曾德程 王春強(qiáng)

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院 南寧 530219）

10 079 m3丁烷球罐的聲發(fā)射檢測

曾德程 王春強(qiáng)

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院 南寧 530219）

介紹采用兩套聲發(fā)射檢測系統(tǒng)完成10079m3丁烷球罐的在線檢測，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開罐檢驗。介紹其操作要點(diǎn)、檢驗程序、注意事項，能實現(xiàn)大規(guī)格球罐的在線檢測，說明該方法是快速、經(jīng)濟(jì)、有效的不開罐檢測手段，可供今后此類球罐的檢驗提供參考。

聲發(fā)射檢測 球罐 HITEN610U2鋼

1 情況介紹

某能源有限公司一臺10079m3丁烷球罐主要技術(shù)參數(shù)為：設(shè)計壓力0.79MPa，設(shè)計溫度-5℃～50℃，工作介質(zhì)為丁烷，主體材質(zhì)為日本鋼板HITEN610U2，球罐內(nèi)徑為Sφ26800mm，結(jié)構(gòu)形式為混合式，14個支柱，公稱壁厚為31mm（上極板，上溫帶）、32mm（赤道帶）、33mm（下溫帶，下極板）。設(shè)計單位：合肥通用機(jī)械研究所，球殼板制造單位：大連金鼎石油化工機(jī)器有限公司，安裝單位：沈陽工業(yè)安裝集團(tuán)球罐分公司。安裝時該球罐進(jìn)行了100%射線檢測，2010年1月首次檢驗，內(nèi)外表面焊縫經(jīng)磁粉檢測均未發(fā)現(xiàn)磁痕顯示，超聲波檢測發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷兩處，缺陷暫未處理，安全狀況等級為：3級。

2 檢驗介紹

按照傳統(tǒng)的檢驗手段，需要對球罐物料進(jìn)行置換，打開人孔，內(nèi)外搭設(shè)腳手架及作業(yè)平臺，并請人員對內(nèi)外焊縫進(jìn)行打磨，輔助工作需要3個月的時間，對使用單位而言，時間的耽擱意味著經(jīng)濟(jì)利益的損失。大量實踐證明[1-5]，聲發(fā)射檢測技術(shù)應(yīng)用在大型球罐上是可行的，確保檢驗質(zhì)量的同時也不影響使用單位的正常生產(chǎn)。

結(jié)合首次全面檢驗的情況，查閱使用單位提供的物料成分分析報告（重點(diǎn)分析含水量及H2S成份），調(diào)查國內(nèi)HITEN610U2材質(zhì)制造的球罐檢驗情況[6]，分析可知，對該大型球罐采用在線的檢測手段是可行的。

3 檢驗方案

3.1 檢驗方案的可行性分析

由于NB/T 47013.9—2012《承壓設(shè)備無損檢測第9部分：聲發(fā)射檢測》關(guān)于聲發(fā)射定位源的強(qiáng)度分級是依據(jù)Q345R材料進(jìn)行分析的[7]，而該球罐的主要材質(zhì)為日本鋼板HITEN610U2(下屈服強(qiáng)度ReL≥490MPa級的低焊接冷裂紋敏感性高強(qiáng)度鋼)[8-9], 按鋼廠證明書數(shù)據(jù)，鋼板為調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨，拉伸試驗的下屈服強(qiáng)度ReL=590MPa，抗拉強(qiáng)度Rm=683MPa，伸長率A=27%。HITEN610U2鋼板的化學(xué)成分見表1[10]，Q345R板材的化學(xué)成分見表2[11]。

