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声发射技术在大型压力容器检验中的应用研究 摘要 大型压力容器是化肥、炼油、化工、医药、有机合成等行业使用的主要生产 设备，是一种可能引起爆炸或中毒等危害性较大事故的特种设备。压力容器的检 验就是要发现出影响强度的缺陷，特别是裂纹、未焊透、未溶合等危险性的活性 缺陷。 当前，压力容器的检验方法主要是采用无损检测方法，除常规的表面检测、 超声波检测、射线检测等方法外，基于凯赛尔效应和费利西蒂效应的声发射技术 在压力容器检验中应用，越来越广泛，产生的经济效益巨大。本文介绍了压力容 器检验的方法和声发射技术的原理，通过对压力容器声发射检验系统的选择、信 号探测与处理、数据显示、压力容器声发射检测程序、声发射检测设备设置与校 准、加载程序、噪声来源与排除等方面的实验和研究，寻找在大型压力容器检验 中准确获取的声发射数据的方法。 通过在数台大型压力容器检验中应用声发射技术进行试验，研究如何正确在 各类大型压力容器检验中运用声发射设备采集信号数据，对各种压力容器检验声 发射源的特征和识别方法进行了实验分析和研究。提出了在大型压力容器检验 中，运用声发射技术后，未发现声发射源信号的情况下，压力容器安全状况等级 的判定方法。发现声发射源信号的情况下，按源的活性和强度判定安全状况等级 的方法。 应用声发射技术进行大型压力容器检验，运用检验数据对大型压力容器的 安全 生能进行分析判断，总结研究出大型压力容器检验中应用声发射技术的方 法、经验和规律。由于声发射技术的优点，我国的声发射技术在大型压力容器检 验方面将拥有巨大的应用市场。但还有许多急需解决的问题，期待进一步研究。 关键词：声发射技术；大型压力容器；无损检测；声发射源：安全状况等级 r e s e a r c ho na c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n i q u ei nl a r g e s i z e d p r e s s u r ev e s s e l si n s p e c t i o n a b s t r a c t n o w , l a r g e s i z e dp r e s s u r ev e s s e l sa r et h em a i nm a n u f a c t u r i n g f a c i l i t i e si nc h e m i c a l f e r t i l i z e rp l a n t s ，o i lr e f i n i n gp l a n t s ，c h e m i c a lf a c t o r i e s ，m e d i c a li n d u s t r i e s ，o r g a n i c s y n t h e s i si n d u s t r i e s ，a n dt h e ya r ca l s os p e c i a le q u i p m e n t sw h i c ha r ea p tt o e a n s e d a n g e r o u se x p l o s i v ea n dt o x i ca c c i d e n t s t h em a i np u r p o s eo fi n s p e c t i o ni st of i n dt h e d a n g e r o u sa c t i v ed e f e c t s ，s u c ha sc r a c k s ，i n a d e q u a t ep e n e t r a t i o n ，i n c o m p l e t ef u s i o n ，a n d s oo n a tp r e s e n t ，t h ew a y so fi n s p e c t i o nf o ri n - s e r v i c ep r e s s u r ev e s s e l sa r en o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g b e s i d e st h en o r m a ln o n d e s t r u c t i v et e s t i n gw a y s ，s u c h a sr t , u t , m t , p t ，t h e a c o u s t i ce m i s s i o n ( a e ) t e s t i n gb a s e do nk a i s e re f f e c ta n df e l i c i t ye f f e c ti sw i d e l y u s e di np r e s s u r ev e s s e l si n s p e c t i o n ，w h i c hc r e a t sh u g ee c o n o m i cb e n e f i t s a f t e rt h e c o m p r e h e n s i o no nt h ew a y so fp r e s s u r e v e s s e l si n s p e c t i o