徐海亮，馬斌，程康

淄博市特種設(shè)備檢驗研究院，山東淄博，255000

0 引言

大型壓力容器在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，當(dāng)大型壓力容易出現(xiàn)介質(zhì)泄漏問題時，會給生產(chǎn)人員造成較大傷害，污染周圍的生態(tài)環(huán)境。對此在大型壓力容器初期應(yīng)用階段，就必須注重容器的質(zhì)量檢驗。聲發(fā)射技術(shù)是較為常用的一種檢驗技術(shù)，其能通過接收聲發(fā)射信號完成大型壓力容器材料和構(gòu)件的動態(tài)化檢驗，整體檢驗效率高、檢驗結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確，通過檢驗，生產(chǎn)人員能準(zhǔn)確掌握大型壓力容器表面缺陷的類型、位置，然后結(jié)合實(shí)際情況對大型壓力容器進(jìn)行修補(bǔ)或更換處理，這保證了大型壓力容器應(yīng)用的安全性，滿足了現(xiàn)代工業(yè)安全生產(chǎn)需要。

1 大型壓力容器的危險性

作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中較為常用的一種承壓設(shè)備，大型壓力容器不僅在化肥、煉油、化工中有廣泛應(yīng)用，而且在農(nóng)藥、醫(yī)藥、有機(jī)合成等領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸增多。通常大型壓力容器被用來存儲氣體、液體等物質(zhì)，這些物質(zhì)多有易燃易爆的特點(diǎn)，而且腐蝕性特征較為突出，間接性地增加了大型壓力容器應(yīng)用的危險性。

一方面，大型壓力容器在使用中本身承受著較大的壓力，當(dāng)容器壓力標(biāo)準(zhǔn)值控制不當(dāng)時，容易引起容器爆炸等危險。另一方面，大型壓力容器的危險主要來源于容器內(nèi)部的介質(zhì)，當(dāng)大型壓力容器出現(xiàn)介質(zhì)泄漏或爆炸問題時，這些易燃易爆、有毒害腐蝕作用的物質(zhì)會給生產(chǎn)人員身體健康和生命安全造成較大影響，尤其當(dāng)大型壓力容器爆炸時，容器內(nèi)的物質(zhì)會釋放較大的內(nèi)能，這容易引起較大的沖擊波，對于生產(chǎn)現(xiàn)場的人員和設(shè)備具有較大傷害。另外，大型壓力容器介質(zhì)泄漏或爆炸問題會產(chǎn)生一系列的惡性連鎖反應(yīng)，引發(fā)較大的安全事故；故而在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)積極開展大型壓力容器的檢驗工作，創(chuàng)造良好的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境[1]。

2 聲發(fā)射技術(shù)原理及在大型壓力容器檢驗中的步驟優(yōu)勢

2.1 檢驗原理

在容器檢驗實(shí)踐中，聲發(fā)射技術(shù)能通過聲發(fā)射源發(fā)射彈性波，彈性波到達(dá)大型壓力容器材料表面是存在一定的波形位移現(xiàn)象，此時通過檢驗傳感器捕捉這些信號，并將信號轉(zhuǎn)化為電信號和數(shù)字符號，即可實(shí)現(xiàn)大型壓力容器損傷狀況的系統(tǒng)檢驗。從聲發(fā)射技術(shù)檢驗過程來看，其通過內(nèi)力和外荷載作用，使得材料中的能力得到快速釋放，由此產(chǎn)生一定的瞬態(tài)彈性波現(xiàn)象，通過傳感器捕捉瞬態(tài)彈性波現(xiàn)象，并對這些信號進(jìn)行放大、處理、分析和記錄，即可實(shí)現(xiàn)大型壓力容器缺陷類型、位置的準(zhǔn)確判斷[2]。

