，以至整个结 构因摩擦产生大量的声发射定位源信号是十分常见的现象。结构摩擦通常由脚手 架、保温支撑环、容器的支座、裙座、柱腿、平台等焊接垫板引起。结构摩擦产 生的声发射定位源散布在较大的范围，而且由于结构摩擦的a e 机制与一整块金 属材料因塑性变形产生a e 的机制不同，故不能满足k a i s e r 效应，即在降压后的 第二次升压过程中仍产生大量的声发射信号。 4 、残余应力释放 冷加工、焊接和不均匀加热都可在压力容器壳体上产生残余应力，焊缝错边、 机械损伤和壁厚减薄等结构性缺陷在加压过程中也可引起应力集中，这些部位在 第一次加压和保压过程中均产生大量的声发射信号。由于残余应力的分布范围比 裂纹、焊接缺陷部位大得多，因此产生的声发射定位源区域比裂纹、夹渣等缺陷 的范围大。残余应力释放产生的声发射信号具有两个特点：一是定位源分布范围 较大，不像裂纹扩展和焊接缺陷开裂产生的声发射定位源集中：一几是满足k a i s e r 效应，因为残余应力释放是应力集中部位材料局部屈服，导致大量位错运动而产 生的声发射信号，位错运动的最终结果使应力得到一定程度的松弛。降压后进行 第几次升压时，只有压力达到第一次最高压力之后，位错才会运动，故才有声发 射信号产生。 1 3 第二章压力容器声发射检测技末基本理论 5 、泄漏 裂纹的穿透、人孔、法兰和阀门的泄漏等都可产生连续的声发射信号。由于 由泄漏产生的声发射信号是连续的，因此不能被时差定位方法进行定位。但是， 对于多通道仪器来说，探头越接近泄漏源的通道，采集的声发射信号越多，信号 的幅度、能量等声发射参数也越大。通过采用声发射信号撞击数、幅度、能量等 与声发射通道的分布图，可以确定泄漏源的区域。 压力容器的泄漏过程可分为3 个阶段：应力集中及裂口阶段；裂口扩展及渗 漏阶段；高速水流喷射阶段( 即泄漏阶段) 。其中第l 阶段的声发射信号是由金属 裂纹开裂产生的，信号为突发型信号，而且持续时问比较短，能量比较强；第2 阶段的声发射信号是由裂纹扩展时释放应变能所产生的，同时也包括流体从裂口 向外渗漏时在管壁内激发的应力波，因此这个阶段的信号是由突发型信号和连续 型信号叠加而成的，信号的能量比较弱；随着裂口的扩大和穿透，逐步进入第3 阶段，此时高压流体从裂口中以很高的速度喷射而出，在管壁内激发出很强的应 力波。实验结果表明，由射流所产生的信号是连续型的，若水中含有气体( 或蒸汽) ， 那么气体的问断喷出可以形成很强的突发型信号，信号的形状类似渗漏产生的信 号，只是幅度较大。 泄漏所产生的声发射信号具有如下特点； ( 1 ) 泄漏所激发的应力波的频谱具有很陡的尖峰，利用频谱分析法可以很 容易地把泄漏信号从噪声中分离出来。 ( 2 ) 泄漏产生的信号比较强，且其幅度大小与泄漏速率成正比，与信号的 均方根值成正比。 ( 3 ) 当泄漏速率很小几乎与压力无关时，依然满足泄漏速率与信号的均方 根值成正比。 因此，可以根据所接收到的声发射信号的频谱和均方根值判断是否发生泄漏 或泄漏程度的大小网。 6 、氧化皮剥落 如果压力容器受到严重腐蚀，在容器的壳体上会产生大量的氧化皮。在首次 加压过程中，随着应力的增加，容器壳体必然会产生相应的应变，但容器壳体表 面附着的金属氧化物不能随之产生相同的应变，故在加压与保压过程氧化皮会破 裂剥落产生大量的声发射信号 7 、电子噪音 由于目前所采用声发射仪器的抗干扰能力较强，根据大量压力容器现场检验 的经验发现，采集到的几乎所有的电子噪音信号都不是来自于外部环境，而是来 自于声发射仪器系统内部。声发射系统内部的电子噪音源主要包括探头、信号线、 前置放大器、电缆线、信号采集板等。由于来自不同通道的电子噪音信号是相互 不关联的，所以不会产生定位源。 1 4 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 2 4 压力容器的声发射检测方法 2 4 1 声发射检测的基本程序 声发射检测的基本程序如下： ( 1 ) 完成各项检测准备工作； ( 2 ) 确定传感器阵列； ( 3 ) 布置声发射传感器并保证声耦合良好； ( 4 ) 接线并检查线路，设定检测条件； ( 5 ) 排除噪声干扰； ( 6 ) 校准检测系统； ( 7 ) 耐压试验，同时进行a e 检测( 信号收集) ： ( 8 ) 数据处理和结果评定； ( 9 ) 出具检测报告 2 4 2 在用压力容器定期检验的和缺陷评定程序 采用声发射技术对在用压力容器进行全而定期检验和缺陷评定的步骤如下： ( i ) 将容器停产倒空后，不开罐首先直接进行耐压试验( 试压介质一般为水) 和 声发射检验，。从声发射检验结果给出容器壳体上有意义的活性声发射源部位： ( 2 ) 采用宏观检验、磁粉或渗透、超声波或射线等常规无损检测方法对声发射 源部位进行复验，排除干扰声发射源，找出容器壳体上存在的活性缺陷； ( 3 ) 对容器焊缝的内外表而进行1 0 0 0 ，磁粉检测，发现并消除那些在声发射检 验过程中不活动的表而裂纹； ( 4 ) 按在用压力容器检验规程( 以下简称检规) 对容器进行内外表面 宏观检验和超声波测厚检验； ( 5 ) 按检规精神，对声发射源内发现的超标缺陷，按活动发展性缺陷进 行处理，对声发射源之外常规无损检测方法发现的焊缝内部的超标缺陷按非活动 性缺陷进行处理； ( 6 ) 对于经过返修的压力容器需进行第一次耐压试验； ( 7 ) 气密试验； ( 8 ) 出具综合检验报告评定容器的安全等级 第二章压力容器声发射检嚣技术基本理论 2 4 3 在用压力容器在线声发射检测和评定程序 对