na n dt h et h e o r yo fa e t e c h n i q u e ，i no r d e rt of i n dt h ec o r r e c tw a y so fa et e s t i n gi nl a r g e - s i z e dp r e s s u r ev e s s e l s i n s p e c t i o n ，m a n yt r i a l sa n dr e s e r c hh a v eb e e np u to ni nt h es e l e c t i o no fa et e s t i n g s y s t e m ，a es i g n a ld e t e c t i o na n dt r e a t m e n t ，d a t ad i s p l a y , t h ep r o c e d u r eo fa et e s t i n g ， a d j u s t i n ga n dc a l i b r a t i o no fa et e s t i n ge q u i p m e n t s ，t h ep r o c e d u r eo fl o a d i n go p e r a t i o n ， n o i s es o u r c ea n da l l e v i a t i o n ，a n ds oo n w eh a v ed o n et h ee x p e r i m e n t so fa et e s t i n gi na l lk i n d so fl a r g e - s i z e dp r e s s u r e v e s s e l s t h ec h a r a c t e ro fa es o u r c es i g n a l si np r e s s u r ev e s s e l sa n dt h ew a y so fh o wt o i d e n t i f i c a t et h e mh a v eb e e ns t u d i e da n da n a l y s e dc l e a r l y i tp r o v i d e sag o o dw a yt o d e c i d et h es a f e t yg r a d a t i o ns e p e r a t i o n ，w h e nt h e r ei sn oa es o u r c es i g n a l s i tp r o v i d e s w a y st od e c i d et h es a f e t yg r a d a t i o ns e p e r a t i o nb yt h ea c t i v i t ya n di n t e n s i t yo f a es o u r c e s i g n a l s a c c o r d i n gt ot h o s er e s u l t s ，a et e s t i n g h a sb e e na p p l i e di ns o m el a r g e s i z e d p r e s s u r ev e s s e l si n s p e c t i o ns u c c e s s f u l l y , h o wt od e c i d et h es a f e t yg r a d a t i o ns e p a r a t i o n o fp r e s s u r ev e s s e l sb ya et e s t i n gs i g n a l s ，a n dd r a wt h ec o n c l u s i o na b o u tt h ew a y s ，t h e e x p e r i e n c e ，o rt h er u l e so fa et e s t i n gi nl a r g e s i z e dp r e s s u r e ，v e s s e l si n s p e c t i o n ，h a v e b e e nr e s e a r c h e da n dc o n c l u d e d b e c a u s eo ft h em e r i t so fa et e c h n i q u e ，a c o u s t i c e m i s s i o nt e c h n i q u ei nl a r g e - s i z e dp r e s s u r ev e s s e l si n s p e c t i o nw i l lb ew i d e l yu s e da n d h a sab r i g h tf u t u r e ，b u tm a n yp r o b l e m ss t i l ln e e dt ob ee x t e n d e da n df u r t h e rd e v e l o p e d k e yw o r d s ：a c o u s t i c e m i s s i o n t e c h n i q u e ；l a r g e s i z e dp r e s s u r e v e s s e l s ； n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ；a c o u s t i ce m i s s i o ns o u r c e ；t h es a f e t yg r a d a t i o n 致谢 y 9 0 6 5 9 5 回顾三年的艰苦研究生求学历程，漫长而短暂，母校南京林业大学优美的 环境和严谨的学风给我留下了深刻印象，将永远激励我不断进步，攀登高峰。 