樂開白，左繼鋒，姚力，馬學(xué)榮

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20000 m3真空球罐聲發(fā)射監(jiān)測與信號源分析

樂開白，左繼鋒，姚力，馬學(xué)榮

（中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000）

針對20000 m3真空球罐及管道系統(tǒng)在開展抽真空試驗(yàn)狀態(tài)下，對其應(yīng)力集中部位進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測及應(yīng)力應(yīng)變測試，結(jié)果表明，通過干擾噪聲排除，結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變測試結(jié)果，對信號源進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，真空試驗(yàn)狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)真空球罐及管道系統(tǒng)應(yīng)力集中部位的監(jiān)測和整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)性預(yù)報(bào)，為20000 m3真空球罐及管道系統(tǒng)運(yùn)行過程中的監(jiān)控及后期開展檢驗(yàn)提供了一種有效的檢測和安全狀況綜合評估方法。

真空球罐；聲發(fā)射監(jiān)測；信號源；安全評估

以壓力容器為代表的典型設(shè)備，在耐壓試驗(yàn)或在役狀態(tài)下，聲發(fā)射檢測能夠全過程、實(shí)時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體完整性評價(jià)、重點(diǎn)缺陷的活度監(jiān)測、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞監(jiān)測預(yù)報(bào)。相對于其他無損檢測方法，聲發(fā)射檢測在實(shí)時(shí)性、無損安全評價(jià)、缺陷活度監(jiān)測、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞預(yù)報(bào)等方面，均具有明顯、獨(dú)特的優(yōu)勢。對于金屬壓力容器而言，聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種正在逐步走向成熟的無損檢測新方法。

某單位20000 m3真空球罐及管道系統(tǒng)是由兩臺20000 m3真空球罐和配套管線系統(tǒng)組成的研制裝置，球殼內(nèi)壁設(shè)置縱向與環(huán)向T形加強(qiáng)筋，T形加強(qiáng)筋與球殼板相焊，形成抗外壓的組合球殼結(jié)構(gòu)，在不開展試驗(yàn)情況下，除非進(jìn)行設(shè)備檢修，球罐長期處于真空狀態(tài)。20000 m3真空球罐主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，其平面布置及實(shí)物如圖1所示。

表1 20000 m3真空球罐主要技術(shù)參數(shù)

圖1 20000 m3真空球罐平面布置及實(shí)物圖

與常規(guī)壓力容器相比，20000 m3真空球罐及管道系統(tǒng)存在幾何尺寸龐大、內(nèi)設(shè)加強(qiáng)筋、應(yīng)力分布差異明顯、噪聲干擾影響眾多、結(jié)果復(fù)驗(yàn)困難等特點(diǎn)，以NB/T 47013.9－2012《承壓設(shè)備無損檢測第9部分：聲發(fā)射檢測》、GB/T 18182－2012《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價(jià)方法》、JB/T 10764－2007《無損檢測常壓金屬儲罐聲發(fā)射檢測及評價(jià)方法》等為代表的現(xiàn)有成熟的壓力容器聲發(fā)射檢測技術(shù)難于直接應(yīng)用于20000 m3真空球罐及管道系統(tǒng)抽真空試驗(yàn)狀態(tài)下的聲發(fā)射檢測。

為了對重點(diǎn)部位或典型缺陷進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測，探索針對缺陷活動(dòng)性、危害程度和結(jié)構(gòu)完整性評價(jià)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及預(yù)報(bào)方法。為提高20000 m3真空球罐及管道系統(tǒng)投用后安全狀態(tài)監(jiān)測與定期維護(hù)的針對性，以便有效預(yù)防各類失效破壞事故的發(fā)生，本文在抽真空狀態(tài)下針對20000 m3真空球罐及管道系統(tǒng)開展了聲發(fā)射監(jiān)測。