表1 HITEN610U2鋼板的化學(xué)成分

表2 Q345R鋼板的化學(xué)成分

由于球罐主要材質(zhì)為日本鋼板HITEN610U2，較國內(nèi)常用Q345R鋼，HITEN610U2鋼中含Ni 為0.02%，而Q345R中含Si為0.35%，其它元素HITEN610U2優(yōu)于Q345R。硅（Si）與鎳（Ni）兩種元素在鋼材中有提高淬透性和固溶強(qiáng)化作用，結(jié)合聲發(fā)射在不同材質(zhì)下檢測情況分析，可參照Q345R經(jīng)驗數(shù)據(jù)判斷。本著謹(jǐn)慎的原則，前期確定方案時，預(yù)先在球罐罐壁采用2Hφ0.3mm鉛芯折斷測量實際距離—衰減曲線，測量情況見表3。

表3 HITEN610U2衰減測定

根據(jù)試驗確定將最大傳感器間距控制在6m以內(nèi)。

圖1 HITEN610U2鋼材的衰減測試

3.2 檢驗方案的確定

在球罐外部搭設(shè)腳手架及作業(yè)平臺，提高球罐內(nèi)部介質(zhì)的液位，采用液態(tài)的原介質(zhì)加載進(jìn)行聲發(fā)射檢測，根據(jù)加壓和保壓階段出現(xiàn)的有效聲發(fā)射源定位信號確定需要驗證的部位，采用JB/T 4730.2～ 4730.6、NB/T 47013.7～ 47013.8、NB/T 47013.10所規(guī)定的檢測方法進(jìn)行表面和（或）內(nèi)部缺陷檢測。對上一個檢驗周期發(fā)現(xiàn)的問題采用同樣無損檢測手段進(jìn)行復(fù)核，判斷可記錄的缺陷是否擴(kuò)展。對于兩套聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的重合區(qū)（見圖2）應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行常規(guī)無損檢測抽查。對上下極板環(huán)縫、上下溫帶環(huán)縫、赤道帶環(huán)縫外表面進(jìn)行表面磁粉及超聲波檢測。

4 聲發(fā)射檢測

4.1 聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的調(diào)試

由于該規(guī)格球罐的聲發(fā)射檢測需配備的檢測通道數(shù)極大，單獨(dú)使用一臺聲發(fā)射檢測系統(tǒng)進(jìn)行檢測成本極高，國內(nèi)的檢測單位目前擁有通道數(shù)最多的是112通道。經(jīng)分析，可使用兩臺美國PAC公司聲發(fā)射檢測系統(tǒng)并聯(lián)，其中一套系統(tǒng)為SAMOS-88通道（檢測上半球及部分下半球），外借另一套系統(tǒng)為48通道（檢測下半球）?；緟?shù)如下：傳感器為R15IAST(帶前置放大器，可自激發(fā)標(biāo)定) 、R15I、DP15I諧振型傳感器，中心頻率為150kHz，放大器增益為40dB，測量背景噪聲＜35dB,觸發(fā)門檻值為40dB，浮動門檻為6dB，采用2Hφ0.3mm鉛芯折斷信號為模擬源，模擬濾波器頻率為100～400kHz，設(shè)置為球面定位方式，全波形采集和參數(shù)采集，傳感器平均靈敏度為96dB，波速用時差法在球罐表面進(jìn)行實測。

4.2 傳感器的安裝

傳感器1—88通道檢測上半球及部分下半球，傳感器1—48通道檢測剩余部分下半球，兩套檢測系統(tǒng)1-18號分別設(shè)置在同一個檢測點(diǎn)上（即下圖的“重合區(qū)”），實現(xiàn)兩套檢測系統(tǒng)的對接。對出現(xiàn)在重合區(qū)的信號應(yīng)在兩套檢測系統(tǒng)中進(jìn)行對比分析，排除干擾。對于某檢測系統(tǒng)，在有效檢測區(qū)域外出現(xiàn)某定位事件，應(yīng)對比分析，是否同樣也出現(xiàn)在另一套檢測系統(tǒng)中，可排除干擾。上下人孔各布置一個傳感器，中間共布置9層，相臨兩層之間的弧長約為4218mm，共計136通道。傳感器布置的經(jīng)緯度展開圖如圖2所示。

