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        脈沖渦流與聲發(fā)射在壓力容器檢測(cè)中的應(yīng)用

        2021-02-10 12:38:02李明娥
        設(shè)備管理與維修 2021年23期
        關(guān)鍵詞:渦流脈沖裂紋

        剡 亮,李明娥

        (酒泉市特種設(shè)備檢驗(yàn)所,甘肅酒泉 735000)

        0 引言

        壓力容器廣泛應(yīng)用于石油化工等行業(yè),隨著科技的發(fā)展,壓力容器運(yùn)行工況比以前更加復(fù)雜嚴(yán)苛,更容易出現(xiàn)化學(xué)腐蝕、環(huán)境開裂、材質(zhì)劣化等損傷模式而導(dǎo)致失效,造成介質(zhì)泄漏甚至爆炸,危及生命財(cái)產(chǎn)安全,造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。常規(guī)壓力容器全面檢驗(yàn)要清空原料、開罐、清洗、置換、去保溫和打磨等,程序復(fù)雜,而且要求停機(jī),耗時(shí)長、任務(wù)量大,且保溫層造價(jià)高,影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。在不打磨、不開罐情況下安全、高效、快捷、低成本進(jìn)行檢測(cè),并評(píng)估容器安全狀況逐漸成為趨勢(shì)。目前比較流行的檢測(cè)方法主要包括熱成像技術(shù)、脈沖渦流技術(shù)和聲發(fā)射等技術(shù),本文主要探討脈沖渦流與聲發(fā)射檢測(cè)在壓力容器檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用,在不拆保溫、不開罐情況下提高檢測(cè)效率,分別在線檢測(cè)壓力容器壁厚變化、腐蝕及活動(dòng)性缺陷等情況,從而評(píng)估其安全可靠性能,最大限度避免發(fā)生安全事故。

        1 脈沖渦流檢測(cè)

        脈沖渦流檢測(cè)(PEC),是一種通過脈沖電流通入激勵(lì)線圈,激發(fā)產(chǎn)生脈沖瞬變磁場(chǎng),通過電磁感應(yīng)使該磁場(chǎng)中的試件產(chǎn)生感生瞬時(shí)脈沖渦流,瞬時(shí)脈沖渦流通過感應(yīng)產(chǎn)生再生瞬時(shí)磁場(chǎng),最后再生瞬時(shí)磁場(chǎng)在檢測(cè)線圈上感應(yīng)出隨時(shí)間變化的瞬時(shí)感應(yīng)電壓信號(hào),通過此方法能夠方便快捷地檢測(cè)金屬試件中的缺陷,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的的無損檢測(cè)技術(shù)。脈沖渦流檢測(cè)無須停機(jī)、無須打磨防腐層、無須拆除包覆層、低成本、環(huán)保、安全可靠,使得該技術(shù)在帶包覆層壓力容器因腐蝕或侵蝕引起的壁厚減薄檢測(cè)方面具有安全可靠的優(yōu)勢(shì),在未來壓力容器、壓力管道和鍋爐等承壓設(shè)備無損檢測(cè)方面具有十分廣闊的發(fā)展前景。脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖1 所示。

        圖1 脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)原理

        脈沖渦流無損檢測(cè)系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、激勵(lì)線圈、數(shù)據(jù)采集卡和PC 機(jī)組成。與常規(guī)渦流檢測(cè)技術(shù)相比,脈沖禍流檢測(cè)具有諸多優(yōu)點(diǎn):①脈沖渦流信號(hào)激勵(lì)及響應(yīng)頻率范圍廣,穿透深度大,信息量豐富,方便缺陷識(shí)別和安全評(píng)估;②實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)磁場(chǎng)進(jìn)行時(shí)域的瞬態(tài)分析;③由于材料結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的噪聲信號(hào),可在測(cè)量結(jié)束后進(jìn)行處理和補(bǔ)償;④成本低,但檢測(cè)結(jié)果精確度高;⑤脈沖渦流采用脈沖信號(hào)激勵(lì),傳感器靈敏度高,設(shè)備滲透深度足夠深;⑥檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、速度快、效率高、安全可靠。隨著對(duì)脈沖渦流理論的深入研究及計(jì)算機(jī)科學(xué)信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展,脈沖渦流檢測(cè)的精準(zhǔn)性和實(shí)用性大大提高,相比于超聲檢測(cè),脈沖渦流檢測(cè)對(duì)于材料表面或近表面缺陷有著較高的檢出率,而且在材料腐蝕和壁厚測(cè)量方面也具有十分重要的意義。

