压力容器无损检测_声发射检测技术

压力容器检测
专题论坛
压力容器无损检测
)))声发射检测技术
沈功田李金海(中国特种设备检测研究中心,北京100013)(河北大学质量技术监督学院,保定071051)
摘要:声发射技术是20世纪60年代开始,目前逐步成熟的一种无损检测方法,已被广泛应用在压力容器检测和结构的完整性评价方面。

文中简要介绍了国内外压力容器声发射检测的发展史和现状。

给出了压力容器用钢的声发射特性和压力容器声发射检测方法,综合分析了国内外压力容器声发射检测的标准、仪器和应用进展。

最后指出了压力容器声发射检测的发展方向,即在线监测、声发射信号的模式识别和人工神经网络模式识别分析。

关键词:声发射检测;压力容器;缺陷;发展;综述
中图分类号:TG115.28文献标识码:A文章编号:100026656(2004)0920457207
NONDESTRUCTIVE INS PECTION OF PRESSURE VESSELS:
ACOUSTIC EMISS ION TECHNIQUE
SHEN Gong2tia n
(China Special Equipment Inspection and Research Center,Beijing100013,China)
LI Jin2hai
(The College of Quality and Technical Supervision of Hebei University,Bao ding071051,China)
Abstr act:Aco ustic emission(AE)technique(AE T)is a prog ressive mature no n2destructiv e testing method,which began in 1960s.A ET has been widely used in pressure v essel testing and structural integri ty evaluatio n.The history and the progress of AE T fo r pressure vessel are introduced.A E characteristics o f pressure vessel steel and A E tes ting of pressure vessel are rev iew ed .The prog ress of A E instruments,pressure vessel A E testing standards and applicatio n are analyzed.At last,the direction of pressure vessel AE testing is on2line monitoring,pattern reco gni tion and artificial neural netw ork pattern recognitio n analy sis o f AE sig nals.
Keywor ds:Aco ustic emission testing;Pressure vessel;Defect;D evelopment;Survey
压力容器是在石油、化工、钢铁、造纸、医药、食品和城市公用等行业得到广泛使用的设备,而且与人民日常生活息息相关。

据2003年的统计,我国现有固定式压力容器133万多台,罐车近16万辆,各类气瓶9800多万只[1]。

压力容器是具有爆炸危险的特种承压设备,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,往往并发火灾和中毒等灾难性事故,造成严重的环境污染,给社会经济、生产和人民生活带来损失和危害,直接影响社会安定。

收稿日期:2004207230
有鉴于此,国内外对压力容器的设计、制造和使用均有严格的规定和要求,而各种无损检测技术在压力容器的制造和在役定期检验中得到广泛应用。

20世纪60年代初,G reen等人首先开始了声发射技术在无损检测领域方面的应用,Dunegan首次将声发射技术应用于压力容器检测方面的研究[2,3];20世纪70年代,随着Dunegan等人研制成功现代多通道声发射检测仪器系统,声发射技术在化工容器[4,5]、核容器[6]和焊接过程控制方面的应用取得了初步成功。

通过四十多年的发展,目前声发射技术已成为成熟的无损检测手段,在国内外压力容器检验中得到广泛应用。

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第26卷第9期2004年9月无损检测
N D T
Vol.26No.9
Sep.2004
压力容器声发射检验可分为役前验证试验、在役定期检验和运行过程中的在线监测,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,探测到的能量来自被测物本身,而非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,能探测到在外加结构应力下线性缺陷的活动情况,且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)对于在役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无需停产。

(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。

以下综述国内外压力容器声发射检测现状和现场压力容器检测的声发射源特性。

1国外压力容器声发射检测现状
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。

20世纪80年代,美国材料试验协会(AST M)和机械工程协会(AS M E)、日本无损检测协会(N DIS)、法国及欧洲声发射工作组(E WG AE)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AST M标准和A SM E规范数量多,比较配套,而且内容详细。

