聲發(fā)射技術(shù)在壓力容器檢測(cè)中的應(yīng)用

1、聲發(fā)射技術(shù)在壓力容器檢測(cè)中的應(yīng)用 【摘 要】壓力容器被廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)，由于它是一種具有爆炸危險(xiǎn)的特種承壓設(shè)備，因此，它比一般機(jī)械設(shè)備有更高的安全要求。而檢驗(yàn)是壓力容器安全管理的重要環(huán)節(jié)，為此本文結(jié)合壓力容器的特性，介紹了聲發(fā)技術(shù)在壓力容器檢測(cè)中的應(yīng)用，并對(duì)其檢測(cè)原理、檢測(cè)系統(tǒng)及在國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀加以闡述，可供檢測(cè)人員參考。 【關(guān)鍵詞】壓力容器；檢測(cè)；聲發(fā)射；原理；檢測(cè)系統(tǒng)；現(xiàn)狀 壓力容器主要應(yīng)用于石油、化工等行業(yè)，由于壓力容器盛裝的是易燃或有毒介質(zhì)，長(zhǎng)期承受高溫和壓力，因此，壓力容器也是危險(xiǎn)性較高的特種設(shè)備。一旦發(fā)生爆炸或泄漏，往往 并發(fā)火災(zāi)和中毒等災(zāi)難性事故，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，給社會(huì)經(jīng)

2、濟(jì)、生產(chǎn)和人民生活帶來損失和危害，直接影響社會(huì)安定。為了避免和減少壓力容器失效事故的發(fā)生，最有效的措施就是對(duì)壓力容器進(jìn)行檢測(cè)。 1.壓力容器的危險(xiǎn)性 壓力容器是一種可能引起爆炸或中毒等危害性較大事故的特種設(shè)備，當(dāng)設(shè)備發(fā)生破壞或爆炸時(shí)，設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)迅速膨脹、釋放出極大的內(nèi)能，這些能量不僅使設(shè)備本身遭到破壞，瞬間釋放的巨大能量還將產(chǎn)生沖擊波，使周圍的設(shè)施和建筑遭到破壞，危及人員生命安全。如果設(shè)備內(nèi)盛裝的是易燃或有毒介質(zhì)，一旦突然發(fā)生爆炸，將會(huì)造成惡性的連鎖反應(yīng)，后果不堪設(shè)想。所以壓力容器比一般機(jī)械設(shè)備有更高的安全要求。 2.壓力容器的檢測(cè) 壓力容器檢驗(yàn)的目的就是防止壓力容器失效事故，特別是危害最嚴(yán)

3、重的破裂事故發(fā)生，因此在某種程度上可以說，壓力容器檢驗(yàn)的實(shí)質(zhì)就是失效的預(yù)測(cè)和預(yù)防。檢驗(yàn)是壓力容器安全管理的重要環(huán)節(jié)。按工作性質(zhì)，壓力容器檢驗(yàn)可分為產(chǎn)品安全質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)和在用檢驗(yàn)兩大類。安全質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)的任務(wù)是保證壓力容器產(chǎn)品質(zhì)量。產(chǎn)品質(zhì)量是安全的基礎(chǔ)，是保證壓力容器安全投入運(yùn)行、發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益的先決條件。壓力容器產(chǎn)品質(zhì)量的任何失控都可能產(chǎn)生安全隱患和發(fā)生事故，給使用管理帶來麻煩，甚至導(dǎo)致容器過早失效和報(bào)廢。在用檢驗(yàn)是指壓力容器使用期間的定期檢驗(yàn)，它是保證設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行和安全生產(chǎn)的有力措施。通過定期檢驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)使用中壓力容器的新生缺陷，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果重新確定其安全狀況等級(jí)以決定繼續(xù)使用、監(jiān)控使用、修

