声发射技术在压力容器安全运行中的应用

?必威动态 ????|???? ?2019-08-05 12:49


  声发射检测技术的应用范围己扩展到石油化学、航空航天、原子能、电力、机械、矿业、地质、建筑等各行各业在役构件的维修检测,主要评价使用中产生的新缺陷-由于其经济效益显著,而最为广泛应用-其典型应用包括:石油化学工业用金属和复合材料(Material)压力容器、储罐及输送管道、桥梁、升降车等-金属压力容器,尤其是化学、石油和核工业用在役容器,由于数量、使用安全和常规检测成本等问题,始终是国内外声发射检测活动的重点(zhòng diǎn)对象-声发射技术是进行带缺陷运行压力容器检测与安全评估最合适的方法之一。与其它无损检测方法相比,声发射技术具有两个基本特点:
  ①检测动态缺陷,而不是静态缺陷,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检查-该技术在确定有缺陷压力容器安全使用的压力范围方面有着不可比拟的优势。
  1声发射基本原理声发射是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象-材料在应力作用下的变形与裂纹扩展,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,通常称为声发射源-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,则称为二次声发射源。储气罐不同分:碳素钢储气罐、低合金钢储气罐、不锈钢储气罐。按照压力分:低压储气罐、中压储气罐、高压储气罐。储气罐(压力容器)一般由筒体、封头、法兰、接管、密封元件和支座等零件和部件组成。此外,还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。
  声发射源发出的弹性波,经介质传播到达被检体表面,引起表面的机械振动-经声发射传感器将表◎编辑简梁润华6-硕士生11主要从事系统建模与仿真研究(research);%11*男授8硕士生导师面的瞬态位移转换成电信号,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(data)的说明,评定出声发射源的特性。声发射检测的主要目标是:
  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,以精确确定缺陷的性质与大小。
  2应用实例某企业液化气站7台100m3液化石油气贮罐封头出现鼓包。这些鼓包的存在会严重影响人身以及国家财产安全。有关单位对其进行了开罐检验。在检验过程中,要解决的关键问题是:这些贮罐能否继续安全使用,可继续安全使用的压力范围。由此制定了以声发射试验为引导,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1
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  1. 2.1试验概述贮罐概述。出厂日期:1986年10月;筒体设计压力:1.58MPa;主体材料品质:16MnR;容器规格:声发射仪的主要参数。所用仪器为美国PAC企业生产的16通道声发射仪,滤波带宽为kHz,声发射信号峰值定义时间为1 000抑,通道撞击定义时间为2000碑,撞击闭锁定义时间为2000抑。主要参数如下:型号:SPARTAN-AT;前放增益:40dB;探头型号:PAC-U5;主放增益:25dB;前置放大器型号:PACl220A;门槛值:40dB;耦合剂:真空树脂;模拟信号源:采用进口*0.5mm的铅芯,伸长3mm,与筒壁成30*进行断铅产生的信号。
  加压程序。水压试验加载方式采取两次加压进行,加载程序如所示。
  一次升压:min速升压至最高工作压力
  1. 0MPa,保压10min;保压结束后速升压至试验压力1.8MPa,保压10min,降至1.0MPa.在确定了加压程序(procedure)、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监测。仅以具有代表性的9贮罐为例加以说明。试验各阶段的声发射源总图见。
  在试验过程中,当压力小于1.0MPa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1.0MPa时,信号增多,能量急剧增高,在鼓包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dB,撞击数为1020,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l.0MPa继续升压至l.8MPa.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。对鼓包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,表明鼓包处未产生严重的裂纹等缺陷。升压距鼓包部位较近的l0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复位表明,该处是封头与筒体的对接环缝,无损检测复验未发现超标缺陷。鼓包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效应。但是,重复加载前,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。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。
  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对己发生损伤的材料,在低于以前所承受的最大载荷时就会发生显著(striking)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。该液化气站平时的使用压力为5MPa,加压销售(Sales)时最高可达1.0MPa.因此,大家把1.0MPa作为重点监控的压力范围。
  9,6及4,1,2阵列内产生的信号在高于工作压力情况下反复出现,为有意义的声发射信号。依据金属压力容器声发射检测(检查并测试)及结果评价标准》,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:8,9,6阵列内信号及4,1,2阵列内信号。根据信号在升压、保压过程中出现的频率分别定为C级和B级声源。按规程要求,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:4,1,2阵列内未发现超标缺陷;8,9,6定位阵列内的声源为一处表面裂纹源,经打磨消除。在声发射试验中,当压力低于1.0MPa时,鼓包部位信号较少,能量/时间较小;当压力高于1.0MPa时,该两项指标呈上升趋势,但在二次保压时鼓包处相对安静。根据凯塞尔效应与菲利西蒂效应,鼓包处材质没有发生严重损伤,能够保证在1.0MPa下安全使用。金相检测结果表明,鼓包处珠光体(pearlite)含量及硬度比正常值稍低,但尚在正常范围之内,也可说明材质并未劣化。由此得出结论:
  ①该站卧式液化石油气贮罐仍可安全运行;
  ②压力低于1.0MPa时可保证安全运行。因此,这些液化石油气贮罐应在压力不高于0MPa的情况下监控使用。
  4结论水压试验过程中的声发射试验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引导,大大缩短检验时间,因此声发射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。分气缸也叫分汽包,它是 蒸汽锅炉的主要配套设备,广泛用于发电、石油化工、钢铁、水泥、建筑等行业。不锈钢储罐有较强的耐腐性,它不受外界空气及水中余氯腐蚀。每个球罐出厂前均经受超强的压力测试和检验,在常压下使用寿命可达100 年以上。