表1为国外部分有关压力容器声发射检测标准和规范的目录。

在检测人员认证方面,美国无损检测学会于20世纪80年代已将声发射技术列入SN T2TC21A无损检测人员鉴定认可规则中,并进行了大量声发射Ñ,Ò和Ó级检测人员的培训和考核工作。

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 AN SA N TO化学工业公司到20世纪90年代初已应用声发射技术成功检验了几千台大型压力容器[7~9],其中许多检测是在运行过程中进行的。

该项工作在日本、欧盟和澳大利亚等国家也开展应用得较多,并有成功的报道[10~13]。

很多文章均报道了声发射技术在压力容器检验中可以
表1国外声发射检测标准与规范
国别标准号标准名称
美
国
AS TM E569)1991
AS TM E1139)1992
AS TM E1211)1987
AS TM E1419)1991
AS TM E1067)1989
受控激励状态下结构的声发射监
测方法
金属压力容器声发射连续监测方法
声发射泄漏检测和定位方法
无缝气瓶声发射检测方法
FRP储罐/容器声发射检测方法AS ME V)11
AS ME V)12
FRP压力容器声发射检测方法
金属压力容器声发射检测方法
日
本
NDIS2412)1980高强钢球形储罐声发射检测和分
类方法
法
国
NF A09)360(1985)
NF A09)352(1985)
纤维复合材料及制品声发射检测
方法
声发射泄漏检测方法
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。

2国内压力容器声发射检测现状
我国于20世纪70年代中期由合肥通用机械研究所最早开展了压力容器的声发射检测应用。

20世纪80年代中国特种设备检测研究中心(原劳动部锅炉压力容器检测研究中心)、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703所对钛合金气瓶进行了系统的研究和应用,航天部44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20世纪90年代至今,声发射技术在我国的研究和应用呈快速发展的趋势。

20世纪90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。

进入21世纪至今,许多技术监督系统和军队系统的锅炉压力容器检验所购买了多通道声发射仪开展压力容器的检验工作。

2003年8月国家质量监督检验检疫总局颁布的5特种设备检验检测机构管理规定6和5特种设备检验检测人员考核与监督管理规则6正式将声发射技术作为压力容器检测常用的无损检测方法之一,专业的无损检测公司可以从事压力容器的声发射检测工作。

自此,压力容器的声发射检测工作已正式纳入我国的特种设备安全
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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。

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。

在制定检测标准方面,除声发射检测术语和检测仪性能测试两个基础标准之外,我国现有的声发射检测标准几乎均为压力容器的检测方法,这些标准相互配套,基本上满足了国内的压力容器检测需求。

目前国内已颁布的压力容器声发射标准有: GB/T18182)2000金属压力容器声发射检测及结果评价方法
GJB2044)1994钛合金压力容器检测方法
JB/T7667)1995在役压力容器声发射检测评定方法
JB/T6916)1993在役高压气瓶声发射检测和评定方法
QJ2914)1996复合材料构件检测方法
在检测人员资格认证方面,航天工业无损检测人员资格考试委员会自20世纪90年代末至今已颁发Ò级检测人员资质证书30多人,国家质量监督检验检疫总局特种设备无损检测人员资格考试委员会于2002年已颁发Ò级检测人员资质证书67人。

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、沈功田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[14~17],其结果可以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。