在论文完成之际，我要特别感谢我的导师潘一凡教授。 一言难尽师恩。 三年前，我有幸成为潘老师的学生，在三年的研究生学习期间，得到了恩 师的关怀和谆谆教诲，这让我建立了攻克一切困难的信心并口勇气。潘老师学识渊 博、敬业敬职，诲人不倦的师德和诚恳待人的品德将使我终生受益。不论是在学 习中、工作中、生活中，恩师都给予了无私的帮助。我所取得的每一点进步，都 倾注着老师的心血。在今后的人生路途中，我将牢记恩师的教诲，勤奋地工作， 勇敢地面对一切挑战。 感谢机电院各位老师，特别是刘英老师曾经给予的无私的帮助。 感谢同学们在三年的求学生活中给予的关心和支持，你们的友情是无可替 代的。 最后我要感谢我的家人，在我学习期间给予我以无尽的关怀和默默的祝 福，亲情是我生活的动力和奋斗的信心，我所取得的每一点成绩都是与他们的支 持和关心分不开的。 作者：朱玉明 二oo 六年六月 绪论 压力容器属于承压类特种设备，广泛地应用于石油、化工、机械、冶金、轻 工、航空、航天、国防等工业部门的生产以及人民生活。在化肥、炼油、化工、 医药、有机合成等行业，压力容器是主要的生产设备，例如在百万吨炼油装置和 年产3 0 万吨乙烯的装嚣中，压力容器约占设备总量的3 5 。近年来，随着技术 进步和工业化、规模化的发展，压力容器的使用越来越普及，朝着大型化、复杂 化方向发展，为经济建设发挥着重要的作用。 1 1 压力容器的定义与分类 1 1 1 压力容器的定义 按g b l 5 0 - 1 9 9 8 钢制压力容器的规定，设计压力低于0 i m p a 的容器属于 常压容器，而设计压力高于o 1 m p a 的容器属于压力容器。从安全角度看，单纯 以压力高低定义压力容器不够全面，因为压力不是表征安全性能的唯一指标。在 相同压力下，容器的容积越大，其积蓄的能量就越多，一旦发生破裂，造成的损 失和危害也就越大。此外，容器内介质特性对安全的影响也很大，气体的危害程 度大于液体，尤其是易燃易爆的气体或液化气体，如果容器发生事故，除了爆炸 造成的损失外，由于介质泄漏或扩散而引起的化学爆炸、起火燃烧、中毒污染， 导致的后果极其严重。因此压力、容积、介质特性是与安全相关的三个重要参数。 2 0 0 3 年3 月国务院特种设备安全监察条例规定，压力容器的定义是：盛 装气体或液体，承载一定压力的密闭设备，其最高工作压力( p ) 大于或等于 0 i m p a ( 表压) ，且压力与容积的乘积大于或等于2 5 m p a l 的气体或液化气体和 最高工作温度高于或等于标准沸点的液体的固定式容器或移动式容器。 1 1 2 压力容器的分类 压力容器的形式、品种繁多，其分类方法有很多种。按材料分类，分为钢 制压力容器、钛制压力容器和非金属压力容器等。按制造方法分为板焊容器、锻 焊容器、包扎容器、绕带式压力容器等。按压力容器在生产工艺过程中的作用原 理分类，分为反应压力容器、换热压力容器、分离压力容器、储存压力容器。按 压力容器的设计压力( p ) 分类，分为低压( 代号l ) 0 i m p a 、 p c i 6 m p a ；中压 ( 代号m ) 1 6 m p a 、 p 1 0 m p a ；高压( 代号h ) 1 0m p a p 1 0 0 m p a ：超高压( 代号 u ) p l o o m p a 。按压力容器安全技术监察规程的规定，压力容器分为i 、i i 、 i 类。 1 2 压力容器的安全 1 2 1 压力容器的危险性 压力容器是一种可能引起爆炸或中毒等危害性较大事故的特种设备，当设各 发生破坏或爆炸时，设备内的介质迅速膨胀、释放出极大的内能，这些能量不仅 使设备本身遭到破坏，瞬间释放的巨大能量还将产生冲击波，使周围的设施和建 1 筑物遭到破坏，危及人员生命安令。如果设备内盛装的足易燃或有毒介质，一旦 突然发生爆炸，将会造成恶性的连锁反应，后果不堪设想。所以压力容器比一般 机械设备有更高的安全要求。压力容器承受各种静、动载荷或交变载荷，有些还 有附加的机械或温度载荷。运行温度和压力变化范围相当广泛，从一1 0 0 0 c 以下 的低温到1 0 0 0 0 c 以上的高温；从真空到1 0 0 m p a 以上的超高压，有时运行条件甚 至达到苛刻的地步，如合成氨的操作压力1 0 1 0 0 m p a ，高压聚乙烯装置的操作 压力为1 0 0 3 5 0 m p a 。内部介质为气体、液化气体或最高工作温度高于标准沸点 的液体，多达数千个品种，有些是易燃、易爆、有毒、腐蚀等有害物质o “。 1 2 2 我国压力容器安全现状 我国压力容器的使用量大面广，据2 0 0 3 年统计，全国有8 8 2 8 万台压力容器， 遍布在8 0 万个企事业单位，且每年以7 8 的速度增长。