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(南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，南京 211102)

鈦具有優(yōu)異的耐蝕性，工業(yè)純鈦及耐蝕低合金鈦廣泛應(yīng)用于石化領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國80%的鈦材產(chǎn)量都用于石化設(shè)備的制造中，而包括熱交換器在內(nèi)的容器類用鈦量約占石化設(shè)備用鈦量的75%[1]。聲發(fā)射技術(shù)作為一種先進(jìn)的無損檢測(cè)技術(shù)，在壓力容器的檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。目前，碳鋼類壓力容器的聲發(fā)射技術(shù)研究已近成熟并形成了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，用于航空航天領(lǐng)域的小型鈦材料壓力容器也有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但針對(duì)工業(yè)用鈦材壓力容器的聲發(fā)射檢測(cè)研究還較少。因此，研究有色金屬鈦及其壓力容器的聲發(fā)射特性，對(duì)于開展該方面的檢測(cè)與研究，確保安全生產(chǎn)具有重要意義。 筆者對(duì)工業(yè)純鈦板材和工業(yè)鈦制壓力容器的聲發(fā)射特性進(jìn)行了研究。

1 工業(yè)純鈦板材聲發(fā)射特性

圖1 試驗(yàn)器材連接示意

工業(yè)純鈦板材在厚度方向的尺寸遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向的尺寸，給予一定的激勵(lì)條件在其中會(huì)形成板波(Lamb波)。一般情況下，板波的傳播是多階對(duì)稱波，即擴(kuò)展波S與反對(duì)稱波即彎曲波A的組合(這兩種波會(huì)相互耦合)[3]。當(dāng)激勵(lì)源作用力方向與板平面垂直時(shí)，板中主要產(chǎn)生彎曲波。當(dāng)激勵(lì)源作用力方向沿板平面方向時(shí)，板中主要產(chǎn)生擴(kuò)展波[4]。整個(gè)試驗(yàn)過程參考NB/T 47013.9-2012《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第9部分：聲發(fā)射檢測(cè)》進(jìn)行。試驗(yàn)器材的連接示意如圖1所示。圖1中1號(hào)傳感器做為發(fā)射傳感器，通過信號(hào)發(fā)生器發(fā)出信號(hào)；3號(hào)傳感器做為監(jiān)測(cè)傳感器，距離發(fā)射傳感器20 cm,起實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)平穩(wěn)性的作用；2號(hào)傳感器做為移動(dòng)傳感器，從距離發(fā)射傳感器5 cm處開始往后每隔一段距離測(cè)量一個(gè)點(diǎn)處的信號(hào)幅度，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量3～5次后取各數(shù)據(jù)的平均值。

選取厚度為15 mm的板材進(jìn)行衰減試驗(yàn)，聲發(fā)射儀器采用德國Vallen公司生產(chǎn)的多通道聲發(fā)射儀。圖2為試驗(yàn)得到的厚度為15 mm的板材聲發(fā)射信號(hào)幅值及其擬合曲線，從圖2可知，工業(yè)純鈦板材在進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)，傳感器的布置間距在4.5 m范圍內(nèi)是可行的。

圖2 厚度15 mm板材的聲發(fā)射信號(hào)衰減試驗(yàn)數(shù)據(jù)及擬合曲線

2 工業(yè)鈦材壓力容器水壓試驗(yàn)過程中的聲發(fā)射特性

該壓力容器由南京某金屬裝備有限公司制造，制造日期為2011年11月7日。其公稱容積為21 m3，設(shè)計(jì)壓力為-0.1/0.146 MPa，設(shè)計(jì)溫度為100 ℃，試驗(yàn)壓力最大到0.45 MPa，工作介質(zhì)為水、NaClO3溶液、H2SO4溶液，未進(jìn)行焊后熱處理。筆者先進(jìn)行了聲發(fā)射衰減試驗(yàn)，后對(duì)水壓試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了分析。