3压力容器用钢的声发射特性
典型压力容器常用的碳钢在拉伸应变下的声发射行为可以总结为如下特征[18]:
(1)应变值低于门槛应变时,无声发射信号产生。

对于典型的压力容器用钢,门槛应变约为屈服应变的60%。

(2)如果应变以常应变率增加,声发射率将从门槛应变时的零增加到屈服应变时的极大值。

(3)过了屈服点之后,声发射率将随着应变率的增加而下降。

(4)随着应变的继续增加,声发射率将再次开始上升,此处对应于材料加工硬化的开始。

(6)如果在门槛应变之上应变保持不变,在一定时间内声发射将继续产生,但最终将停止。

(7)如果在门槛应变之上载荷保持不变,随着应变的增加声发射将继续产生直到材料断裂。

(8)经典声发射理论认为,如果试样经过加载、卸载、再加载,在达到第一次最大载荷之前,将不产生声发射信号。

这一现象被称为Kaiser效应。

通常对于低于屈服应力下的应变,Kaiser效应将很好地被遵守。

(9)材料也存在违反Kaiser效应的情况,即在达到第一次最大载荷之前,将有声发射信号产生,这一现象被称为Felicity效应。

在应力值接近屈服应力、应变值位于屈服应变左右而且存在应变梯度的情况下,Felicity效应极易被观察到。

在金属中,Fe2 licity效应是严重结构缺陷存在的指示器。

16M nR钢是我国压力容器最常用的材料,关于其拉伸试样的形变和断裂声发射特性,国内已有许多研究报导[19~21]。

中国特种设备检测研究中心和大庆石油学院也在以前承担的科研项目中对16MnR 材料及焊接试样的声发射特性进行了系统研究[22],以下为其试验结果:
(1)16M nR压力容器用钢的屈服可以产生大量可探测的声发射信号。

其塑性变形的信号多为连续形,不能形成有效的定位。

断裂时释放的能量很高,其声发射信号可定位。

(2)表面裂纹和典型埋藏缺陷的开裂和扩展可产生一定数量的突发型声发射信号,并可以形成有效的声发射定位源。

(3)有焊缝和无焊缝试样无论在无缺陷或有表面裂纹情况下,其声发射特性基本相同。

4现场压力容器的声发射源特征
4.1不同声发射源的产生部位和机理
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,通过对特检中心近10a(年)在现场进行的500多台实际压力容器声发射检验数据的综合分析,以及对发现的声发射源进行的常规无损检测复验结果[23],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,以下介绍这些声发射源产生的部位和机理。

4.1.1裂纹扩展
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压力容器焊缝上表面裂纹及内部深埋裂纹的尖
端塑性形变钝化和扩展而产生声发射信号。

4.1.2焊接缺陷开裂
压力容器焊缝内存在的气孔、夹渣、未熔合和未焊透等缺陷的开裂和扩展及非金属夹渣物的断裂可产生声发射信号。

4.1.3机械摩擦
容器外部脚手架的碰撞、内部塔板、外部保温及平台支撑等部件均可产生机械摩擦声发射信号。

另外,立式容器的裙座和卧式容器的马鞍型支座均由垫板连接容器壳体和支撑板,一般垫板与容器壳体采用全部或部分角焊缝焊接。

在加压过程中,垫板与壳体膨胀不一致引起的摩擦可产生大量的声发射信号。

4.1.4焊接残余应力释放
对于新制压力容器,首次加压易出现此类信号;对于在用压力容器,焊缝返修部位易出现此类声发射源。

另外容器的裙座、支座、支柱和接管等角焊缝部位易产生焊接残余应力和应力集中。

在升压过程中应力的重新分布可产生大量声发射信号。

4.1.5泄漏
在气压或水压试验过程中,容器上接管、法兰、人孔以及缺陷穿透部位的泄漏,可产生大量的声发射信号。

4.1.6氧化皮剥落
长期使用的钢制压力容器,在内外部均易产生氧化,有时内部介质腐蚀性严重、外部环境潮湿、酸雨和海风等可产生较严重的腐蚀,在水压试验过程中,这些氧化皮的破裂剥落过程会产生大量的声发射信号。

4.1.7电子噪声
探头信号线短路、传输电缆线短路、前置放大器自激发等都可产生大量的电子噪声信号。

4.2定位特性
4.2.1裂纹扩展
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Kaiser效应。

图1为一台1000m3液化石油气球罐上发现的深埋裂纹的声发射定位源图。

4.2.2
焊接缺陷
图11000m3球罐上深埋裂纹的声发射定位源图
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Kaiser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。

