趙冬冬，吳猛猛,2，明 岳，張文彬

(1.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266199；2.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100089；3.92196部隊(duì)，山東 青島 266005)

壓力容器是一種工業(yè)領(lǐng)域常用的設(shè)備，在石油化工、船舶工業(yè)、發(fā)電等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用[1]。其在艦船上同樣具有廣泛的應(yīng)用：用于保障艦船生命力的高壓氣系統(tǒng)中，利用高壓氣瓶?jī)?chǔ)存壓縮空氣，以便艦船浮起時(shí)吹除水柜中的水；用于為艦船提供能源的液壓系統(tǒng)中，利用高壓氣瓶向蓄能器供壓，以便向液壓用戶穩(wěn)定地提供液壓油；用于消防的化學(xué)滅火系統(tǒng)，利用壓力容器儲(chǔ)存具有一定壓力的滅火劑，以便失火時(shí)快速進(jìn)行化學(xué)滅火；用于魚水雷發(fā)射系統(tǒng)中，利用壓力容器儲(chǔ)存的高壓氣體將魚水雷推出發(fā)射管等。壓力容器的正常工作是保障艦船生命力、戰(zhàn)斗力和保障機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。由于艦船上的壓力容器具有較高的承壓能力，因此，一旦發(fā)生壓力容器泄漏，將對(duì)艦船生命力、船員人身安全及機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行帶來很大威脅。例如，當(dāng)儲(chǔ)存滅火劑的氣瓶發(fā)生微量泄漏時(shí)，不易被察覺，但有毒氣體釋放至密閉的艙內(nèi)達(dá)到一定濃度后，會(huì)對(duì)船員身體產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損害，甚至?xí)a(chǎn)生窒息危險(xiǎn)。船用壓力容器的泄漏檢測(cè)及在線監(jiān)測(cè)成為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

當(dāng)前船用壓力氣瓶狀態(tài)的實(shí)際檢測(cè)分為2種情況：①在日常使用階段，仍然采用傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方法，即在夜晚安靜工況下，在壓力容器上涂抹肥皂水，根據(jù)觀察氣泡及聽辨聲音來進(jìn)行管路檢測(cè)；②在進(jìn)廠維修及改換裝階段，利用超聲探傷儀、超聲測(cè)厚儀和磁粉探傷技術(shù)分別對(duì)壓力容器的焊縫內(nèi)部、容器厚度、焊縫表面及近表面進(jìn)行檢測(cè)。人工檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且只能對(duì)部分船內(nèi)容器進(jìn)行檢查；拆檢則需花費(fèi)大量的人力物力，經(jīng)濟(jì)性差且2種方法均無法實(shí)現(xiàn)對(duì)船用壓力容器的在線監(jiān)測(cè)，而聲發(fā)射技術(shù)將很好的解決這一問題。

1 壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)機(jī)理

材料中局域源能量快速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(AE)[2]。在固體材料中，聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生往往來源于材料內(nèi)應(yīng)力的變化。在材料的加工、處理和使用過程中，很多因素都會(huì)導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的變化，如材料的熱脹冷縮、裂紋的萌生與擴(kuò)展、外加負(fù)荷的變化等。以裂紋的產(chǎn)生為例，當(dāng)固體材料中裂紋在萌生階段，局部的應(yīng)力集中得到釋放，產(chǎn)生應(yīng)變能和應(yīng)力波。裂紋在擴(kuò)展和斷裂階段也會(huì)釋放應(yīng)變能并產(chǎn)生應(yīng)力波。當(dāng)應(yīng)力波傳播到達(dá)材料的表面后，引起表面位移。用于探測(cè)這種表面位移的聲發(fā)射傳感器探測(cè)到表面位移，通過探測(cè)器將這種機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)最終被系統(tǒng)放大、處理、記錄和顯示[3]，最終得出材料內(nèi)部聲發(fā)射源的特征參數(shù)與波形圖，整個(gè)流程便是聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的基本原理。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)基本原理示意圖如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)基本原理示意圖