1 檢驗(yàn)前準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)主要針對20000 m3真空球罐及管道系統(tǒng)在抽真空試驗(yàn)狀態(tài)下開展聲發(fā)射檢測。抽真空試驗(yàn)前，中國特檢院與中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心設(shè)計(jì)所科研人員已進(jìn)行了應(yīng)力分析計(jì)算，確定了整個(gè)系統(tǒng)高應(yīng)力分布區(qū)域，在抽真空試驗(yàn)狀態(tài)下，同步開展的檢驗(yàn)檢測項(xiàng)目包括針對應(yīng)力集中部位的聲發(fā)射檢測、應(yīng)力測試以及應(yīng)變監(jiān)測等。

聲發(fā)射檢測部位主要為高應(yīng)力分布區(qū)，具體為兩臺球罐間管道連接的角焊縫部位，工藝采用特征參數(shù)法，管道部分以三角形面定位布置傳感器，球罐部分由于內(nèi)部存在加強(qiáng)筋，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以區(qū)域定位為主，其中V-06真空球罐與管道連接角焊縫周圍布置12個(gè)傳感器，分為兩個(gè)區(qū)域，管道上距角焊縫2700 mm對稱布置2個(gè)傳感器，與角焊縫邊緣等間距布置的5個(gè)傳感器之間形成第I區(qū)域；以管道中心為圓點(diǎn)，半徑2800 mm圓周上等間距布置5個(gè)傳感器，與角焊縫邊緣的5個(gè)傳感器之間形成第Ⅱ區(qū)域，如圖2所示。同理，V-05真空球罐與管道連接角焊縫周圍分別布置第Ⅲ區(qū)域、第Ⅳ區(qū)域。

2 系統(tǒng)調(diào)試[1]

采用德國Vallen公司的32通道AMSY5 ASIP-2型超高速、全數(shù)字、全波形、強(qiáng)抗干擾聲發(fā)射采集分析系統(tǒng)，VS150-RIC諧振式窄頻帶一體化探頭，AMSY5聲發(fā)射軟件（含BDSWB采集、VAELP分析、BDSWLoc1定位等軟件）。主要參照NB/T 47013.9－2012《承壓設(shè)備無損檢測第9部分：聲發(fā)射檢測》等編制了檢測工藝；以2.5 mm、0.3 mm、30°2H鉛芯折斷&自校驗(yàn)脈沖信號作為模擬源；在距探頭100 mm部位，去除表面涂層并用角向磨光機(jī)打磨露出金屬本底，采用模擬聲發(fā)射信號3～5次重復(fù)測定，逐一進(jìn)行每個(gè)通道的靈敏度校驗(yàn)，均不小于76 dB，各次測定的靈敏度變化范圍原則上均不超過±4 dB。

圖2 第Ⅱ區(qū)域傳感器布置圖

由于20000 m3真空球罐及管道系統(tǒng)存在幾何尺寸龐大、內(nèi)設(shè)加強(qiáng)筋、應(yīng)力分布差異明顯、噪聲干擾影響眾多，為找出有效的噪聲抑制和剔除方法，確保有效聲發(fā)射信號的順利提取、檢測，采取了以下措施：

（1）在模擬試件和實(shí)物上進(jìn)行反復(fù)、多次、不同狀況下的實(shí)驗(yàn)調(diào)試；

（2）在罐體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行最終實(shí)測；

（3）采用特征參數(shù)法篩選剔除無關(guān)的噪聲信號。

3 檢測過程及結(jié)果評定[2-4]

本次聲發(fā)射檢測結(jié)合球罐系統(tǒng)抽真空試驗(yàn)進(jìn)行，兩臺球罐分開進(jìn)行試驗(yàn)，先關(guān)閉兩個(gè)球罐之間的閘閥FM-02及V-06號真空球罐進(jìn)風(fēng)洞間的閘閥FM-04，對V-06號真空球罐進(jìn)行抽真空試驗(yàn)，按50000 Pa、10000 Pa、5000 Pa、23.7 Pa逐級抽真空分階段進(jìn)行試驗(yàn)，且在各級保持足夠時(shí)間檢查；完成V-06號真空球罐抽真空試驗(yàn)后，對V-06球罐及連接管道進(jìn)行保壓，再按相同階段對V-05號真空球罐進(jìn)行抽真空試驗(yàn)。經(jīng)測定，第I區(qū)域、第Ⅲ區(qū)域聲速為4900 m/s，第Ⅱ區(qū)域、第Ⅳ區(qū)域聲速為4700 m/s。衰減曲線及脈沖表分別如圖3、圖4所示。