图2为一台400m3液化石油气球罐上发现的气孔、
夹渣和未熔合等焊接缺陷的声发射定位源图。

图2400m3球罐上焊接缺陷的声发射定位源图
4.2.3机械摩擦
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,该现象十分常见。

结构摩擦通常由脚手架、保温支撑环、容器的支座、裙座、柱腿和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AE机
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同,故不能满足Kaiser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。

图3为一台大
型换热器在13.7~14.2M Pa升压时产生的声发射定
位源图。

图3大型换热器在升压时结构摩擦产生的AE源
4.2.4焊接残余应力释放
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和焊接
缺陷部位大得多,因此产生的声发射定位源区域比
裂纹和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,¹定位源分布范围较
大,不象裂纹扩展和焊接缺陷开裂产生的声发射定
位源那么集中。

º满足Kaiser效应,因为残余应力
释放是应力集中部位材料的局部屈服,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。

降压后进行第二次升
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。

图4为一台高压空
气贮罐在13~15M Pa加压时,三处焊缝返修部位产
生的AE源。

4.2.5泄漏
由于泄漏产生的声发射信号是连续的,因此不
图4高压空气贮罐在三处焊缝返修部位产生的AE源
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、幅度和能量等与声发射
通道的分布图,可以确定泄漏源的区域。

4.2.6氧化皮剥落
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,从而产生大量的声发射
信号。

图5为一台120m3液氨球罐进行水压试验,
从2.5~3.0M Pa升压过程中大量氧化皮破裂剥落产
生的声发射定位源信号。

声发射定位源均匀散布在
氧化腐蚀的位置,在从低压到高压的所有升压和保
压过程均有大量信号出现,而且在第二次升压和保
压过程中也有少量分散的信号产生。

图5加压氧化皮剥落的AE源
4.2.7电子噪声
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声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
内部的电子噪声源主要包括探头、信号线、前置放大
器、电缆线和信号采集板等。

由于来自不同通道的
电子噪声信号相互不关联,所以不会产生定位源。

4.3分布特性
通过对大量源进行分析测试,发现表面裂纹、深
埋裂纹和未熔合、未焊透、夹渣、气孔等焊接缺陷产
生的声发射信号参数的数值本身是相互交叉重叠
的,分布特征无较大的区别。

除电子噪声和泄漏的
声发射信号具有大得多的能量、计数和持续时间之
外,其它声发射源信号的声发射参数分布特性几乎
是相似的。

表2列出了所有声发射源产生的声发射
信号参数的主要范围。

对于裂纹、焊接缺陷、摩擦、
氧化皮剥落、残余应力释放的声发射源采用的是定
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表2 不同AE 源产生AE 信号的主要参数范围
AE 源幅度dB 能量计数上升时间L s
持续时间L s
到峰计数裂纹
40~65
10~503~4010~100100~3001~20焊接缺陷40~7010~523~4110~100100~3001~20残余应力42~8016~140
1~70
11~20018~2000
1~30
摩擦36~7140~20010~10030~200150~10001~37氧化皮38~752~1301~120
1~160
1~22001~30泄漏
38~75
3~5E41~5E41~20001~5E51~48电子噪声40~92
2~2E4
1~5E41~1800
1~5E5
1~100
位源事件的声发射参数;对于泄漏和电子噪声源,采用的是通道撞击的声发射参数。

这一结果对进行现场压力容器声发射检验时确定仪器状态和滤波条件的设置具有参考意义。

4.4 关联特性
关联图分析法是压力容器声发射检测过程中实时观察和分析数据的常用方法,对声发射信号的到达时间、试验参数和波形特征参数之间任何两个可以作关联图进行分析。