隨著技術(shù)的發(fā)展，近年來另一類與斷裂機(jī)制無直接關(guān)系的彈性波源(如流體泄漏、摩擦、撞擊、燃燒等) 被稱為二次聲發(fā)射源[4]。壓力容器泄漏的聲發(fā)射信號(hào)就屬于二次聲發(fā)射源，它是由于壓力氣體在壓力容器的泄漏點(diǎn)泄漏時(shí)，壓力氣體撞擊容器壁或容器接口管材料所激發(fā)的彈性波，是一種連續(xù)型的聲發(fā)射信號(hào)。

2 基于聲發(fā)射的壓力容器泄漏檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的基本原理，本文設(shè)計(jì)了試驗(yàn)室條件下船用壓力容器的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，用于對(duì)船用壓力容器不同壓力、不同泄漏位置和不同泄漏量的聲場(chǎng)特性進(jìn)行檢測(cè)。

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)整體組成

檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。系統(tǒng)包含檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)和聲發(fā)射檢測(cè)裝置2部分。檢測(cè)臺(tái)包含高壓起源1個(gè)，采用終壓為3.0 MPa的空氣壓縮機(jī)；待檢測(cè)的船用壓力容器1個(gè)；減壓器、壓力表、流量計(jì)、消音器等檢測(cè)儀器儀表1批。聲發(fā)射檢測(cè)裝置采用某公司生產(chǎn)的聲發(fā)射檢測(cè)儀器1套。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖

2.2 檢測(cè)方案設(shè)置

在船用壓力容器的故障收集過程中發(fā)現(xiàn)，壓力容器的泄漏主要發(fā)生在氣瓶瓶口處，出現(xiàn)泄漏的主要原因?yàn)椋孩倨靠谔幾香~墊圈有裂紋或安裝過程中產(chǎn)生了壓痕或磨痕，四氟乙烯墊圈出現(xiàn)磨痕、老化；②瓶口螺紋接口處不密封；③螺帽松動(dòng)、氣瓶口附近閥件關(guān)閉不嚴(yán)；④瓶身腐蝕、固有缺陷擴(kuò)展等。

在這些泄漏現(xiàn)象中，瓶口處泄漏為最常見的泄漏方式，此外，也發(fā)生過瓶身蝕孔泄漏情況，檢測(cè)方案設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。圖3(a)為1號(hào)氣瓶檢測(cè)方案，在氣瓶未鉆孔情況下，進(jìn)行瓶口螺紋微量泄漏檢測(cè)，檢測(cè)完畢后恢復(fù)瓶口密封性，隨后在1號(hào)氣瓶瓶身鉆D0.5小孔，進(jìn)行瓶身泄漏檢測(cè)。圖3(b)為2號(hào)氣瓶檢測(cè)方案，在圖示位置鉆D1.0小孔，進(jìn)行瓶身泄漏檢測(cè)。

圖3中，壓縮機(jī)及儲(chǔ)氣罐作為氣源，儲(chǔ)氣罐的設(shè)置起到很好的保壓作用，便于2個(gè)待測(cè)氣瓶同壓力下不同測(cè)點(diǎn)的聲發(fā)射信號(hào)的采集。氣罐上設(shè)置有安全閥，防止壓縮機(jī)供氣壓力超過儲(chǔ)氣罐承壓，起到保護(hù)作用；在管路上設(shè)置有調(diào)壓閥，起到節(jié)流降壓的作用，用于調(diào)整測(cè)試壓力；調(diào)壓閥前后分別設(shè)有壓力表，用來觀察儲(chǔ)氣罐壓力及減壓后的壓力；管路上設(shè)有流量計(jì)，用于測(cè)量氣體泄漏量，檢測(cè)不同泄漏量時(shí)聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度；泄壓閥用于測(cè)試完畢后泄放氣瓶壓力，避免氣瓶長時(shí)間處于高壓下。