2.2 檢驗步驟

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中對于大型壓力容器的使用要求不斷提升，聲發(fā)射技術(shù)在大型壓力容器檢驗中得到了廣泛應(yīng)用，且檢驗技術(shù)的具體應(yīng)用步驟已經(jīng)逐步規(guī)范?，F(xiàn)階段，大型壓力容器聲發(fā)射檢驗步驟包括：首先在檢驗初期階段，工作人員需要做好大型壓力容器停產(chǎn)倒空準(zhǔn)備，這樣能在不開罐的情況下，完成耐壓力檢驗和聲發(fā)射檢驗，分析聲發(fā)射檢驗結(jié)果可實(shí)現(xiàn)活性聲發(fā)射源部件的有效確定。其次應(yīng)利用其他技術(shù)進(jìn)行大型壓力容器的復(fù)查，常用的復(fù)查技術(shù)包括滲透、射線以及超聲波等方式，在復(fù)查操作中，應(yīng)重點(diǎn)做好聲發(fā)射源部件的復(fù)查，這樣能在排除干擾聲的情況下，實(shí)現(xiàn)大型壓力容器活動缺陷的準(zhǔn)確把控。完成大型壓力容器發(fā)射源部件復(fù)查后，需采用磁粉檢驗的方式對容器焊接處的內(nèi)部面進(jìn)行檢查，這樣才能在保證大型壓力容器檢驗全面性的基礎(chǔ)上，排除聲發(fā)射檢驗階段不活動的表現(xiàn)裂紋。同時完成上述操作后，還應(yīng)在超聲波技術(shù)的支持下，確定大型壓力容器的壁厚是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，評定聲發(fā)射技術(shù)檢驗中發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)缺陷，有效地發(fā)現(xiàn)超標(biāo)的非活動性缺陷并及時對其進(jìn)行處理。最需要對聲發(fā)射檢驗結(jié)構(gòu)和其他檢驗結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計對比，形成完整的檢驗報告，評定出受檢大型壓力容器的安全等級。

2.3 檢驗優(yōu)勢

借助聲發(fā)射技術(shù)開展無損檢驗已經(jīng)成為新時期大型壓力容器檢驗的內(nèi)在要求[3]。對比傳統(tǒng)的減壓方式，聲發(fā)射檢驗技術(shù)的應(yīng)用具有無可比擬的優(yōu)勢。一方面，在過去開展大型壓力容器檢驗時，生產(chǎn)單位往往需要停工停產(chǎn)來避免對檢測方法應(yīng)用造成影響，保證檢驗效率和安全性。使用聲發(fā)射技術(shù)開展大型壓力容器檢驗時，整個檢驗過程不需要停止生產(chǎn)，且檢驗結(jié)果受容器內(nèi)介質(zhì)的影響較小，具有較高的效率性和安全性。另一方面，活性缺陷檢驗是大型壓力容器檢驗的難點(diǎn)所在，這是因為傳統(tǒng)的檢驗方式容易對容器本身造成影響；但是使用聲發(fā)射檢驗技術(shù)能有效消除這一缺陷。即在大型壓力容器檢驗中，通過一次布置好探頭和加載操作，能完成大型壓力容器活性缺陷的系統(tǒng)檢測，這對于大型壓力容器的安全使用和管理具有積極作用，有助于提升工業(yè)生產(chǎn)的整體效益。此外工業(yè)生產(chǎn)工況差異性較大，這使得大型壓力容器的應(yīng)用也有較大的區(qū)別，即在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛存在一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型壓力容器。此時通過聲發(fā)射檢驗技術(shù)開展大型壓力容器檢驗，能有效滿足異形結(jié)構(gòu)大型壓力容器的檢驗需要，這對于容器缺陷位置定位、活性和強(qiáng)度確定具有積極作用，有效地提升了大型壓力容器檢驗的整體水平，滿足了工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要。

3 大型壓力容器檢驗中聲發(fā)射源產(chǎn)生的原因

3.1 塑性變形

外力作用會使得大型容器的材料產(chǎn)生一定的應(yīng)力變形問題，并且這種變形會隨著應(yīng)力的增大而變大。在不超過材料彈性極限的情況下，通過控制、消除對大型壓力容器施加的應(yīng)力，則大型壓力容器會逐步恢復(fù)到原來的狀態(tài)。要注意的是，在大型壓力容器彈性變形過程中，若施加的壓力值較大，且已經(jīng)明顯超過了材料的彈性極限，則即便消除了材料的外力作用，發(fā)生塑性變形的大型壓力容器也很難恢復(fù)到最初的狀態(tài)。研究表明，大型壓力容器材料的塑性變形是聲發(fā)射源產(chǎn)生的重要原因，具體表現(xiàn)為：大型壓力容器在變形過程中，材料變形的屈服點(diǎn)附近會出現(xiàn)聲發(fā)射源的密集計數(shù)，此時通過聲發(fā)射技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)這些聲發(fā)射源的有效檢測，進(jìn)而準(zhǔn)確掌握大型壓力容器的受力情況和變形情況，確定大型壓力容器的缺陷部位，為后期大型壓力容器的檢修提供指導(dǎo)。