从声发射参数随时间或试验参数变化的关联图可以得出压力容器在试验过程中随压力产生声发射信号的历史及变化规律。

通过声发射参数之间的关联分析可以区分不同特性的信号。

如有些电子干扰信号通常具有很高的幅度,但能量却很小,通过采用幅度2能量关联图即可区分出来;对于压力容器来说,内部介质泄漏信号较容器壳体产生的信号具有长得多的持续时间,通过应用能量2持续时间或幅度2持续时间关联图分析,容易发现压力容器的泄漏。

美国M O NPAC 声发射检验俱乐部以声发射信号计数2幅度的关联图的形态来评价金属压力容器声发射检验数据的质量[24]。

图6为20m 3卧罐在3.5~ 4.0M Pa 采用水压升压过程中焊接表面裂纹和深埋裂纹扩展的声发射信号,以及在260s 时该容器人孔泄漏引起的大量声发射信号的关联图。

由图6可见,裂纹扩展声发射信号的能量与持续时间关联图的走向呈弧形分布,而泄漏信号能量与持续时间的分布呈线性。

由于两种AE 信号的波形不同,裂纹扩展时,对于持续时间>3000L s 的信号,能量与持续时间的近2次方呈正比。

对于泄漏产生的声发射信号,在持续时间>3000L s 以后,能量与持续时间几乎呈正比。

故持续时间越长,裂纹扩展的A E 信号能量比泄漏信号大得越多。

裂纹扩展声发射信号的计数与持续时间的关联图和
泄漏信号计数与持续时间的关联图均为三角形分
图6 升压时裂纹扩展与泄漏声发射信号的关联图
布,即计数与持续时间都呈正比关系。

但对于相同持续时间的信号,泄漏比裂纹扩展产生的声发射信号的计数低得多。

根据能量E 与持续时间D 的关联图,拟合这两者之间具有如下普遍关系
lg E =a (lg D -c)n +b D >3000L s (1)式中 a ,b,c,n )))常数
声发射信号的计数C 与持续时间关联图三角形的上下边沿以如下线性关系式表示:
lg C =k lg D +l
(2)
式中 k )))边沿切线的斜率
l )))切线与持续时间轴的交点
经计算机拟合,得到七类声发射源在持续时间>3000L s 的声发射信号的能量和计数与持续时间关联图的关系式参数如表3所示。

由表3可见,关联图分析最重要的结果是发现能量与持续时间的关联图,以便将泄漏和电子噪声产生的声发射信号与其它声发射源分开。

这一结果已多次成功应用于现场压力容器声发射检验。

5 发展趋势
现在使用的压力容器在设计、制造、检验和使用等环节的严格管理下,已很少发现较严重的缺陷,因此在保证压力容器安全运行的情况下,如何延长压力容器的运行周期,并且尽量缩短检验的时间,是广
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表3声发射源信号的能量和计数与持续时间关联图的关系式参数汇总表
AE 源
lg E=a(lg D-c)n+b l g C=k l g D+l
n a b c k1l1k2l2
裂纹 1.80.6 1.530.90.6 2.1 3.1焊接缺陷 1.60.7 1.830.80.4 1.6 3.0残余应力 1.80.8 1.830.90.6 2.4 3.0碰撞摩擦 1.80.85 1.530.90.6 2.4 3.0氧化皮 1.60.6 1.530.80.2 2.1 3.4水泄漏1 1.1 1.130.8 1.8 1.5 3.4气体泄漏1 1.1 1.130.9 1.8 1.6 3.6电子噪声10.7~1.50.6~300.9 1.0 1.8 3.2
大压力容器用户最关心的问题。

由于声发射技术的优点,因此在在用压力容器在线监测方面拥有巨大的应用市场。

由于在线运行的压力容器在大多数情况下无法对发现的声发射源进行常规无损检测方法复验,因此压力容器声发射源性质的识别和危险程度的确定的研究和完善必然是压力容器声发射检验技术的发展方向。

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