2.3 檢測(cè)平臺(tái)搭建

1)氣瓶泄漏檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)搭建。氣瓶泄漏檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖如圖4所示。試驗(yàn)臺(tái)中的待檢測(cè)氣瓶為船用壓力容器，在船上作為蓄能設(shè)備，用來儲(chǔ)存高壓空氣。試驗(yàn)中，先測(cè)試了完好氣瓶不同位置的聲發(fā)射信號(hào)，檢測(cè)該氣瓶固有聲發(fā)射特性。待無泄漏聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)完畢后，將1個(gè)待測(cè)氣瓶瓶口處接管螺紋進(jìn)行人為破壞，測(cè)試圖3(a)對(duì)應(yīng)聲發(fā)射信號(hào)，檢測(cè)完畢后更換瓶口接管，保證瓶口密封性。另分別在2個(gè)氣瓶上鉆D0.5和D1.0小孔，測(cè)試圖3(b)對(duì)應(yīng)泄漏信號(hào)。

圖3 檢測(cè)方案設(shè)計(jì)示意圖

圖4 氣瓶泄漏檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

2)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)搭建。本試驗(yàn)采用的檢測(cè)裝置為某公司聲發(fā)射檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀主要由聲發(fā)射傳感器、前置放大器、信號(hào)采集卡以及工控機(jī)等組成，聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示。聲發(fā)射檢測(cè)裝置的工作原理是通過聲發(fā)射傳感器將氣瓶泄漏時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過前置放大器將這一電信號(hào)放大后傳輸給檢測(cè)裝置的主處理器，經(jīng)處理、存儲(chǔ)后等待后續(xù)的信號(hào)分析處理和顯示。

圖5 聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)中對(duì)完好氣瓶進(jìn)行了無泄漏狀態(tài)下的聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集，作為氣瓶泄漏特性數(shù)據(jù)的比對(duì)數(shù)據(jù)。利用空壓機(jī)將氣瓶分別加壓至0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa，檢測(cè)得到無泄漏狀態(tài)下的平均信號(hào)電平(ASL)的時(shí)域圖及電源頻率圖。然后根據(jù)設(shè)計(jì)需要在2個(gè)氣瓶不同位置分別鉆孔(D0.5和D1.0)，對(duì)不同壓力下、不同泄漏位置和不同泄漏量下的聲場(chǎng)特性分別進(jìn)行了檢測(cè)，得到不同條件下船用壓力容器的泄漏聲場(chǎng)特性。取1.0 MPa和1.5 MPa壓力下、氣瓶無泄漏狀態(tài)與瓶口微量泄漏狀態(tài)下的聲發(fā)射特性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，不同壓力下無泄漏與瓶口微量泄漏時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)對(duì)比圖如圖6所示。

圖6 不同壓力下無泄漏與瓶口微量泄漏時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)對(duì)比圖

由圖6可知，在無泄漏狀態(tài)下，同一氣瓶同一檢測(cè)位置的聲發(fā)射信號(hào)ASL為固定值，不隨壓力變化而變化。通過大量試驗(yàn)表明，該值也不隨檢測(cè)位置變化而變化，即在無泄漏狀態(tài)下，壓力容器的ASL是固定值，不隨檢測(cè)位置和檢測(cè)壓力(該檢測(cè)壓力為不足以使氣瓶產(chǎn)生新裂紋或使固有裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展的壓力)變化而變化。當(dāng)壓力氣瓶出現(xiàn)微量泄漏時(shí)，其ASL幅度出現(xiàn)較為明顯的變化。

通過對(duì)該壓力容器進(jìn)行大量檢測(cè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期，該檢測(cè)平臺(tái)可以滿足對(duì)壓力容器的多種泄漏模式下的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)的檢測(cè)。

4 結(jié)束語

該檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)比較合理，能夠較好地反映出壓力容器的泄漏聲發(fā)射特性，從而驗(yàn)證了利用聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)船用壓力容器泄漏的可行性，同時(shí)檢測(cè)結(jié)果表明該裝置的檢測(cè)精度較高、結(jié)果準(zhǔn)確、適用性較好。下一步將在此基礎(chǔ)上開展實(shí)船壓力容器泄漏在線檢測(cè)試驗(yàn)，開發(fā)手持式壓力容器泄漏檢測(cè)儀器或在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這將對(duì)艦船壓力容器的完好性監(jiān)測(cè)和艦船的安全保障具有十分重要的意義。