4、復(fù)后使用或判廢。為了確保壓力容器安全運(yùn)行，各國(guó)對(duì)壓力容器均采用運(yùn)行期間的定期檢驗(yàn)制度。 3.聲發(fā)技術(shù)原理及檢測(cè)系統(tǒng) 材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象，大多數(shù)材料變形和斷裂時(shí)均伴有聲發(fā)射，但許多材料的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度很弱，人耳不能直接聽見，需要借助靈敏的電子儀器才能檢測(cè)出來。用儀器探測(cè)、記錄和分析聲發(fā)射信號(hào)以及利用聲發(fā)射信號(hào)推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)。 3.1 聲發(fā)射技術(shù)概念 聲發(fā)射技術(shù)，是一種新興的動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)技術(shù)，其涉及聲發(fā)射源、波的傳播、聲電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)顯示與記錄、解釋與評(píng)定等基本概念。 壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)的主要任務(wù)是：確定

5、聲發(fā)射源的部位；分析聲發(fā)射源的性質(zhì)；確定聲發(fā)射發(fā)生的時(shí)間或載荷；評(píng)定聲發(fā)射源的嚴(yán)重性。一般而言，對(duì)超標(biāo)聲發(fā)射源，要用其它無損檢測(cè)方法進(jìn)行局部復(fù)檢，以準(zhǔn)確確定缺陷的性質(zhì)與大小。 3.2 聲發(fā)技術(shù)的特點(diǎn) 與其它無損檢測(cè)方法相比，聲發(fā)射技術(shù)具有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：檢測(cè)動(dòng)態(tài)缺陷，而不是檢測(cè)靜態(tài)缺陷，如缺陷擴(kuò)展；缺陷本身發(fā)出缺陷信息，而不是用外部輸入對(duì)缺陷進(jìn)行掃查。這使得該技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)和局限性。 3.2.1 優(yōu)點(diǎn) （1）可檢測(cè)對(duì)結(jié)構(gòu)安全更為有害的活動(dòng)性缺陷。由于提供缺陷在應(yīng)力作用下的動(dòng)態(tài)信息，適于評(píng)價(jià)缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際有害程度；（2）對(duì)大型構(gòu)件，可提供整體或大范圍的快速檢測(cè)。由于不必進(jìn)行繁雜的掃查操作，而

6、只要布置好足夠數(shù)量的傳感器，經(jīng)一次加載或試驗(yàn)過程，就可確定缺陷的部位，從而易于提高檢測(cè)效率；（3）可提供缺陷隨載荷、時(shí)間、溫度等外變量而變化的實(shí)時(shí)或連續(xù)信息，因而適用于工業(yè)過程在線監(jiān)控及早期或臨近破壞預(yù)報(bào)；（4）由于對(duì)被檢件的接近要求不高，因而適用于其它方法難于或不能接近環(huán)境下的檢測(cè)，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及極毒等環(huán)境；（5）由于對(duì)構(gòu)件的幾何形狀不敏感，因而適用于檢測(cè)其它方法受到限制的形狀復(fù)雜的構(gòu)件。 3.2.2 局限性 （1）聲發(fā)射特性對(duì)材料甚為敏感，又易受到機(jī)電噪聲的干擾，因而，對(duì)數(shù)據(jù)的解釋需要有更為豐富的數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)。（2）聲發(fā)射檢測(cè)一般需要適當(dāng)?shù)募虞d程序。多數(shù)況下，可利