圖3 衰減曲線圖

圖4 脈沖表

在對V-06號真空球罐聲發(fā)射監(jiān)測過程中，參照NB/T 47013.9－2012《承壓設(shè)備無損檢測第9部分：聲發(fā)射檢測》，未發(fā)現(xiàn)隨負(fù)壓增大而持續(xù)增長的有效聲發(fā)射源，Ⅱ級以上的聲發(fā)射活動(dòng)源情況如表2所示：在抽至50000 Pa階段，I區(qū)發(fā)現(xiàn)2處、II區(qū)發(fā)現(xiàn)3處聲發(fā)射活動(dòng)源；在50000 Pa保壓階段，I區(qū)和II區(qū)各發(fā)現(xiàn)1處聲發(fā)射活動(dòng)源；在50000～10000 Pa階段，I區(qū)發(fā)現(xiàn)3處、II區(qū)發(fā)現(xiàn)4處聲發(fā)射活動(dòng)源；在10000 Pa保壓階段，未發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射活動(dòng)源；在10000～5000 Pa階段，I區(qū)和II區(qū)各發(fā)現(xiàn)1處聲發(fā)射活動(dòng)源；在5000 Pa保壓階段，Ⅱ區(qū)發(fā)現(xiàn)1處聲發(fā)射活動(dòng)源；在5000～23.7 Pa階段，I區(qū)發(fā)現(xiàn)2處、II區(qū)發(fā)現(xiàn)2處聲發(fā)射活動(dòng)源；在23.7 Pa保壓階段，未發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射活動(dòng)源。經(jīng)對綜合評定為Ⅲ級的部位進(jìn)行現(xiàn)場檢查和常規(guī)無損檢測抽查復(fù)驗(yàn)，證實(shí)有效聲發(fā)射源區(qū)域未發(fā)現(xiàn)存在超標(biāo)缺陷，抽真空試驗(yàn)聲發(fā)射檢測合格，聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果與應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果、抽真空試驗(yàn)實(shí)際狀況相符。

在對V-05號真空球罐聲發(fā)射監(jiān)測過程中，參照NB/T 47013.9－2012《承壓設(shè)備無損檢測第9部分：聲發(fā)射檢測》，Ⅱ級以上的聲發(fā)射活動(dòng)源情況如表3所示：在抽至50000 Pa階段，Ⅳ區(qū)發(fā)現(xiàn)1處聲發(fā)射活動(dòng)源；在50000 Pa保壓階段，未發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射活動(dòng)源；在50000～10800 Pa階段，Ⅲ區(qū)發(fā)現(xiàn)1處、Ⅳ區(qū)發(fā)現(xiàn)4處聲發(fā)射活動(dòng)源；在真空表讀數(shù)為10800 Pa時(shí)，聲發(fā)射檢測到一個(gè)源強(qiáng)度為99.4 dB的信號，定位如圖5所示，聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)如表4所示。此時(shí)應(yīng)力監(jiān)測到兩臺球罐之間連接管道即V-06球罐與管道連接的上端，應(yīng)力值達(dá)到191 MPa，超過預(yù)警值158.4 MPa；經(jīng)現(xiàn)場檢查測得，兩座球罐之間管道上的閘閥FM-02向上抬起15 mm，同時(shí)向V-05號真空球罐方向移動(dòng)15 mm，閘閥至V-05號真空球罐間管道上的通用型波紋膨脹節(jié)在靠近下部有一根螺栓彎曲變形。經(jīng)有限元分析計(jì)算，此段管道最大應(yīng)力為321.08 MPa，位于水平軸向波紋管短節(jié)的下端，即靠近波紋管下部有一根螺栓彎曲變形位置；經(jīng)分析，閘閥上抬和移位現(xiàn)象是由于兩臺球罐間DN3600連接管道的144°彎頭單個(gè)的上、下表面積差約為62000 cm2，在接近真空狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生沿彎頭角分線向上的推力約為620 kN，兩個(gè)彎頭合計(jì)向上推力約為1240 kN，兩球罐間管道支架是滑動(dòng)支座，對管道和閘閥沒有約束，因此造成了閘閥出現(xiàn)向上抬起和水平位移的現(xiàn)象。

