張曉斌,王春強(qiáng),李建勛,朱政果,黃 健,黃 就
(1.廣西區(qū)特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)院,南寧 530219;2.廣西區(qū)崇左市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,崇左 532200)
聲發(fā)射技術(shù)作為一種新的無損檢測方法,目前已被應(yīng)用在石油、化工、橋梁、金屬成形等行業(yè),但應(yīng)用最廣泛的對(duì)象當(dāng)屬各行業(yè)中的壓力容器檢測。我國目前將聲發(fā)射技術(shù)用于壓力容器的安全檢測,主要是通過對(duì)容器在承壓下的聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(是否測得信號(hào)和信號(hào)的強(qiáng)弱)來判別壓力容器上是否存在活性缺陷以及缺陷的位置[1]。
聲發(fā)射信號(hào)的識(shí)別一直是聲發(fā)射檢測技術(shù)的研究熱點(diǎn),但目前更多地是關(guān)注信號(hào)處理方法、噪聲剔除及識(shí)別技術(shù)等方面的研究,而對(duì)檢測過程的研究較少。文獻(xiàn)[2]給出了聲發(fā)射信號(hào)簡化波形特征參數(shù)的定義和分析方法,包括列表顯示和分析、單參數(shù)分析、經(jīng)歷圖分析、分布圖分析和關(guān)聯(lián)圖分析等;文獻(xiàn)[3]研究了能量累計(jì)值在壓力容器聲發(fā)射檢測中的應(yīng)用;還有一些文獻(xiàn)使用了小波分析、人工智能及獨(dú)立分量等方法進(jìn)行各種聲發(fā)射信號(hào)的識(shí)別技術(shù)研究[4-6]。聲發(fā)射檢測過程一般分成升壓和保壓階段,因?yàn)樯龎哼^程受到外界的影響很大,所以不管是在標(biāo)準(zhǔn)中,還是在實(shí)際應(yīng)用中,技術(shù)人員更多是把目光關(guān)注在保壓階段的聲發(fā)射信號(hào)。但在升壓過程中,特別在首次升壓過程中,隨著壓力的升高,可能會(huì)導(dǎo)致活性缺陷的擴(kuò)展,產(chǎn)生含有豐富的缺陷信息,因此研究首次升壓過程中的聲發(fā)射信號(hào),對(duì)發(fā)現(xiàn)缺陷具有重要意義。文章將通過聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理和檢測實(shí)例,驗(yàn)證在首次升壓過程中聲發(fā)射信號(hào)研究的重要性,研究成果可供相關(guān)技術(shù)人員參考。
聲發(fā)射技術(shù)現(xiàn)行的主要評(píng)價(jià)依據(jù)是國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18182—2000《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評(píng)價(jià)方法》[1],在此標(biāo)準(zhǔn)中給出了詳細(xì)檢測及評(píng)價(jià)方法。
由標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)源活度劃分方法可以知道,在二次加壓循環(huán)四個(gè)階段中,只在一個(gè)階段出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)的都判為非活性;出現(xiàn)二次聲發(fā)射信號(hào)的,只有當(dāng)都在保壓階段出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)的才判為活性,其他都判為弱活性;出現(xiàn)三次聲發(fā)射信號(hào)的,都判為活性;當(dāng)四個(gè)階段都出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào),判為強(qiáng)活性。
通過以上統(tǒng)計(jì)可看出:當(dāng)在四個(gè)階段只出現(xiàn)一次聲發(fā)射信號(hào)時(shí),判為非活性;另在有兩次聲發(fā)射信號(hào)中,當(dāng)兩個(gè)信號(hào)都出現(xiàn)在保壓階段時(shí),判為活性。
由此可知:在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)只出現(xiàn)一次的聲發(fā)射信號(hào)認(rèn)為對(duì)設(shè)備的影響較弱;其次是保壓階段的聲發(fā)射信號(hào)更加重要。上述結(jié)論符合凱塞爾效應(yīng),值得重點(diǎn)認(rèn)同,但在具體的檢測過程中,還應(yīng)對(duì)升壓過程中的聲發(fā)射信號(hào)波形及其他參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究,特別是首次升壓信號(hào),才可以避免檢測結(jié)果偏差。
壓力容器中最危險(xiǎn)的缺陷是裂紋,裂紋的產(chǎn)生可分為三個(gè)階段,即疲勞應(yīng)力集中源、微觀裂紋萌生及宏觀裂紋擴(kuò)展。由于某種原因,導(dǎo)致在焊縫區(qū)域存在一個(gè)應(yīng)力集中源,當(dāng)受到周期載荷時(shí),在“擠出擠入”機(jī)制作用下,形成微觀裂紋,即裂紋萌生階段,這時(shí)應(yīng)力集中部位的金屬材料產(chǎn)生塑性變形;當(dāng)在外力的繼續(xù)作用下,最后微觀裂紋發(fā)展為宏觀裂紋,即裂紋擴(kuò)展。以此為一個(gè)循環(huán)周期,開始進(jìn)入下一個(gè)裂紋擴(kuò)展周期,最后形成一條宏觀裂紋。在裂紋的形成過程中,只在當(dāng)裂紋擴(kuò)展那一瞬間產(chǎn)生一個(gè)突變聲發(fā)射信號(hào),而在微觀裂紋形成階段,即在金屬的塑性變形階段是不產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的。