3.2 大型壓力容器裂紋

工業(yè)生產(chǎn)過程中，大型壓力容器的應(yīng)用環(huán)境較為復(fù)雜，這樣在長時間的使用過程中，大型壓力容器會產(chǎn)生一定的裂紋，這些容器裂紋的產(chǎn)生與多種因素有關(guān)，常見影響因素不僅包含應(yīng)力集中、受熱不均勻，而且涉及腐蝕、溫度、應(yīng)力作用，此外一些大型壓力容器初期焊接不規(guī)范，這使得容器在后期施工中容易出現(xiàn)一定的焊縫裂紋和疲勞裂紋，降低了大型壓力容器的整體應(yīng)用效果。大型容器產(chǎn)生裂紋后，這些裂紋隨著時間的延續(xù)會逐漸拓展，在此過程容器會產(chǎn)生一定的聲發(fā)射信號。大型壓力容器的裂紋拓展本質(zhì)上是一種應(yīng)力釋放，在聲發(fā)射檢驗技術(shù)的支撐下，可精準(zhǔn)獲取大型壓力容器裂紋擴(kuò)展中所釋放聲信號[4]。一般大型壓力容器裂紋的擴(kuò)展需要經(jīng)歷一個由慢到快的過程，即裂紋較小時，其擴(kuò)展的速度較慢，這使得聲發(fā)射技術(shù)檢測到的信號較弱；但是隨著裂紋的增加，其擴(kuò)展速度、聲音信號強(qiáng)度均會有所增大。裂紋拓展超過材料界限時，大型壓力容器會發(fā)生斷裂問題?；谶@一特征，在大型壓力容器使用過程中，應(yīng)通過聲發(fā)射技術(shù)準(zhǔn)確檢測大型壓力容器斷裂問題，確定大型壓力容器裂紋的位置和擴(kuò)展趨勢，這樣能為大型壓力容器的安全使用創(chuàng)造良好條件，提升大型壓力容器的綜合應(yīng)用效果。

3.3 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)生斷裂

現(xiàn)代工業(yè)體系下，工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境愈發(fā)負(fù)載，人們對于大型壓力容器生產(chǎn)應(yīng)用的控制也更加嚴(yán)格。在大型壓力容器生產(chǎn)中，為保證大型壓力容器的整體應(yīng)用效果，越來越多大型壓力容器中使用了一定的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。將這些材料與基體材料混合在一起，并對混合料進(jìn)行纏繞、模壓、拉伸等技術(shù)處理，能形成全新的復(fù)合材料。將這種復(fù)合材料應(yīng)用到大型壓力容器生產(chǎn)中，能有效提升大型壓力容器材料性能，提升大型壓力容器的應(yīng)用效果。但是不可否認(rèn)的是，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用中還容易因受力拉伸而損壞，基體開裂、纖維斷裂是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料破壞的兩種基本形式，除此之外，在大型壓力容器應(yīng)用中，機(jī)體和纖維還會出現(xiàn)脫膠現(xiàn)象，這些變化過程均存在一定的聲發(fā)射源。在大型壓力容器檢驗中，借助聲發(fā)射技術(shù)檢驗這些聲發(fā)射源信號，能有效地發(fā)現(xiàn)大型壓力容器的缺陷部位，這對于大型壓力容器后期檢修具有積極作用。