7、用現(xiàn)成的加載條件，但有時(shí)還需要特別準(zhǔn)備。（3）聲發(fā)射檢測(cè)所發(fā)現(xiàn)缺陷的定性定量，有時(shí)仍需依賴于其它無損檢測(cè)方法。由于上述特點(diǎn)，現(xiàn)階段聲發(fā)射技術(shù)主要用于：其它方法難以或不能適用的對(duì)象與環(huán)境；重要構(gòu)件的綜合評(píng)價(jià)；與安全性和經(jīng)濟(jì)性關(guān)系重大的對(duì)象。因此，聲發(fā)射技術(shù)不是替代傳統(tǒng)檢測(cè)的方法，而是一種新的補(bǔ)充手段。 3.3 凱賽爾效應(yīng)和費(fèi)利西蒂比 凱賽爾效應(yīng)和費(fèi)利西蒂比是壓力容器檢驗(yàn)中應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)的重要依據(jù)。 3.3.1 凱賽爾效應(yīng) 材料的受載歷史，對(duì)重復(fù)加載聲發(fā)射特性有重要影響。重復(fù)載荷到達(dá)原先所加最大載荷前不發(fā)生明顯聲發(fā)射，這種聲擊到達(dá)傳感器的次序，逐個(gè)供給主機(jī)并存于硬盤。由于采用全局定時(shí)法，在每個(gè)通道

8、的每個(gè)波擊的數(shù)據(jù)集中，都包含著精度為0.25 抖s 的到達(dá)傳感器的絕對(duì)時(shí)間，而不是時(shí)差。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為檢測(cè)人員事后任意選擇其它定位軟件提供了機(jī)會(huì)。 主計(jì)算機(jī)，可采用ibm 兼容機(jī)，在各種軟件的支持下，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或事后的分析與顯示。軟件的功能有：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，包括條件設(shè)置、轉(zhuǎn)存和顯示方式選擇；源定位，包括一維、二維定位及事件集中區(qū)顯示；事后分析，含有數(shù)據(jù)濾波和編程功能；三維圖顯示；在附件支持下的波型記錄與譜分析。常用顯示方式有歷程圖、分布圖、關(guān)系圖、定位圖和數(shù)據(jù)列表。全數(shù)字式多通道聲發(fā)射系統(tǒng)。隨數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，全數(shù)字式多功能聲發(fā)射系統(tǒng)的開發(fā)成為近年的新趨勢(shì)。其最大特點(diǎn)是經(jīng)前置放大的信號(hào)

9、不必再經(jīng)過一系列模擬電路的處理發(fā)射技術(shù)中有著重要用途，包括：在役構(gòu)件新生裂紋的定期過載聲發(fā)射檢測(cè)；構(gòu)件原先所受最大應(yīng)力的推定；疲勞裂紋起始與擴(kuò)展聲發(fā)射檢測(cè)；通過預(yù)載措施消除噪聲干擾；加載過程中常見可逆性摩擦噪聲的鑒別。 3.3.2 費(fèi)利西蒂效應(yīng)和費(fèi)利西蒂比 材料重復(fù)加載時(shí)，重復(fù)載荷到達(dá)原先所加最大載荷前發(fā)生明顯聲發(fā)射的現(xiàn)象，稱為費(fèi)利西蒂效應(yīng)，也可認(rèn)為是反凱賽爾效應(yīng)。重復(fù)加載時(shí)的聲發(fā)射起始載荷（pae）對(duì)原先所加最大載荷（pma）之比（pae/pmax），稱為費(fèi)利西蒂比。費(fèi)利西蒂比作為一種定量參數(shù)，較好地反映材料中原先所受損傷或結(jié)構(gòu)缺陷的嚴(yán)重程度，已成為缺陷嚴(yán)重性的重要評(píng)定判據(jù)。樹脂基復(fù)合材料等