圖2 傳感器布置的經(jīng)緯度展開圖

軟件定位圖的設(shè)置：兩套系統(tǒng)的球罐規(guī)格參數(shù)應(yīng)設(shè)置一樣，硬件參數(shù)及時間參數(shù)設(shè)置一樣，保證數(shù)據(jù)可對比的前提條件。軟件定位軟件截圖如圖3、圖4所示：

圖3 88通道軟件截圖

圖4 48通道軟件截圖

4.3 同軸信號線的敷設(shè)

檢測通道一共136個，需要配備相應(yīng)的信號線，為了更好的利用各種規(guī)格的同軸信號線，布置前應(yīng)進(jìn)行空間上的優(yōu)化，如圖5所示，這樣可以大大減輕敷設(shè)的難度，也避免了大規(guī)格（100m）線纜的浪費(fèi)。

圖5 線纜的空間優(yōu)化

4.4 加壓過程

傳統(tǒng)的輕烴介質(zhì)球罐在線檢測受運(yùn)行壓力和溫度的影響，不飽和狀態(tài)會造成一定的壓力波動，故大多都采用潔凈水作耐壓試驗時進(jìn)行檢測。由于該能源有限公司擁有2個2 萬m3的低溫固定拱頂罐，能提供足夠的原材料。當(dāng)液位升到檢測采集的初始壓力后，需靜止3天以上，提高罐壁的溫度。因為低溫物料會造成罐壁溫度過低，與環(huán)境溫差大，球罐外壁有大量的冷凝水，會影響聲發(fā)射檢測的基本操作。用液態(tài)的原材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的潔凈水作為升壓的介質(zhì)，通過提高液態(tài)原材料的液位并用液態(tài)的輕烴泵進(jìn)行加載，可以有效的控制加載時間，壓力的調(diào)節(jié)穩(wěn)定、便捷，聲發(fā)射非相關(guān)信號較少，可以大大縮短檢測時間且對使用單位的影響較小。丁烷的物料比重600kg/m3,設(shè)備凈質(zhì)量722260kg，計算可知，充滿液態(tài)丁烷后總重超過6165t，翻閱球罐安裝時的竣工資料，掌握預(yù)埋支柱基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式，并對球罐14根支柱實際不垂直度及使用多年后沉降程度進(jìn)行現(xiàn)場測量后，確認(rèn)該球罐能夠承受液壓試驗的液體重量。根據(jù)相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的要求確定聲發(fā)射檢測最高試驗壓力和加載程序，采用二次循環(huán)加壓的程序，如圖6所示。加載過程要注意介質(zhì)的注入速率，控制泵的出口壓力，力求平穩(wěn)，同時在加載過程中對基礎(chǔ)的沉降進(jìn)行實測記錄，發(fā)現(xiàn)異常時須立即停止加壓。檢測過程中如遇到強(qiáng)噪聲干擾，應(yīng)停止加壓并暫停檢測，排除強(qiáng)噪聲干擾后再進(jìn)行檢測。

圖6 加載程序示意圖

4.5 檢測數(shù)據(jù)分析

聲發(fā)射檢測成功的關(guān)鍵之一是排除非相關(guān)信號的干擾[12-13]，這樣才能確保采集信號有效性，利于后期數(shù)據(jù)的處理與分析。從檢測數(shù)據(jù)中標(biāo)識出檢測過程中出現(xiàn)的噪聲數(shù)據(jù)，并在檢測記錄中注明。安裝完傳感器后進(jìn)行背景噪聲的檢測時，出現(xiàn)的都是高幅值信號（＞80dB），且定位事件的出現(xiàn)呈幾何級的增長，此現(xiàn)象很不正常。把傳感器從罐壁脫離后，安裝在其它鋼板上，測試未見異常。經(jīng)了解，該球罐表面安裝有外測振動超聲波液位計，定時發(fā)送脈沖信號，把此裝置關(guān)閉后，測試未見異常。

