声发射技术在压力容器检测中应用

声发射技术在压力容器检测中的应用
【摘要】压力容器被广泛应用于石油化工行业，由于它是一种具有爆炸危险的特种承压设备，因此，它比一般机械设备有更高的安全要求。

而检验是压力容器安全管理的重要环节，为此本文结合压力容器的特性，介绍了声发技术在压力容器检测中的应用，并对其检测原理、检测系统及在国内外的现状加以阐述，可供检测人员参考。

【关键词】压力容器；检测；声发射；原理；检测系统；现状
压力容器主要应用于石油、化工等行业，由于压力容器盛装的是易燃或有毒介质，长期承受高温和压力，因此，压力容器也是危险性较高的特种设备。

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。

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检测。

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，当设备发生破坏或爆炸时，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，使周围的设施和建筑遭到破坏，危及人员生命安全。

如果设备内盛装的是易燃或有毒介质，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。

2.压力容器的检测
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施。

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。

3.声发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。

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。

3.1 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。

压力容器声发射检测的主要任务是：①确定声发射源的部位；②分析声发射源的性质；③确定声发射发生的时间或载荷；④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。

3.2 声发技术的特点
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：①检测动态缺陷，而不是检测静态缺陷，如缺陷扩展；②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。

3.2.1 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。

3.2.2 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：①其它方法难以或不能适用的对象与环境；②重要构件的综合评价；③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。

3.3 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。

3.3.1 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前不发生明显声发射，这种声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0.25 抖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ibm 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；③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发射技术中有着重要用途，包括：①在役构件新生裂纹的定期过载声发射检测；②构件原先所受最大应力的推定；
③疲劳裂纹起始与扩展声发射检测；④通过预载措施消除噪声干扰；⑥加载过程中常见可逆性摩擦噪声的鉴别。

3.3.2 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，也可认为是反凯赛尔效应。

重复加载时的声发射起始载荷（pae）对原先所加最大载荷（pma）之比（pae/pmax），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，已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0.95作为声发射源超标的重要判据。

3.4 声发射检测系统
60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、数字化程度和价格上均有较大差异。

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，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。

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。

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128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val1en公司、美国pac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。

4.结束语
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检测。

由于声发射技术的优点，因此在用压力容器在检测方面拥有巨大的应用市场。

但目前声发射检测技术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。

因此，关于这些问题的研究和完善必然是声发射检验技术的未来发展的方向。

参考文献：
[1] 胡新东；廖旭等.压力容器声发射检测技术概述[j].中国材
料科技与设备，2011年第4期
[2] 张永胜；白梅.声发射技术在压力容器检测中的应用[j].内蒙古石油化工，2007年第2期。