        2 聲發(fā)射檢測(cè)

        金屬材料斷裂會(huì)釋放儲(chǔ)存能量,產(chǎn)生彈性波。聲發(fā)射檢測(cè)(AE),是聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波到達(dá)材料表面,引起可用聲發(fā)射傳感器探測(cè)的表面位移,探測(cè)器將材料的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),然后再被放大、處理和記錄。在材料加工、處理和使用過程中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、裂紋萌生與擴(kuò)展、斷裂、熱脹冷縮、承受載荷變化等都可能會(huì)引起內(nèi)應(yīng)力的變化,產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào),對(duì)感應(yīng)到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行綜合分析,推斷出材料產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的原因,進(jìn)而達(dá)到檢測(cè)目的。聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖2 所示。

        圖2 聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)原理

        聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)主要由聲發(fā)射源、傳感器、數(shù)字模塊(信號(hào)放大器)、信號(hào)采集與處理系統(tǒng)和記錄與顯示系統(tǒng)等部分組成。與其他無損檢測(cè)手段相比,聲發(fā)射檢測(cè)具備:①可以隨時(shí)進(jìn)行在線檢測(cè),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控檢測(cè)和結(jié)果評(píng)定;②對(duì)擴(kuò)展性缺陷具有很高靈敏度;③可對(duì)大型成套設(shè)備進(jìn)行整體性檢測(cè);④幾乎不受材料性能、組織及缺陷所處位置和方向的影響;⑤方法簡(jiǎn)單,費(fèi)用低,可以與其他試驗(yàn)同步進(jìn)行。實(shí)際檢測(cè)中,聲發(fā)射檢測(cè)常用來確定聲發(fā)射源位置,根據(jù)各個(gè)聲源的信號(hào)強(qiáng)度,分析判斷聲源的活動(dòng)性,實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)待檢設(shè)備的安全性。對(duì)于檢測(cè)過程中的超標(biāo)聲源,要用其它無損檢測(cè)方法進(jìn)行復(fù)檢,以確定缺陷的性質(zhì)、位置和大小。

        3 脈沖渦流與聲發(fā)射檢測(cè)在壓力容器全面檢驗(yàn)中的應(yīng)用

        3.1 脈沖渦流檢測(cè)在壓力容器全面檢驗(yàn)中的應(yīng)用

        脈沖渦流檢測(cè),是近年來在傳統(tǒng)渦流檢測(cè)基礎(chǔ)上新興起的電磁無損檢測(cè)技術(shù),具有成本低廉、安全可靠、綜合效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化特點(diǎn),能檢測(cè)出壓力容器中通孔和表面裂紋等缺陷,通常采用穿過式線圈來檢測(cè)通孔,扁平放置式線圈檢測(cè)表面裂紋。壓力容器大多使用鐵磁性材料,在不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度作用下會(huì)產(chǎn)生磁導(dǎo)率差異,必要時(shí)設(shè)置磁飽和裝置,對(duì)檢測(cè)區(qū)域施加強(qiáng)磁場(chǎng),使其磁導(dǎo)率趨于穩(wěn)定。

        脈沖渦流檢測(cè)結(jié)果反映探測(cè)區(qū)域的平均壁厚,通常受待檢設(shè)備及包覆層材質(zhì)、厚度和溫度等因素的影響。通過對(duì)某企業(yè)常減壓車間帶包覆層的待檢壓力容器和管道進(jìn)行檢測(cè),檢畢后用超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行復(fù)測(cè),對(duì)比分析檢測(cè)結(jié)果可知,雖然脈沖渦流檢測(cè)的結(jié)果存在一定誤差(±0.05 mm 以內(nèi)),且測(cè)得最厚區(qū)域位置不一致,但壁厚分布基本一致,尤其是壁厚較薄區(qū)域位置和超聲檢測(cè)結(jié)果基本一致,所以脈沖渦流檢測(cè)在壓力容器及管道壁厚減薄檢測(cè)應(yīng)用方面具有較高的實(shí)用性和可靠性[1]。壓力容器表面裂紋缺陷,通常采用磁粉或滲透檢測(cè),這兩種方法都要求對(duì)設(shè)備表面進(jìn)行打磨、去除保溫層和防腐層,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,成本高,且都無法進(jìn)行在線檢測(cè)。