爆炸事故频繁，2 0 0 0 2 0 0 3 年期间，发生爆炸事故6 6 i 起，死亡5 7 9 人，伤1 2 6 7 人，直接经济损失数 百亿元。近年来，随着经济的快速发展，特别是石油、化工、钢铁等国家支柱行 业的快速发展，压力容器安全形势更加严峻“1 。 1 3 压力容器的检验 压力容器检验的目的就是防止压力容器失效事故，特别是危害最严重的破裂 事故发生，因此在某种程度上可以说，压力容器检验的实质就是失效的预测和预 防。检验是压力容器安全管理的重要环节。按工作性质，压力容器检验可分为产 品安全质量监督检验和在用检验两大类。安全质量监督检验的任务是保证压力容 器产品质量。产品质量是安全的基础，是保证压力容器安全投入运行、发挥经济 效益的先决条件。压力容器产品质量的任何失控都可能产生安全隐患和发生事 故，给使用管理带来麻烦，甚至导致容器过早失效和报废。在用检验是指压力容 器使用期间的定期检验，它是保证设备长期运行和安全生产的有力措旌。通过定 期检验，及时发现使用中压力容器的新生缺陷，根据检验结果重新确定其安全状 况等级以决定继续使用、监控使用、修复后使用或判废。 为了确保压力容器安全运行，各国对压力容器均采用运行期间的定期检验制 度。压力容器内外部检验的周期一般为5 1 0 年。我国政府有关规程规定，在用 压力容器内外部检验的周期最长为6 年。在用压力容器检验的重点是压力容器在 运行过程中受介质、压力和温度等因素影响而产生的裂纹、腐蚀、冲蚀、应力腐 蚀开裂、疲劳开裂及材料劣化等缺陷，因此除宏观检查外需采用多种无损检测方 法。压力容器的检测基本在其安装使用现场进行，检测条件受到限制，因此采用的 无损检测技术应适用于现场应用，仪器均为便携式。 1 3 1 压力容器检验的内容 1 ) 影响压力容器安全的危险缺陷 压力容器缺陷主要有制造过程中漏检验后遗留的缺陷和在使用中新产生的 缺陷两种。压力容器的制造主要是使用钢材( 板材、锻件、管材等) 通过焊接而 成型。其中钢材中常见的缺陷有气孔、夹渣、裂纹等，一般地说，材料中的缺陷 目前因材料制造水平和检验要求提高，相对较少。压力容器的焊缝焊接缺陷有咬 边、焊瘤、凹坑、气孔、夹渣、未焊透、未溶合、裂纹等。压力容器在使用过程 中产生的缺陷有腐蚀、裂纹等。 焊缝中原子结合遭到破坏，形成新的晃面而产生的缝隙称为裂纹。我们所讲 的裂纹主要是指宏观裂纹，即肉眼可见的裂纹，而不包括在高倍数显微镜下才能 看到的晶间裂纹和晶内裂纹。具有三维尺寸的缺陷称为体积型缺陷，如气孔，夹 渣。具有二维尺寸，另一维尺寸很小的缺陷称为面积型缺陷，如裂纹，未溶合， 它的出现将显著减少承载面积，更严重的是裂纹端部形成尖锐缺口，应力高度集 中，很容易扩散导致破坏。裂纹的危害性极大，由于其延迟特性和快速脆断特性， 带来的危害往往是灾难性的。世界上的压力容器事故除极少数是由于设计不合 理、选材不当的原因引起外，绝大部分是由于裂纹引起的脆性断裂。 在所有缺陷中以裂纹缺陷最为严重，其他类型的缺陷最终发展趋势也会形成 裂纹陆”。压力容器检验中发现裂纹后，必须消除裂纹后才能安全运行。 2 ) 压力容器检验的重点 由于压力容器承受内部载荷，易发生因材料屈服或断裂引起压力容器失效。 因此保持压力容器的材料和焊接部位的强度是压力容器安全运行的基础。压力容 器的检验就是要发现影响强度的缺陷，特别是裂纹、未焊透、未溶合等危险性的 活性缺陷。 1 3 2 压力容器的无损检测方法 1 ) 常规无损检测方法 压力容器的检验主要是采用无损检测方法，常规无损检测方法有表面检测 ( m t ) 、超声波检测( u t ) 、射线检测( r t ) 等”。 2 ) 压力容器检验中的新无损检测方法 近年来，在压力容器检验中局部应用的无损检测新技术有声发射技术、涡流 检测技术、磁记忆检测技术、漏磁检测技术、红外检测技术和超声导波技术“” 等。其中，声发射技术的应用最为广泛，经济效益最为明显。 1 4 声发射技术原理及检测系统 材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射 ( a e - - a c o u s t i ce m i s s i o n ) “”。声发射是一种常见的物理现象，大多数材料变形 和断裂时均伴有声发射，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见， 需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器探测、记录和分析声发射信号以 及利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射检测技术。 1 4 1 声发射技术概念 声发射技术，是一种新兴的动态无损检测技术，其涉及声发射源、波的传播、 声电转换、信号处理、数据显示与记录、解释与评定等基本概念，基本原理如图 图1 1 卢发射技术基本原理 在应力作用下，材料变形与裂纹扩展，是结构失效的重要机制。这种直接与 变形和断裂机制有关的源，通常称为传统意义上或典型的声发射源。声发射源， 是指声发射事件的物理源点或发生声发射波的机制源。引起声发射的材料局部变 化称为声发射事件。另外，流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等与变形和断裂机制无 直接关系的另一类弹性波源，称为其它或二次声发射源。 