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在役含缺陷压力容器的声发射检测

来源: 上海阀门 时间: 2012-06-19 点击: 3,484

1.引言

声发射检测AE(ACOtstic Emission)是利用缺陷在受载过程中发射瞬态弹性波的原理,应用声发射探头将其转换为电信号,进行缺陷检测、定位和活性分析的技术方法。20世纪60年代初,Green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;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、核容器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。

2.声发射检测的基本原理

从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面,引起可以用声发射传感器探测的表面位移,这些探测器将材料的机械振动转换为电信号,然后再被放大、处理和记录。固体材料中内应力的变化产生声发射信号,在材料加工、处理和使用过程中有很多因素能够引起内应力的变化,如位错运动、孪生、裂纹萌生与扩展、断裂、无扩散型相变、磁畴壁运动、热胀冷缩、外加负荷的变化等等。人们根据观察到的声发射信号进行分析与推断以了解材料产生声发射的机制。

声发射检测的主要目的是:(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,要用其他无损检测方法进行局部复检,以精确确定缺陷的性质与大小。

3.声发射检测实例

油田某净化站4台200m3。液化石油气球罐,在全面检验中发现内壁均已出现不同程度的鼓泡,通过超声波抽查、硬度测试、金相检验、钢板化学成分分析、鼓泡内气体取样及化验、液化气与灌底凝结水取样化验等方法分析得知:这些球罐内壁的鼓泡是由于液化石油气中的H2S含量过高,同时含有水分,从而产生大量吸附在球罐内表面的原子态氢,这些氢由于体积很小而进入金属内部,且在内部夹渣物、分层等原始冶金缺陷处聚集,并复合成分子态氢H2,体积膨胀,再随着聚集量的增多而产生巨大的压力,使金属从这些缺陷处开裂、分层,最终产生鼓泡现象。为进一步确定这些在役含缺陷球罐能否继续安全使用,可继续安全使用的压力范围,制订了以声发射检测为指导,通过常规无损检测手段复验,找出可继续安全运行的工作压力范围的方案。

3.1 检测实施

(1)球罐技术参数 设计压力:1.6MPa;设计温度:50℃;容积:200m3;材质:16MnR;壁厚:30mm;介质:液化石油气;支柱数量:6;公称直径:7100mm;操作压力:≤1.2MPa;操作温度:≤40℃;投用日期:1983年1月。

(2)声发射检测仪的主要参数检测仪器为声华sDAES的15通道数字声发射检测系统,滤波带宽为(100~300)kHz,声发射信号峰值定义时间为1000μs,通道撞击定义时间为2000μs,撞击闭锁定义时间为2000μs。主要参数如下:

前放增益:40dB;探头型号:SRl50;前置放大器型号:PA—I;门槛值:40dB;耦合剂:真空树脂;模拟信号源:采用Ф0.5mm,硬度为HB的铅笔芯折断信号作为模拟源。

(3)探头布置方案 本次检测需布置2圈,每圈5只,上下极板各布置1只,共计12只传感器,采用球面展开的三角形定位对球罐进行整体监测,罐体结构、探头布置方案如图1、2所示。

一次升压:匀速升压至最高工作压力P(1.2MPa),保压lOmin;保压结束后匀速升压至试验压力P2(1.5MPa),保压10min,降至P(1.2MPa);

二次升压:由P(1.2MPa)匀速升压至P1(1.45MPa),保压10min,卸压。

3.2 检测过程

在确定了加压程序、布点方案及布点完毕后,开始进行水压试验条件下的声发射检测。仅以具有代表性的2#球罐为例加以说明。试验各阶段的声发射源总图见图4~图6。

在试验过程中,当压力小于1.2MPa时,声源信号较为分散,且幅值较低,未发现高幅值的集中声源。当压力升至1.2MPa时,信号增多,能量急剧增高,在鼓泡部位所在定位三角区出现了大量较为密集的低幅值信号,幅值集中于(40~50)dB,撞击数为10~20,持续时间较长,停止升压,保压10min进行监测,并对周围环境可能存在的干扰因素进行排除。保压结束,自1.2MPa继续升压至1.5MPa,期间,出现集中信号的部位明显减少,且信号幅值和能量水平降低。对鼓泡所在的探头阵列进行分析,未发现集中的定位声源信号,仅有一些零散的低幅值信号,表明鼓泡处未产生严重的裂纹等缺陷。升压至1.5MPa结束,保压10min后卸压,进行二次升压及保压。

距鼓泡部位较近的10#探头处,在第一次升压过程中曾出现较集中的定位信号,幅值在50dB左右,但在此后的各个过程中该处信号未再出现。卸压后对该部位信号的定位校准表明,该处是球壳体的对接焊缝,无损检测复验未发现超标缺陷。鼓泡部位在二次升压和保压过程中均未出现集中的定位信号。

3.3 检测结果分析

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(Kaiser)效应。但是,重复加载前,如产生新裂纹或其他可逆声发射机制,则凯赛尔效应会消失。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(Felicity)效应,也可认为是反凯赛尔效应。

凯塞尔效应和菲利西蒂效应表明:(1)在材料未受到损伤的前提下,当升压达到以前所承受的最大载荷前,不出现声发射信号;(2)对已发生损伤的材料,在低于以前所承受的最大载荷时就会发生显著的声发射。声发射出现的应力水平越低,说明材料受到的损伤越严重,该球罐最高工作压力为1.2MPa。因此,我们把1.2MPa作为重点监控的压力范围。

依据GB/T 18182—2000《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》,对整体检测过程中出现的信号源进行了评定,有意义的信号有两处:2,6,7阵列内信号及4,8,9阵列内信号。根据信号在升压、保压过程中出现的频率均被定为C级声源[2]。按标准要求,对信号密集处采用常规无损检测方法进行复验,复验结果表明:2,6,7定位阵列内的声源为一处表面裂纹源,经打磨消除;4,8,9阵列内的声源为球罐扶梯与罐体连接的角焊缝存在大量氧化皮而产生,去除氧化皮后,角焊缝处未发现其他缺陷。在声发射试验中,当压力低于1.2MPa时,鼓泡部位信号较少,能量/时间较小;当压力高于1.2MPa时,该两项指标呈上升趋势,但在二次保压时鼓泡处相对安静。根据凯塞尔效应与菲利西蒂效应,鼓泡处材质没有发生严重损伤,能够保证在1.2MPa下安全使用。此前的金相检测结果也表明:鼓泡处金相组织为铁素体+珠光体,铁素体晶粒度7~8级,与内壁为鼓泡处及外壁对应部位组织相同,在正常范围之内,也可说明材质并未劣化。由此得出结论:(1)该液化石油气球罐仍可安全运行;(2)压力低于1.2MPa时可保证安全运行。因此,此液化石油气球罐应在压力不高于1.2MPa的情况下监控使用。

4.结束语

通过对该站液化石油气球罐的声发射检测表明:声发射检测技术可以监测缺陷的动态发展情况,并找出使容器相对安静的使用压力,为常规无损检测做出指导,大大缩短检验时间,因此声发射检测技术在确定压力容器的安全使用的条件中起到了关键性的作用。

声发射检测虽然能够确定监控使用的压力,保证球罐的安全运行,但对于鼓泡现象,应该在了解成因和机理的基础上采取有效措施如:在系统中增加脱氢装置以控制介质中硫化氢的浓度、对有修复价值鼓泡处理后作内壁防腐涂层等,从根本上消除材料的氢脆现象,才是确保此类容器长周期安全运行的主要途径。

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