4 大型壓力容器檢驗中聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

4.1 科學(xué)選擇檢驗儀器

大型壓力容器檢驗需要先進(jìn)的儀器設(shè)備作為支撐，在大型壓力容器檢驗初期階段，科學(xué)合理地落實(shí)檢驗儀器選擇工作，能從源頭上為聲發(fā)射檢驗技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造良好條件。新時期，針對大型壓力容器檢驗儀器設(shè)備的選擇應(yīng)用應(yīng)考慮以下內(nèi)容：一方面，掌握大型壓力容器應(yīng)用特征是聲發(fā)射檢驗設(shè)備選擇應(yīng)用的基礎(chǔ)，對此在檢驗設(shè)備選擇中，應(yīng)系統(tǒng)考慮大型壓力設(shè)備的結(jié)構(gòu)特征和應(yīng)用環(huán)境特征，然后結(jié)合實(shí)際情況選擇具有較高適用性、精準(zhǔn)性和智能化特征的聲發(fā)射檢驗儀器設(shè)備，滿足聲發(fā)射檢驗中數(shù)據(jù)分析和波形展現(xiàn)的實(shí)際需要。另一方面，開展聲發(fā)射檢驗必須準(zhǔn)確獲取聲發(fā)射源能量釋放中所產(chǎn)生的波形，故而在聲發(fā)射檢驗儀器選擇中，應(yīng)盡可能地選擇擁有先進(jìn)波形采集能力的設(shè)備，并且該設(shè)備應(yīng)能完成采集信號的系統(tǒng)分析和處理，并且通過信號分析結(jié)果，應(yīng)能準(zhǔn)確定位大型壓力容器缺陷的位置，為后期的容器檢修提供參考。另外完成聲發(fā)射檢驗儀器設(shè)備選擇后，還應(yīng)結(jié)合工程的需要，對檢測儀器設(shè)備進(jìn)行參數(shù)出優(yōu)化，這樣通過儀器參數(shù)條件的控制，能有效發(fā)揮設(shè)備定位、定量檢驗的優(yōu)勢，確保聲發(fā)射檢驗的精準(zhǔn)性。

4.2 規(guī)范布置聲發(fā)射檢驗傳感器

利用聲發(fā)射技術(shù)開展大型壓力容器檢驗時，工作人員會在大型壓力容器的周圍布置一定的聲信號檢測傳感器，這些傳感器能獲取大型壓力容器表面形變信號，對這些信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化和分析處理，能為大型壓力容器故障類型、位置的確定提供參數(shù)支撐?；谶@一規(guī)律特征，科學(xué)布置聲發(fā)射信號捕捉傳感器已經(jīng)成為大型壓力容器聲發(fā)射檢驗的內(nèi)在要求。在聲發(fā)射檢驗傳感器布置階段，首先工作人員需要對大型壓力容器的形狀、容器進(jìn)行準(zhǔn)確分析，結(jié)合實(shí)際情況科學(xué)設(shè)計傳感器的布置位置、布置數(shù)量，同時應(yīng)考慮聲發(fā)射儀通道數(shù)量的控制，這樣能較為快速、準(zhǔn)確地獲取聲發(fā)射檢測中的大型壓力容器表面形變信號。其次工作人員可按照隨意擺放的原則完成傳感器位置的初步設(shè)計，隨后還應(yīng)在相關(guān)軟件的支撐下，結(jié)合大型壓力容器的體積、焊縫結(jié)構(gòu)等參數(shù)，對大型壓力容器檢驗傳感器的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，形成較為完整、合理的傳感器布置圖。最后在傳感器布置中，應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，盡可能地將其布置中在常見的缺陷周圍。如大型壓力傳感器應(yīng)用中，其焊縫部位容易出現(xiàn)泄漏等缺陷，影響了傳感器的應(yīng)用效果，對此利用聲發(fā)射技術(shù)開展大型壓力容器檢測工作時，就應(yīng)盡可能地按照三角型布置的方式，將傳感器設(shè)置在靠近焊縫的位置，實(shí)現(xiàn)容器缺陷的準(zhǔn)確判斷[5]。

4.3 實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化的加載測試

加載測試是聲發(fā)射檢驗中極為重要的一個環(huán)節(jié)，其能在不影響工況的情況下更加貼合實(shí)際地完成大型壓力容器的檢驗，提升大型壓力容器的適用性。在大型壓力容器加載實(shí)驗中，一方面，應(yīng)嚴(yán)格按照逐步加載的要求完成加載實(shí)驗操作，另一方面，在加載實(shí)驗操作中，還需要重視水壓荷載與容器承載能力的控制。譬如在球形大型壓力容器聲發(fā)射檢驗中，先需要進(jìn)行水壓實(shí)驗，這樣在掌握水壓荷載的情況下，結(jié)合球形大型壓力容器的設(shè)計壓力，可知曉水壓的實(shí)驗值。隨后在后續(xù)的加壓和保壓過程中，測試人員可較為準(zhǔn)確地發(fā)射信號。