声发射波的频率范围很宽，从次声频、声频直到超声频，可包括数h z 到数 m h z ；其幅度从微观的位错运动到大规模宏观断裂在很大的范围内变化：按传感 器的输出可包括数u v 到数百m v 。然而，大多数是使用高灵敏的传感器，或称 探头，才能探测到的微弱振动。目前，用最灵敏的传感器，可探测到约为1 0 “1 m m 表面振动。 声发射源发出的弹性波，经介质传播到达被检物体的表面，引起表面的机械 振动。经耦合在被测物体表面的声发射传感器将表面的瞬态位移转换成电信号， 声发射信号再经放大、处理后，形成其特性参数，并被记录与显示。最后，经数 据的解释，评定出声发射源的特性。 压力容器声发射检测的主要任务是：确定声发射源的部位：分析声发射 源的性质；确定声发射发生的时间或载荷；评定声发射源的严重性。一般而 言，对超标声发射源，要用其它无损检测方法进行局部复检，以准确确定缺陷的 性质与大小。 i 4 2 声发射技术的特点 与其它无损检测方法相比，声发射技术具有两个明显的特点：检测动态缺 陷，而不是检测静态缺陷，如缺陷扩展；缺陷本身发出缺陷信息，而不是用外 部输入对缺陷进行扫查。这使得该技术具有以下优点和局限性。 1 ) 优点 ( 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作用下 的动态信息，适于评价缺陷对结构的实际有害程度； ( 2 ) 对大型构件，可提供整体或大范围的快速检测。由于不必进行繁杂的扫 查操作，而只要布置好足够数量的传感器，经一次加载或试验过程，就可确定缺 陷的部位，从而易于提高检测效率； ( 3 ) 可提供缺陷随载荷、时间、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 ) 由于对被检件的接近要求不高，因而适用于其它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，因而适用于检测其它方法受到限制的形 状复杂的构件。 2 ) 局限性 ( 1 ) 声发射特性对材料甚为敏感，又易受到机电噪声的干扰，因而，对数据 的解释需要有更为丰富的数据分析和现场检测经验。 ( 2 ) 声发射检测一般需要适当的加载程序。多数情况下，可利用现成的加载 条件，但有时还需要特别准备。 ( 3 ) 声发射检测所发现缺陷的定性定量，有时仍需依赖于其它无损检测方法。 由于上述特点，现阶段声发射技术主要用于：其它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检测的方法，而是一种新的补充手段。 1 4 3 凯赛尔效应和费利西蒂比 凯赛尔效应和费利西蒂比是压力容器检验中应用声发射技术的重要依据“”1 。 1 ) 凯赛尔效应 材料的受载历史，对重复加载声发射特性有重要影响。重复载荷到达原先所 加最大载荷以前不发生明显声发射，这种声发射不可逆性质称为凯赛尔效应。多 数金属材料中，可观察到明显的凯赛尔效应。但是重复加栽前，如产生新裂纹或 其它可逆声发射机制，则凯赛尔效应会消失。凯赛尔效应在声发射技术中有着重 要用途，包括：在役构件新生裂纹的定期过载声发射检测；构件原先所受最 大应力的推定；疲劳裂纹起始与扩展声发射检测；通过预载措施消除噪声干 扰；加载过程中常见可逆性摩擦噪声的鉴别。 2 ) 费利西蒂效应和费利西蒂比 材料重复加载时，重复载荷到达原先所加最大载荷前发生明显声发射的现 象，称为费利西蒂效应( 见图l 2 ) ，也可认为是反凯赛尔效应。重复加载时的声 发射起始载荷( p a e ) 对原先所加最大载荷( p 。) 之比( p a e p 。) ，称为费利 西蒂比。费利西蒂比作为一种定量参数，较好地反映材料中原先所受损伤或结构 缺陷的严重程度，己成为缺陷严重性的重要评定判据。树脂基复合材料等粘弹性 材料，由于具有应变对应力的迟后效应而使其应用更为有效。费利西蒂比大于1 表示凯赛尔效应成立，而小于1 则表示不成立。在一些复合材料构件中，费利西 蒂比小于0 9 5 作为声发射源超标的重要判据。 图卜2 费利西蒂效应 1 4 4 声发射检测系统 6 0 年代末，首台声发射商品仪器问世以来，已更新换代多次，在结构、功能、 数字化程度和价格一h 均有较大差异。一般可分为功能单一的单通道型( 或双通道 型) 、多通道多功能的通用型和工业专用型。 1 ) 单通道声发射仪 单通道声发射仪，一般由传感器、前置放大器、主放大器、信号参数测量、 数据分析、记录与显示等基本单元构成，如图1 3 所示。 图卜3 单通道声发射仪 传感器的输出信号，经前置放大器放大，滤波器频率鉴别，主放大器进一步 放大，门槛电路探测、测量单元提取信号特性参数，分析单元运算，最后输出到 记录与显示单元。特性参数的测量、分析和显示，随检测仪的类型有很大差异。 例如，最早期的单通道仪器，主放大器的输出信号，经门槛比较电路形成振铃计 数脉冲，再经计数器计数及数模转换，便供x y 记录仪记录这类最简单的类型 已被淘汰，逐步为多参数测量电路所取代。 2 ) 多通道声发射系统 随微机技术的发展，其应用从早期源定位计算，相继扩展到数据采集、存储、 分析和显示等更为完善的功能。与此同时，信号处理，从计数类参数的测量发展 到事件或波击参数类的测量与分析，并在数字化程度、实时性、精确性、综合性、 通用性方面均有了很大进展“”1 。