10、粘彈性材料，由于具有應(yīng)變對(duì)應(yīng)力的遲后效應(yīng)而使其應(yīng)用更為有效。費(fèi)利西蒂比大于1表示凱賽爾效應(yīng)成立，而小于1則表示不成立。在一些復(fù)合材料構(gòu)件中，費(fèi)利西蒂比小于0.95作為聲發(fā)射源超標(biāo)的重要判據(jù)。 3.4 聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng) 60年代末，首臺(tái)聲發(fā)射商品儀器問世以來，已更新?lián)Q代多次，在結(jié)構(gòu)、功能、數(shù)字化程度和價(jià)格上均有較大差異。一般可分為功能單一的單通道型（或雙通道型）、多通道多功能的通用型和工業(yè)專用型。 （1）單通道聲發(fā)射儀，一般由傳感器、前置放大器、主放大器、信號(hào)參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)分析、記錄與顯示等基本單元構(gòu)成。傳感器的輸出信號(hào)，經(jīng)前置放大器放大，濾波器頻率鑒別，主放大器進(jìn)一步放大，門檻電路探測(cè)、測(cè)量單元

11、提取信號(hào)特性參數(shù)，分析單元運(yùn)算，最后輸出到記錄與顯示單元。特性參數(shù)的測(cè)量、分析和顯示，隨檢測(cè)儀的類型有很大差異。例如，最早期的單通道儀器，主放大器的輸出信號(hào)，經(jīng)門檻比較電路形成振鈴計(jì)數(shù)脈沖，再經(jīng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)及數(shù)模轉(zhuǎn)換，便供x-y記錄儀記錄.這類最簡(jiǎn)單的類型已被淘汰，逐步為多參數(shù)測(cè)量電路所取代。 （2）多通道聲發(fā)射系統(tǒng)。隨微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用從早期源定位計(jì)算，相繼擴(kuò)展到數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析和顯示等更為完善的功能。與此同時(shí)，信號(hào)處理，從計(jì)數(shù)類參數(shù)的測(cè)量發(fā)展到事件或波擊參數(shù)類的測(cè)量與分析，并在數(shù)字化程度、實(shí)時(shí)性、精確性、綜合性、通用性方面均有了很大進(jìn)展。國(guó)內(nèi)，目前采用的機(jī)型包括以下兩種：微機(jī)控制式多

12、通道系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多處理器并行處理結(jié)構(gòu)，由高速采集用獨(dú)立通道控制器、協(xié)調(diào)用總通道控制器、數(shù)據(jù)分析用主機(jī)算機(jī)構(gòu)成。獨(dú)立通道控制器，分別控制著兩個(gè)獨(dú)立信號(hào)通道，進(jìn)行波擊參數(shù)組的測(cè)量，包括波擊與振鈴計(jì)數(shù)、能量、幅度、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間、有效值電壓、平均信號(hào)電平和到達(dá)時(shí)間等常規(guī)參數(shù)，并快速存儲(chǔ)于大容量輸出緩沖器。緩沖器在前端高速測(cè)量與后續(xù)低速主處理器之間提供速率匹配，以防止主機(jī)丟失高頻度信號(hào)數(shù)據(jù)。由于采用并行處理結(jié)構(gòu)，在不降低采集速度的情況下，可擴(kuò)展達(dá)數(shù)十個(gè)檢測(cè)通道，原理上可擴(kuò)展達(dá)128個(gè)通道。 總通道控制器，具有容量更大的緩沖器，并在前端與主機(jī)之間起著協(xié)調(diào)作用，它將所讀波擊參數(shù)組和外變量，以每個(gè)波而是直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，同時(shí)進(jìn)行常規(guī)特性參數(shù)提取與波形記錄。這不僅改善了電路的穩(wěn)定性和可靠性，而且大大強(qiáng)化了系統(tǒng)信號(hào)處理能力。德國(guó)val1en公司、美國(guó)pac公司目前生產(chǎn)的全數(shù)字式多通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)在世界上居領(lǐng)先地位，技術(shù)先進(jìn)、功能完善。 4.結(jié)束語 為了避免和減少壓力容器失效事故的發(fā)生，最有效的措施就是對(duì)壓力容器進(jìn)行檢測(cè)。由于聲發(fā)射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，因此在用壓力容器在檢測(cè)方面擁有巨大的應(yīng)用市場(chǎng)。但目前聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的可操作性還未達(dá)到令人滿意的程度