2.1 聲發(fā)射信號(hào)衰減特性

筆者共做了三組衰減試驗(yàn)：第一組是對(duì)10 mm壁厚的壓力容器筒體部位，分別用VS150和VS45兩種不同性質(zhì)的傳感器進(jìn)行了軸向和環(huán)向的衰減試驗(yàn)；第二組是對(duì)5 mm壁厚的筒體部位，分別用VS150和VS45兩種不同性質(zhì)的傳感器進(jìn)行了軸向和環(huán)向的衰減試驗(yàn)；第三組是用VS150傳感器對(duì)10 mm壁厚的筒體部位在含水和不含水的情況下進(jìn)行了對(duì)比衰減試驗(yàn)。壓力容器聲發(fā)射信號(hào)衰減試驗(yàn)框圖如圖3所示。

圖3 壓力容器聲發(fā)射信號(hào)衰減試驗(yàn)框圖

2.1.1 各組試驗(yàn)結(jié)果

(1) 第一組試驗(yàn)結(jié)果

第一組試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 10 mm厚筒體部位的聲發(fā)射信號(hào)衰減試驗(yàn)數(shù)據(jù)及擬合曲線

從軸向聲發(fā)射信號(hào)衰減曲線可以看出，兩種類型的傳感器接收到的信號(hào)幅值差別不大，且傳感器在4.5 m距離處接收到的信號(hào)幅值仍可達(dá)到60 dB左右，所以在工業(yè)鈦材壓力容器上聲發(fā)射傳感器的布置間距可在4.5 m范圍內(nèi)。從環(huán)向聲發(fā)射信號(hào)衰減曲線發(fā)現(xiàn)，距離傳感器2.5 m處發(fā)出的斷鉛模擬信號(hào)被傳感器接收到時(shí)的幅值最小，該筒體的實(shí)際測(cè)量周長為6.68 m，并未出現(xiàn)在周長的一半距離(3.34 m)處的幅值最小的情況。

(2) 第二組試驗(yàn)結(jié)果

第二組試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 5 mm厚筒體部位的聲發(fā)射信號(hào)衰減試驗(yàn)數(shù)據(jù)及擬合曲線

從軸向聲發(fā)射信號(hào)衰減曲線可知，兩種傳感器接收到的聲發(fā)射信號(hào)幅值差別不大，故從整體上可以判斷，在該部位的傳感器布置間距可在4.5 m范圍內(nèi)。該部分的環(huán)向周長測(cè)量值是2.39 m，但是從其環(huán)向聲發(fā)射信號(hào)的衰減情況來看，當(dāng)斷鉛位置超過1.6 m時(shí),聲發(fā)射信號(hào)幅度開始增大。另外,還發(fā)現(xiàn)在同樣距離的情況下,VS150傳感器接收的信號(hào)幅值要比VS45傳感器接收的信號(hào)幅值大。

(3) 第三組試驗(yàn)結(jié)果

第三組試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 壓力容器中含水和不含水情況下聲發(fā)射信號(hào)衰減試驗(yàn)數(shù)據(jù)及擬合曲線

對(duì)比含水與不含水情況下工業(yè)鈦材壓力容器的聲發(fā)射信號(hào)衰減曲線可知：同等距離條件下，含水時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)幅值比不含水時(shí)的要小。

2.1.2 小結(jié)

(1) 在工業(yè)鈦材壓力容器的軸向方向上,聲發(fā)射傳感器的布置間距可在4.5 m范圍內(nèi)。在10 mm厚筒體的環(huán)向方向上,斷鉛信號(hào)的幅值開始上升的位置比周長的一半處(3.34 m)的位置要提前，而在5 mm 厚筒體的環(huán)向方向上,斷鉛信號(hào)幅值開始上升的位置比周長的一半處(1.2 m)的位置要滯后。所以，容器厚度和尺寸規(guī)格的不同會(huì)對(duì)環(huán)向方向聲發(fā)射信號(hào)的衰減規(guī)律有較大影響。