本次聲發(fā)射檢測是球罐在用原介質(zhì)加壓過程中，進(jìn)行聲發(fā)射整體監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，壓力從0.35MPa開始對被檢容器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，共進(jìn)行兩個加壓循環(huán)。升壓速度一般不應(yīng)大于0.5MPa/min。在兩次加壓循環(huán)和保壓過程中沒有出現(xiàn)可記錄的聲發(fā)射定位源信號。

4.6 磁粉檢測及超聲波檢測(A超及TOFD檢測)

對上一個檢驗周期發(fā)現(xiàn)的問題采用同樣無損檢測手段進(jìn)行復(fù)核，判斷可記錄的缺陷是否擴(kuò)展，測量缺陷的自身高度。對于兩套聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的重合區(qū)（分析如下）應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行常規(guī)無損檢測抽查。對上下極板環(huán)縫、上下溫帶環(huán)縫、赤道帶環(huán)縫外表面進(jìn)行表面磁粉及超聲波檢測，均未發(fā)現(xiàn)危害性缺陷，驗證了聲發(fā)射檢測結(jié)果的正確性。

5 結(jié)論

1）10079m3球罐的聲發(fā)射檢測國內(nèi)目前開展極少，主要的原因是配套的聲發(fā)射檢測儀器通道數(shù)極多，一般的檢測單位不具備此硬件設(shè)施，該檢驗實例為采用聲發(fā)射技術(shù)檢測大型球罐積累了經(jīng)驗，提供一種可行的檢測思路。

2）聲發(fā)射檢測技術(shù)對材料非常敏感，對本文中HITEN610U2材料參照了Q345R材料的聲發(fā)射特性，對檢測結(jié)果的判斷會引入一定的誤差，在條件許可的情況下，對球罐材料的聲發(fā)射特性進(jìn)行研究，有助于提高聲發(fā)射信號源判斷的準(zhǔn)確性；

3）加壓方式的不同。傳統(tǒng)的輕烴介質(zhì)球罐在線檢測受運(yùn)行壓力和溫度的影響，不飽和狀態(tài)會造成一定的壓力波動，故大多都采用潔凈水作耐壓試驗時進(jìn)行檢測。由于該能源有限公司擁有2個2萬m3的低溫固定拱頂罐，能提供足夠的原材料。用液態(tài)的原材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的潔凈水作為升壓的介質(zhì)，通過提高液態(tài)原材料的液位并用液態(tài)的輕烴泵進(jìn)行加載，可以有效的控制加載時間，壓力的調(diào)節(jié)穩(wěn)定、便捷，聲發(fā)射非相關(guān)信號較少，可以大大縮短檢測時間且對使用單位的影響較小。但應(yīng)在檢測前制定詳細(xì)的安全措施，時時監(jiān)測球罐基礎(chǔ)沉降，避免接近最大充裝量帶來的危險，確保檢測加載過程的安全。

4）排除非相關(guān)信號的干擾是關(guān)鍵。檢驗前期中受安裝在球罐表面的外測振動超聲波液位計的干擾，出現(xiàn)的都是高幅值信號（＞80dB），排除這一干擾相當(dāng)重要。

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The Detection of 10079 Cubic Meters Spherical Tank by Acoustic Emission

Zeng Decheng Wang Chunqiang
(Guangxi Special Equipment Inspection and Research Institute Nanning 530219)

This paper introduced the use of two sets of acoustic emission detection system to complete 10079m3butane spherical tank on-line detection, instead of the traditional open-can inspection, and introduces the operation points, inspection procedures and precautions, which can realize the on-line detection of large-scale spherical tank. It shows that the method is fast, economical and effective means for detecting the cans.

Acoustic emission Spherical tank HITEN610U2 steel

X924

B

1673-257X(2017)05-0049-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.05.011

曾德程(1985～)，男, 本科,工程師,從事壓力容器定期檢驗工作。

曾德程，E-mail: gxtjy204@126.com。

2017-02-13）