4.4 容器缺陷定位、定量確定

大型壓力容器聲發(fā)射檢驗中，檢驗設(shè)備本身具有智能性的特點(diǎn)，其能通過多個傳感器的應(yīng)用，快速地完成聲發(fā)射源信號的捕獲，隨后在系統(tǒng)軟件的支撐下，完成檢驗數(shù)據(jù)的傳輸、分析和結(jié)果顯示。為進(jìn)一步提升大型壓力容器聲發(fā)射檢驗的效率和精度，在實(shí)際檢驗中還應(yīng)開展容器缺陷的定位、定量控制。一方面，利用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行大型壓力容器檢驗時，應(yīng)系統(tǒng)分析傳感器收集的電信號數(shù)據(jù)，達(dá)到確定大型壓力容器的缺陷位置的目的。另一方面，在傳感器收集電信號分析處理中，應(yīng)注重相關(guān)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，這樣不僅能了解大型壓力容器的缺陷類型，而且能了解具體缺陷的危害程度，掌握這些缺陷形成的原因。此外，聲發(fā)射檢驗中，一旦確定大型壓力容器缺陷位置、類型、危害程度和形成原因，還應(yīng)科學(xué)設(shè)計缺陷處理方案，系統(tǒng)消除這些大型壓力容器的缺陷，提升大型壓力容器的應(yīng)用效果。

5 大型壓力容器檢驗中聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

某企業(yè)生產(chǎn)中需要消耗大量的氣態(tài)原料，在現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)下，該企業(yè)通過大型壓力容器存放這些氣態(tài)介質(zhì)。但是在長期使用中，受作業(yè)環(huán)境負(fù)載、材料老化、壓力作用等因素的影響，本企業(yè)所使用的大型壓力容器存在介質(zhì)泄漏問題，這嚴(yán)重地影響了本企業(yè)生產(chǎn)的安全性，并且給生產(chǎn)人員人身安全和周圍的環(huán)境造成較大影響。對此本企業(yè)在不影響生產(chǎn)的情況下，采用了聲發(fā)射技術(shù)開展大型壓力容器檢驗工作，并對檢驗中所發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行處理，確保了企業(yè)生產(chǎn)的安全性。

本企業(yè)大型壓力容器檢驗中，針對聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用注重以下要點(diǎn)控制：其一，在檢測初期進(jìn)行大型壓力容器外觀檢查，發(fā)現(xiàn)本企業(yè)部分大型壓力容器中存在微觀裂縫拓展問題，并結(jié)合裂紋發(fā)生的位置和幾何形狀，把裂紋分為深埋裂紋、表面裂紋和穿透裂紋三類。其二，初步分析這些微觀裂紋產(chǎn)生原因，經(jīng)分析，除外部載荷、環(huán)境和內(nèi)部介質(zhì)外，長期服役、腐蝕疲勞損傷也有可能是造成本企業(yè)大型壓力容器損傷的重要原因。其三，企業(yè)利用聲發(fā)射技術(shù)開展裂縫的精準(zhǔn)檢驗，該環(huán)節(jié)中，工作人員按照檢驗儀器選擇、傳感器布置、加載測試、定位與定量確定的順序繼續(xù)檢驗，重點(diǎn)在大型壓力容器焊縫附近布置傳感器，然后利用計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行收集信號的轉(zhuǎn)化處理和分析，確定本企業(yè)多數(shù)容器處于亞臨界裂紋擴(kuò)展階段。其四，本企業(yè)對處于亞臨界裂紋擴(kuò)展階段的裂紋進(jìn)行修復(fù)，同時更換裂紋處于快速擴(kuò)展的容器，有效保證了生產(chǎn)的安全性。

6 結(jié)語

科學(xué)使用聲發(fā)射檢驗技術(shù)，能較為快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)大型壓力容器應(yīng)用的缺陷類型、缺陷部位，按照工業(yè)生產(chǎn)需要合理解決這些缺陷，能有效保證大型壓力容器應(yīng)用的安全性?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)模式下，人們只有深刻認(rèn)識到大型壓力容器應(yīng)用的危險性，掌握聲發(fā)射檢驗技術(shù)的應(yīng)用原理、流程和優(yōu)勢，并在深層次分析聲發(fā)射源產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，結(jié)合工業(yè)設(shè)計深化聲發(fā)射檢驗技術(shù)的系統(tǒng)使用，這樣才能提升聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用水平，保證大型壓力容器應(yīng)用效果，進(jìn)而滿足工業(yè)生產(chǎn)需要，推動現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)業(yè)持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展。