国内，目前采用的机型包括以下两种。 ( 1 ) 微机控制式多通道系统 该系统采用多处理器并行处理结构，由高速采集用独立通道控制器、协调用 总通道控制器、数据分析用主机算机构成。 独立通道控制器，分别控制着两个独立信号通道，进行波击参数组的测量， 包括波击与振铃计数、能量、幅度、持续时间、上升时间、有效值电压、平均信 6 号电平和到达时间等常规参数，并快速存储于大容量输出缓冲器。缓冲器在前端 高速测量与后续低速主处理器之间提供速率匹配，以防止主机丢失高频度信号数 据。由于采用并行处理结构，在不降低采集速度的情况下，可扩展达数十个检测 通道，原理上可扩展达1 2 8 个通道。 总通道控制器，具有容量更大的缓冲器，并在前端与主机之间起着协调作用， 它将所读波击参数组和外变量，以每个波击到达传感器的次序，逐个供给主机并 存于硬盘。由于采用全局定时法，在每个通道的每个波击的数据集中，都包含着 精度为0 2 5 p s 的到达传感器的绝对时间，而不是时差。这种数据结构，为检测 人员事后任意选择其它定位软件提供了机会。 主计算机，可采用i b m 兼容机，在各种软件的支持下，可实现实时或事后的 分析与显示。软件的功能有：实时数据采集，包括条件设置、转存和显示方式 选择；源定位，包括一维、二维定位及事件集中区显示；事后分析，含有数 据滤波和编程功能：三维图显示；在附件支持下的波型记录与谱分析。常用 显示方式有历程图、分布图、关系图、定位图和数据列表。 ( 2 ) 全数字式多通道声发射系统 随数字信号处理技术的发展，全数字式多功能声发射系统的开发成为近年的 新趋势。其最大特点是经前置放大的信号不必再经过一系列模拟电路的处理而是 直接转换成数字信号，同时进行常规特性参数提取与波形记录。这不仅改善了电 路的稳定性和可靠性，而且大大强化了系统信号处理能力。德国v a l l e n 公司、 美国p a c 公司目前生产的全数字式多通道声发射检测系统在世界上居领先地位， 技术先进、功能完善。 1 5 压力容器声发射技术的现状与发展趋势 1 5 1 国外压力容器声发射检测技术现状 目前压力容器的声发射检测在美国、欧盟和日本等工业发达国家得到广泛应 用。2 0 世纪8 0 年代，美国材料试验协会( a s t m ) 和机械工程协会( a s m e ) 、日本无 损检测协会( n d i s ) 、法国及欧洲声发射工作组( e w g a e ) 等，相继提出了有关声发射 检测标准和规范，包括术语、检测仪性能测试和检测方法。其中，美国a s t m 标准 和a s m e 规范数量多，比较配套，而且内容详细。在检测应用方面，美国、欧盟和澳 大利亚等国家有许多检测检验公司从事压力容器的声发射检测。据报道，美国 m a n s a n t o 化学工业公司到2 0 世纪9 0 年代初已应用声发射技术，并成功检验了几 百台大型压力容器。”2 “，其中许多检测是在运行过程中进行的。该项工作在f 1 本、欧盟和澳大利亚等国家也开展应用，并有成功的报道“”2 ”。很多文章均报 道了声发射技术在压力容器检验中可以发现裂纹、未熔合、未焊透、夹渣和气孔 等焊接缺陷。但这些缺陷的发现，均是在声发射检测之后，再在声发射源所指定的 部位经磁粉、渗透、超声波或射线探伤等常规无损检测方法复验后确定的。 进入九十年代，美国p a c 公司、d w 公司和德国v a l l e ns y s t e m e 公司先后分 别开发生产了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声发射 检测分析系统，这些系统除能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外，还可 直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。这就为声发射技术在压力 容器检验中的应用奠定了很好基础。 1 5 2 国内压力容器声发射检测技术现状 2 0 世纪8 0 年代中国特种设备检测研究中心、冶金部武汉安全环保研究院和 大庆石油学院等对金属压力容器的声发射检测和评定方法进行了较深入的研究 和广泛的应用，航天部7 0 3 所对钛合金气瓶进行了系统的研究和应用，航天部 4 4 所主要开展了复合材料压力容器的声发射特性研究及检测应用工作。进入2 0 世纪9 0 年代至今，卢发射技术在我国的研究和应用呈快速发展的趋势，据估计， 我国目前约有3 0 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1 0 0 多人。据粗略统计，这些单位每年采用声 发射技术检测压力容器约3 0 0 5 0 0 台。 在金属压力容器的声发射信号处理和分析方面，我国处于世界的领先地位， 刘时风、沈功盱f 和戴光在其博士论文中开发和采用了现代谱分析、小波分析、模 式识别、人工神经网络模式识别、灰色关联分析和模糊分析等先进技术口6 ”， 对在不进行复验的情况下，直接给出压力容器声发射源的性质及危险程度进行了 研究。 在用压力容器定期检验主要是按照国家规定检验压力容器是否存在危险缺 陷( 如裂纹，未焊透，未熔合等) ，从而给在用压力容器确定安全状况等级，给 出允许继续使用年限。压力容器检验中的无损检测是检验压力容器的重要措施之 一。