        因此對(duì)有防腐層的容器,采用電流擾動(dòng)磁敏探頭的脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)焊縫表面裂紋,此項(xiàng)技術(shù)允許焊縫表面較為粗糙或帶有一定厚度的防腐層,可實(shí)現(xiàn)壓力容器焊縫外表面裂紋的快速在線檢測(cè),可疑部位進(jìn)行磁粉或滲透復(fù)驗(yàn),以確定缺陷的具體位置和大小[2]。

        3.2 聲發(fā)射檢測(cè)在壓力容器全面檢驗(yàn)中的應(yīng)用

        聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)最早起源于德國,在發(fā)達(dá)國家已得到廣泛應(yīng)用,我國在此領(lǐng)域雖然起步較晚,但是經(jīng)過科技研發(fā)人員的不斷努力,也已經(jīng)取得很大進(jìn)展。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)方法,可以檢測(cè)出長度小于0.01 mm 的裂紋擴(kuò)展,主要應(yīng)用于研究應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆,檢測(cè)馬氏體相變,評(píng)價(jià)表面化學(xué)熱處理滲層的脆性,以及監(jiān)測(cè)焊后裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展等[3]。在工業(yè)生產(chǎn)過程中,該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于壓力容器、鍋爐、管道等大型承壓設(shè)備的水壓試驗(yàn),檢測(cè)滲透和泄漏,以評(píng)定缺陷的危險(xiǎn)性等級(jí),也可連續(xù)監(jiān)測(cè)高壓承壓設(shè)備構(gòu)件的完整性,作出實(shí)時(shí)報(bào)警。

        聲發(fā)射檢測(cè)對(duì)線性缺陷十分靈敏,金屬試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn),當(dāng)應(yīng)力趨近于材料屈服強(qiáng)度時(shí),聲發(fā)射率快速升高,達(dá)到峰值后逐漸降低,這通常是材料內(nèi)部位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成的。如果被檢設(shè)備存在裂紋等缺陷,裂紋尖端處應(yīng)力集中,致使該部位更早進(jìn)入塑性變形區(qū)域而引發(fā)聲發(fā)射信號(hào),這為壓力容器檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋等危害性缺陷提供基礎(chǔ)[4]。對(duì)金屬試件進(jìn)行反復(fù)加載和卸載試驗(yàn)時(shí),人們發(fā)現(xiàn)加一次載荷使材料發(fā)出聲發(fā)射信號(hào)后撤銷載荷,第二次再加載荷不超過第一次應(yīng)力值時(shí),就沒有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生,這一現(xiàn)象被稱為“凱賽爾效應(yīng)”,常被用于壓力容器的全面檢驗(yàn)[5]。

        根據(jù)“凱賽爾效應(yīng)”,在用壓力容器運(yùn)行過程已承受過一定載荷,全面檢驗(yàn)時(shí)再進(jìn)行壓力試驗(yàn),如果試驗(yàn)壓力不超過運(yùn)行狀態(tài)下的最高工作壓力時(shí),則沒有聲發(fā)射信號(hào),此時(shí)可能造成缺陷的漏檢。因此在做壓力試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)壓力一定要高于正常運(yùn)行狀態(tài)下最高壓力才有可能避免缺陷漏檢。壓力容器在長期運(yùn)行過程中,受交變載荷作用易產(chǎn)生疲勞裂紋或應(yīng)力腐蝕裂紋等缺陷,此時(shí)如果加載較小的壓力載荷下就可以產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。因此,在壓力容器全面檢驗(yàn)過程中用聲發(fā)射檢測(cè)就能發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展信號(hào)[5]。

        4 結(jié)語

        隨著檢測(cè)技術(shù)手段不斷進(jìn)步,常規(guī)無損檢測(cè)已經(jīng)難以更好滿足檢測(cè)的需要,所以必須研究開發(fā)新的檢測(cè)手段來補(bǔ)充,對(duì)于帶保溫、防腐層或因生產(chǎn)工藝原因無法停車進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)的壓力容器,脈沖渦流與聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)與其他無損檢測(cè)相比,在金屬缺陷、應(yīng)力、熱成像檢測(cè)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[6],通過脈沖渦流檢測(cè)技術(shù),可以檢測(cè)壓力容器壁厚變化及腐蝕情況,聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù),可以檢測(cè)壓力容器活動(dòng)性缺陷變化情況,兩種檢測(cè)方法相互補(bǔ)充,可以大大提高檢測(cè)的全面性和精準(zhǔn)性,有助于進(jìn)一步提高檢驗(yàn)效率和降低檢驗(yàn)成本,保證在用壓力容器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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