(2) 同等檢測(cè)條件下,GR2材料的壓力容器含水時(shí)，接收到的聲發(fā)射信號(hào)幅值要小于不含水時(shí)接收到的信號(hào)幅值，由此可以推斷，容器中水的存在會(huì)加重聲發(fā)射信號(hào)的衰減。

圖7 傳感器布置位置及其展開示意

2.2 水壓試驗(yàn)過程中聲發(fā)射信號(hào)分析

試驗(yàn)中共使用15個(gè)傳感器(在15#傳感器附近布置一個(gè)2#VS45傳感器)，傳感器之間以三角形陣列進(jìn)行時(shí)差聲發(fā)射源定位(見圖7)。傳感器布置完畢后，采用自激發(fā)方式標(biāo)定傳感器靈敏度，發(fā)現(xiàn)各個(gè)通道連接通暢。在進(jìn)行水壓試驗(yàn)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)前，先對(duì)環(huán)境背景噪聲進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過測(cè)量得到各通道的背景噪聲均在35 dB左右，故將門檻設(shè)置為40 dB。波速調(diào)整為5 000 m·s-1。

該壓力容器設(shè)計(jì)壓力為0.146 MPa，根據(jù)制造單位意見水壓最大可達(dá)0.45 MPa，具體加載程序如圖8所示。壁厚10 mm處的筒體在水壓試驗(yàn)各階段的信號(hào)參數(shù)特征如表1所示。

圖8 壁厚10 mm處的筒體試驗(yàn)加載程序

水壓試驗(yàn)階段幅度平均值/dB能量平均值/eu幅度最大值/dB幅度最小值/dB能量最大值/eu能量最小值/euA60.22.82×10688.940.43.27×10719.9B53.61.05×10692.740.45.14×10717.7C54.11.34×10481.740.41.32×10514.0D51.22.82×10489.740.41.13×10615.3E------F54.23.83×10472.741.11.51×10527.9

在水壓試驗(yàn)過程中，為了盡量避免其他噪聲的干擾，經(jīng)協(xié)調(diào)，現(xiàn)場(chǎng)所有工人均暫時(shí)停止作業(yè)，故認(rèn)為聲發(fā)射儀器接收到的信號(hào)均由壓力容器在水壓試驗(yàn)中產(chǎn)生。對(duì)10 mm厚筒體部位的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)：① 第一次升壓過程中(A階段)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)幅度平均值最大且達(dá)到60.2 dB，說明該部位在制造過程中產(chǎn)生的主要?dú)堄鄳?yīng)力被釋放了出來。② 兩次保壓過程中(B階段和D階段)，各傳感器接收到的信號(hào)幅度之間和信號(hào)能量之間的差值較大，說明在保壓過程中個(gè)別含較大能量的殘余應(yīng)力被釋放了出來。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，10 mm厚筒體部位的聲發(fā)射信號(hào)幅度平均值范圍為51.2～60.2 dB。所以可以認(rèn)為此次試驗(yàn)中聲發(fā)射源的強(qiáng)度下限為60 dB，一旦信號(hào)幅度超過60 dB，即可考慮其已經(jīng)具備了一定的缺陷性質(zhì)。

3 結(jié)論

(1) 在工業(yè)純鈦板材及其壓力容器上，聲發(fā)射傳感器的布置間距在4.5 m范圍內(nèi)是可行的。而容器厚度和尺寸規(guī)格會(huì)對(duì)環(huán)向聲發(fā)射信號(hào)的衰減規(guī)律有較大影響。同等檢測(cè)條件下，容器中水的存在會(huì)增加聲發(fā)射信號(hào)的衰減程度。

(2) 新出廠的鈦材類壓力容器中，各種殘余應(yīng)力釋放的信號(hào)幅度平均值一般不會(huì)超過60 dB，所以試驗(yàn)中可將該幅值作為聲發(fā)射源強(qiáng)度判據(jù)的下限值。