各种不同类型的无损检测方法都有其自身特点，充分发挥不同检测方法的优 势，以提高检测速度和可靠性，节省检测费用，保证压力容器安全使用从而产生 最佳的经济效益。压力容器检验中声发射技术的应用，获取压力容器内部缺陷的 活动信息，且活动缺陷一声发射源的位置可通过时差，区域定位和次序方法来 确定。”3 。对已确定的活动缺陷，只需局部无损检测( 如射线，超声波，磁粉 等) 复验和综合评定就可满足上述优化目标。但目前这种评价标准的可操作性还 未达到令人满意的程度，尚难以根据获得的声发射源的信号准确分析判断出影响 压力容器安全运行的裂纹等危险性缺陷，直接对压力容器进行定级和完整性评 价。 1 6 本课题研究的内容及其意义 1 6 1 课题研究的内容 声发射检测主要是对压力容器进行整体结构检验，针对压力容器中的活性缺 陷，它可以在压力容器内部承载压力变化过程中，利用固定不动的换能器，获得 活性缺陷的动态信息。然后通过对声发射源信号进行分析，或辅以常规无损检验 方法复验，从而确定压力容器的安全性能。 本课题研究的内容主要包括以下几个方面： 1 ) 研究掌握在大型压力容器检验中，应用声发射技术采集数据的方法，如 何正确获取声发射数据。 2 ) 通过对特制的带缺陷压力容器和多台报废或在用压力容器进行超压加载 的声发射检测试验，就压力容器检验中可能遇到的裂纹、夹渣、未熔合、未焊透 等焊接缺陷的开裂和增长、残余应力释放、氧化皮的剥落、结构摩擦、泄漏、风 吹、雨滴撞击和电子噪音等多种声发射源的定位特性、分布特性和关联特性进行 研究，寻找压力容器缺陷的声发射信号特征。 3 ) 通过研究，结合国家有关压力容器检验规范，寻求依据声发射检测结果 准确对压力容器进行安全性能评价的可靠方法。 4 ) 在积累大量声发射检测数据和经验的基础上，再对目前困内最大的南京 某化肥厂8 0 0 0 m3 大型液氨球罐和南京某炼油厂柴油加氢装置中数台大型压力容 器应用声发射技术检验以替代常规检验。并根据声发射检测结果对安全性能迸行 评价。 1 6 2 课题研究的意义 声发射技术及其科研成果在我国压力容器检测中的成功推广应用，一方面及 时排除了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，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停产检验时间，减 少了盲目返修和报废压力容器所带来的损失，减少检验费用，为广大压力容器用 户带来了巨大的经济效益。 2 0 0 4 年初步统计全国有9 0 0 0 多万台压力容器在生产中运行，其中容积在 2 0 m 3 以上的压力容器约占15 ，主要是大型的储罐、球罐、合成塔、反应器等 化工反应和储存装置中的核心设备，是生产中的重要设备，也是危险性极高的设 备，造价也十分昂贵。就南京市而言，2 0 0 4 年全市普查统计发现，工业生产中 约有两万多台压力容器在使用，其中容积在2 0 m 3 以上的压力容器约有3 0 0 0 多台， 这些压力容器都是重要的设备，也是重大的危险源。按照国家规定要求，在使用 3 6 年时，必须要实施定期检验，以确保安全。而常规检验就必须停产、清洗、 介质置换、拆除保温和附属设施等，从而导致整套装置或整个企业长时问停产， 损失巨大。同时大型压力容器的常规检验耗时耗物，花费巨大的人力、物力，有 的大型压力容器要花费上千万元。大型压力容器采用声发射技术检验，可以大大 地节省时间和资金，有的还可以避免开罐等过程，经济效益十分明显。 9 2 试验检测设备及试验方法 本课题研究目的主要是容积在2 0 m 3 以上的钢结构大型压力容器的声发射技 术检测，如低温容器、球形容器、柱型容器、高温反应器、塔器、换热器等的检 测和安全性能评价。 2 1 试验检测设备 采用德国v a l l e n 公司全数字、全波形、低噪音及强干扰声发射仪。图2 1 显 示出了v a l l e n a m s y 5 系统外形图。 图2 一l v a l l e na m s y 5 系统 该系统主机采用插卡式结构，为避免通道之间的相互干扰，沿用了单卡单通 道的模式。主机可直接与普通台式兼容p c 机、便携式工控计算机、笔记本计算 机连接。构成声发射系统的除主机、计算机、前置放大器、传感器及有关软件外， 还有可直接插到计算机内的p c i 总线的a s y c 板卡负责数据传输。 a s y c 卡是p c i 总线p c 卡，可直接插入计算机扩展槽内。每台计算机最高可 配置4 个a s y c 板，每个a s y c 板可同时控制4 台a m s y 一5 系统，在理论上一台计 算机可支持5 7 6 通道同时进行数据采集。而每套a m s y 一5 系统通过连接扩展箱可 组成高达到2 5 4 个通道的庞大的声发射系统。a s y c 卡是可以实现数据高速传输 的高性能板卡，每秒种可以把多于3 0 0 0 0 个声发射撞击和2 5 m 的波形数据传送 到计算机硬盘，并实时存储。声发射数据采集通道是该系统的核心，是单通道全 数字式声发射信号处理单元，在w in d o w s 界面采集程序( 声发射采集分析软件) 的支持下，可同时进行常规特性参数的提取和瞬态波型的记录与处理。