當(dāng)對(duì)在役壓力容器進(jìn)行聲發(fā)射檢測過程中,一次升壓一般都是超過工作壓力的,當(dāng)壓力容器存在裂紋缺陷,受到強(qiáng)大外力作用下,在前期長時(shí)間疲勞壓力的作用基礎(chǔ)之上,很容易導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展,從而產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào);而在聲發(fā)射檢測的后三個(gè)階段,由于裂紋的擴(kuò)展是有周期的,需要一定時(shí)間的積累,往往不表現(xiàn)出有聲發(fā)射信號(hào)的特征。如裂紋在其他三個(gè)檢測階段發(fā)生擴(kuò)展,那設(shè)備已經(jīng)非常危險(xiǎn)了,同時(shí)也非常容易檢測出來。但通常的情況是后三個(gè)階段沒有聲發(fā)射信號(hào),根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)往往容易忽略其潛在的裂紋擴(kuò)展危險(xiǎn)。
通過上述裂紋形成、擴(kuò)展及產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的機(jī)理可知,在聲發(fā)射檢測過程中,首次升壓過程聲發(fā)射信號(hào)對(duì)判別缺陷具有十分重要的意義,應(yīng)引起足夠的重視,要重點(diǎn)研究和識(shí)別。
某煉鋼廠有一臺(tái)640m3球罐,設(shè)備基本參數(shù)為φ1070mm×38mm;容積640m3;設(shè)計(jì)壓力2.1 MPa;材料16MnR;工作壓力1.5~1.6MPa;介質(zhì)氮?dú)?;設(shè)計(jì)溫度-19~60℃;2007年1月制造,2012年3月第一次全面檢驗(yàn)。
聲發(fā)射檢測采用二次升壓。在第一次升壓過程中,在探頭1,4,5區(qū)域發(fā)現(xiàn)6個(gè)定位信號(hào),源區(qū)內(nèi)前五個(gè)定位信號(hào)的平均幅值71dB,按標(biāo)準(zhǔn)判定為A級(jí),定位圖如圖1所示。
結(jié)合波形分析可知,波形上升時(shí)間200μs左右,撞擊計(jì)數(shù)一般在200以上,能量也在150以上。考慮到聲發(fā)射信號(hào)定位比較集中且撞擊計(jì)數(shù)和能量都較大,決定對(duì)該區(qū)域進(jìn)行TOFD,X射線和A型超聲波復(fù)驗(yàn)。
復(fù)驗(yàn)結(jié)果如下:
(1)在X射線底片上看不到缺陷影像。
(2)TOFD掃查方向如圖2所示,得到如圖3所示圖譜,TOFD測出缺陷的深度為12.5mm,長度為13mm,缺陷自身高度為1.5mm。
圖1 聲發(fā)射檢測定位圖
(3)A超的結(jié)果如圖4所示,缺陷位置如圖5所示。由A超結(jié)果可知,缺陷當(dāng)量為φ1mm×6mm+23dB,缺陷位置的回波落在Ⅲ區(qū)。按標(biāo)準(zhǔn),缺陷直接判為3級(jí)。
由A超結(jié)果,可以判斷為面狀缺陷,缺陷可能為未熔合。結(jié)合聲發(fā)射、A超、TOFD及X射線檢測結(jié)果,在一次升壓過程中,缺陷在長期疲勞載荷的作用下,可能有擴(kuò)展??紤]到該公司無法立即進(jìn)行缺陷的挖補(bǔ)和修復(fù),最后檢驗(yàn)結(jié)論為:監(jiān)控使用一年,2013年3月再進(jìn)行一次聲發(fā)射檢測,視檢測結(jié)果決定是否進(jìn)行缺陷強(qiáng)制修復(fù)。
聲發(fā)射檢測對(duì)設(shè)備的整體安全狀態(tài)可以作出快速的判斷,在按國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測時(shí),不僅要關(guān)注保壓階段的信號(hào),有時(shí)更應(yīng)關(guān)注一次升壓信號(hào),要結(jié)合一次升壓信號(hào)產(chǎn)生的定位聚類特點(diǎn)及產(chǎn)生定位聲發(fā)射信號(hào)的波形特點(diǎn),考慮使用其他無損檢測方法加以復(fù)驗(yàn),確保設(shè)備安全運(yùn)行。
[1]GB/T 18182—2000 金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評(píng)價(jià)方法[S].
[2]沈功田,耿榮生,劉時(shí)風(fēng).聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)分析方法[J].無損檢測,2002,24(2):72-77.
[3]龔斌,齊輝,林偉,等.能量累計(jì)值在壓力容器聲發(fā)射檢測中的應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2008,29(4):609-612.
[4]金鑫,施展.基于小波的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)提取方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2006,27(6):347-348.
[5]Ding Y,Reuben R L,Steel J A.A new method for waveform analysis for estimating AE wave arrival times using wavelet decomposition[J].NDT&E International,2004,37(4):279-290.
[6]李偉,蔣鵬.基于獨(dú)立分量分析的聲發(fā)射信號(hào)分離方法[J].壓力容器,2008,35(5):13-15.