表2 V-06真空球罐抽真空試驗(yàn)聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)

表3 V-05真空球罐抽真空試驗(yàn)聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)

表4 V-05真空球罐（抽真空至10800 Pa）抽真空試驗(yàn)聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 存在的問題

（1）由于定位方法、筋板結(jié)構(gòu)、裙座較大等原因，導(dǎo)致定位困難，管道部分可以實(shí)現(xiàn)三角形面定位，球罐罐體部位僅能實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位；

（2）部分抽真空階段存在人員巡視、檢查等噪聲信號源；

（3）罐體內(nèi)部筋板的應(yīng)力釋放成為聲發(fā)射信號源，造成干擾；

（4）抽真空試驗(yàn)屬于負(fù)壓試驗(yàn)，與通常升壓試驗(yàn)存在一定差異。

5 結(jié)論

針對20000 m3真空球罐及管道系統(tǒng)在抽真空試驗(yàn)狀態(tài)下開展聲發(fā)射監(jiān)測，可以得出以下有工程意義的結(jié)論：

（1）聲發(fā)射檢測能夠?qū)η蚬藜肮艿老到y(tǒng)的抽真空試驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對結(jié)果實(shí)現(xiàn)有效、可靠的評價(jià)；

（2）通過干擾噪聲排除、常規(guī)無損檢測復(fù)驗(yàn)等措施，20000 m3真空球罐及管道系統(tǒng)在抽真空試驗(yàn)狀態(tài)下能夠有效對應(yīng)力集中部位開展聲發(fā)射監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)性預(yù)報(bào)和完整性評價(jià)；

（3）聲發(fā)射檢測能夠?qū)摅w內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力釋放等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；

（4）因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)設(shè)加強(qiáng)筋等原因，真空球罐監(jiān)測區(qū)域全部實(shí)現(xiàn)平面定位存在難度；

圖5 信號源定位圖（10800 Pa時(shí)）

（5）聲發(fā)射檢測能為20000 m3真空球罐及管道系統(tǒng)運(yùn)行過程中監(jiān)控及后期檢驗(yàn)提供一種有效的檢測和安全狀況綜合評估方法。

[1]NB/T 47013.9－2012，承壓設(shè)備無損檢測第9部分：聲發(fā)射檢測[S].

[2]姚力. 幾種典型聲發(fā)射信號的特征參數(shù)分布[J]. 無損探傷，2004，28（2）：19-22.

[3]樂開白，姚力，等. 大型風(fēng)洞承壓殼體聲發(fā)射評價(jià)的試驗(yàn)研究[J]. 無損檢測，2012（34）：61-65.

[4]姚力. 16Mn鋼疲勞裂紋的聲發(fā)射信號檢測[C]. 成都：第八屆全國無損檢測學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2003.

The Acoustic Emission Testing For 20000m3Vacuum Spherical Tanks and Analysis of Signal Source Data

YUE Kaibai，ZUO Jifeng，YAO Li，MA Xuerong

( China Aerodynamic Research and Development Center, Mianyang 621000, China )

Focused on the 20000m3vacuum spherical tanks and pipeline systems, which are in the condition of vacuum testing, acoustic emission testing and stress test are implemented in the areas of stress concentration. Results show that based on removing noise interference, stress test result and analysis of signal source data, the monitoring for the areas of stress concentration and structure instability, forecast can bi achieved effectively. And then, an effective security evaluation method, which is applied to the online testing and later inspecting of 20000m3vacuum spherical tanks and pipeline systems, is proposed.

vacuum spherical tank；acoustic emission testing；signal source；security evaluation

TJ765.4+1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.10.013

1006－0316 (2018) 10－0056－05

2018－07－02

樂開白（1979－），男，江蘇射陽人，本科，工程師，主要從事承壓設(shè)備檢驗(yàn)檢測及無損檢測評價(jià)工作。