具有1 6 位低噪音动态范围，对数字化声发射信号以1 0 m 秒采集，对于数字化声发射信 0 号提取特征参数( 到达时间、幅度、计数、上升时间、持续时间、能量、撞击 r m s 、背景噪音r m s 、门限、数据列表、级联撞击、级联计数、级联能量等) 达 到4 2 0 万指令秒通道。该系统的软件，除常规参数、波形的采集，实时或事后 分析，线、平面、3 d 定位、3 d 球面定位，图形一数据列表对应显示等软件外， 还可配置波形记录与分析、模式识别和多模式处理、小波分析、定位分析、滤波 分析、幅度修正、传感器自动标定等软件。 2 2 试验方法 2 2 1 压力容器声发射检测系统的选择 选择检测系统时需要考虑的因素主要有工作频率、传感器、通道数、源定 位信号参数、噪声鉴别、存储量、数据率等。 2 2 2 信号探测与处理 1 ) 信号类型 在示波器上观察到的传感器输出信号有突发型和连续型两种，如图2 2 所示。 突发型信号，指在时域上可分离的波形。实际上，所有声发射源过程，均为突发 过程，如断续的裂纹扩展。然而，当声发射频度高达时域上不可分离的过程时， 就以连续型信号显示出来，如塑性变形和泄漏信号。在实际检测中，也会出现其 混合型。对不同的信号类型，要采用不同的信号处理方法。早期的通用系统，多 为突发型信号检测为主，而在一些专用检测仪中设有连续型信号的检测功能。近 年来的通用系统，可同时采集两类信号。 陆 p ut 5 ，vuui i ( a ) 2 ) 门槛比较器 ( b ) 图2 2 声发射信号类型 ( a ) 突发型( b ) 连续型 为排除低幅度背景噪声及确定系统 灵敏度，对前簧放大器的输出，设置高于 背景噪声水平的阀值电压，即称为门槛 值。门槛比较器仪将幅度高于门槛值的信 号鉴别为声发射信号，其原理示意见图 2 3 。门槛电路采用固定门槛和浮动门槛 两种。其中，浮动门槛可随背景噪声水平 的波动而上下浮动，主要用于连续型信号 背景下突发信号的探测。 3 ) 信号特性参数 嚣；= 2 二二二二 兰竺! 竺卜悻冲- 4 一旷一 n 几几n u m m 图2 - 3 门槛比较电路 连续信号参数包括振铃计数、平均信号电平和有效值电压等，而突发信号参 数包括波击( 事件) 计数、振铃计数、幅度、能量计数、上升时间、持续时间和 时差等。常用突发信号特性参数见图2 - 4 。常用信号特性参数的含义和用途见表 2 - i 。 图2 - 4 突发信号参数 表2 - 1 常用信号特性参数的含义和用途 参数 含义 特点与用途 波击( h i t ) 一通道上一声发射信号的 反映声发射活动的总量和频度，常用 探与测量和所测得波击个 和波击计数于声发射活动性评价 数，可分为总计数、计数率 由一个或多个波击鉴别 所得声发射事件的个数，可 反映声发射事件的总最和频度，用于 事件计数 分为总计数、计数率。一阵 源的活动性和定位集中度评价 列中，一个或几个波击对应 一个事件 2 越过门槛信号的振荡次 信号处理简便，适于两类信号，又能粗 振铃计数 略反映信号强度和频度，冈而泛j 】于 数，可分为总计数雨【计数率 声发射活动性评价，但甚受门槛的影响 事件信号波形的塌大振 与事件人小有商接的关系，不受r j 槛 幅度幅值，通常用d b 表示( 传的影响，直接决定事件的可测性，常用 感器输出1 p v 为0 d b )于波源的类型鉴别、强度及衰减的测量 事件信号检波包络线下反映事件的相对能量或强度。对门槛、 能量计数 的面积，可分为总计数平计：l = 作频率雨i 传播特性不甚敏感，可取代 ( m a r s e ) 数率 振铃计数，也刚于波源的类型鉴别 事件信号第一次越过门 持续时间槛至最终降至r j 槛所经历 与振铃计数十分相似，但常用于特殊 波源类型和噪声的鉴别 的时间间隔，以u s 表示 事件信号第一次越过门 上升时间槛至最大振幅所经历的时 因其受传播的影响而其物理意义变得 不明确，有时用于机电噪声鉴别 间间隔，以u s 表示 有效值电压 采样时间内，信号电平的 与声发射的大小有关，测量简便，不 受门槛的影响，适用于连续型信号，主 ( r m s ) 均方根值，以v 表示 要用于连续型声发射活动性评价 平均信号电 提供的信息和应用与r m s 相似，对幅 采样时间内，信号电平的度动态范围要求高而时间分频率要求 均值，以d b 表示不高的连续型信号，尤为有用。也月! | 于 ( a s l ) 背景噪声水平的测量 同一个声发射波到达各传决定了波源的位置、传感器间距和传 时差 感器的时阅著，以“s 表示播速度，用于波源的位置计算 试验过程外加变量，包括 外变量 经历时间、载荷、位移、温 不属于信号参数，但属于波击信号参 数的数据集，用于声发射活动性分析 度及疲劳周次 2 2 3 数据显示 所测得信号的数据集，包括信号参数和外变量，经系统软件的实时或事后分 析，其结果以更直观的图表形式显示出来。常用的数据显示类型与图形示例分别 见表2 - 2 和图2 - 5 。 表2 - 2 数据显示类型 显示类型说明用途 1 、波源的活动性评价 事件经历 指信号参数随外变量变化的图形，是一2 、费利西蒂比和凯赛尔效 种最为广泛采用的卢发射活动性显示，见应评价 圈 幽2 5a ) 和b ) 3 、恒载声发射评价 4 、起裂点测量 表示事件计数随信号参数值的统计分 布纵轴表示事件计数，而横轴表示信号 1 、波源的类型鉴别，例如 分布图参数，如幅度、能量、振铃计数。其中， 裂纹扩展与塑性变形：纤 幅度分布最为，。泛应用，可分为积分型和 维断裂与基材开裂 微分型两种分