脈沖渦流與聲發(fā)射在壓力容器檢測中的應(yīng)用

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)，耗時長、任務(wù)量大，且保溫層造價高，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，并評估容器安全狀況逐漸成為趨勢。目前比較流行的檢測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)射檢測在壓力容器檢測中的優(yōu)勢和應(yīng)用，在不拆保溫、不開罐情況下提高檢測效率，分別在線檢測壓力容器壁厚變化、腐蝕及活動性缺陷等情況，從而評估其安全可靠性能，最大限度避免發(fā)生安全事故。

1 脈沖渦流檢測

脈沖渦流檢測（PEC），是一種通過脈沖電流通入激勵線圈，激發(fā)產(chǎn)生脈沖瞬變磁場，通過電磁感應(yīng)使該磁場中的試件產(chǎn)生感生瞬時脈沖渦流，瞬時脈沖渦流通過感應(yīng)產(chǎn)生再生瞬時磁場，最后再生瞬時磁場在檢測線圈上感應(yīng)出隨時間變化的瞬時感應(yīng)電壓信號，通過此方法能夠方便快捷地檢測金屬試件中的缺陷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測目的的無損檢測技術(shù)。脈沖渦流檢測無須停機(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方面具有安全可靠的優(yōu)勢，在未來壓力容器、壓力管道和鍋爐等承壓設(shè)備無損檢測方面具有十分廣闊的發(fā)展前景。脈沖渦流檢測系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 脈沖渦流檢測系統(tǒng)原理

脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)主要由信號發(fā)生器、功率放大器、激勵線圈、數(shù)據(jù)采集卡和PC 機(jī)組成。與常規(guī)渦流檢測技術(shù)相比，脈沖禍流檢測具有諸多優(yōu)點(diǎn)：①脈沖渦流信號激勵及響應(yīng)頻率范圍廣，穿透深度大，信息量豐富，方便缺陷識別和安全評估；②實(shí)現(xiàn)對感應(yīng)磁場進(jìn)行時域的瞬態(tài)分析；③由于材料結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的噪聲信號，可在測量結(jié)束后進(jìn)行處理和補(bǔ)償；④成本低，但檢測結(jié)果精確度高；⑤脈沖渦流采用脈沖信號激勵，傳感器靈敏度高，設(shè)備滲透深度足夠深；⑥檢測方法簡單、速度快、效率高、安全可靠。隨著對脈沖渦流理論的深入研究及計算機(jī)科學(xué)信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，脈沖渦流檢測的精準(zhǔn)性和實(shí)用性大大提高，相比于超聲檢測，脈沖渦流檢測對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量方面也具有十分重要的意義。

2 聲發(fā)射檢測

金屬材料斷裂會釋放儲存能量，產(chǎn)生彈性波。聲發(fā)射檢測（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)射傳感器探測的表面位移，探測器將材料的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為電信號，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運(yùn)動、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引起內(nèi)應(yīng)力的變化，產(chǎn)生聲發(fā)射信號，對感應(yīng)到的聲發(fā)射信號進(jìn)行綜合分析，推斷出材料產(chǎn)生聲發(fā)射信號的原因，進(jìn)而達(dá)到檢測目的。聲發(fā)射檢測系統(tǒng)原理如圖2 所示。

圖2 聲發(fā)射檢測系統(tǒng)原理

聲發(fā)射檢測系統(tǒng)主要由聲發(fā)射源、傳感器、數(shù)字模塊（信號放大器）、信號采集與處理系統(tǒng)和記錄與顯示系統(tǒng)等部分組成。與其他無損檢測手段相比，聲發(fā)射檢測具備：①可以隨時進(jìn)行在線檢測，實(shí)現(xiàn)實(shí)時動態(tài)監(jiān)控檢測和結(jié)果評定；②對擴(kuò)展性缺陷具有很高靈敏度；③可對大型成套設(shè)備進(jìn)行整體性檢測；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方法簡單，費(fèi)用低，可以與其他試驗(yàn)同步進(jìn)行。實(shí)際檢測中，聲發(fā)射檢測常用來確定聲發(fā)射源位置，根據(jù)各個聲源的信號強(qiáng)度，分析判斷聲源的活動性，實(shí)時評價待檢設(shè)備的安全性。對于檢測過程中的超標(biāo)聲源，要用其它無損檢測方法進(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)射檢測在壓力容器全面檢驗(yàn)中的應(yīng)用

3.1 脈沖渦流檢測在壓力容器全面檢驗(yàn)中的應(yīng)用

脈沖渦流檢測，是近年來在傳統(tǒng)渦流檢測基礎(chǔ)上新興起的電磁無損檢測技術(shù)，具有成本低廉、安全可靠、綜合效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動化特點(diǎn)，能檢測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通孔，扁平放置式線圈檢測表面裂紋。壓力容器大多使用鐵磁性材料，在不同的磁場強(qiáng)度作用下會產(chǎn)生磁導(dǎo)率差異，必要時設(shè)置磁飽和裝置，對檢測區(qū)域施加強(qiáng)磁場，使其磁導(dǎo)率趨于穩(wěn)定。

脈沖渦流檢測結(jié)果反映探測區(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，檢畢后用超聲波測厚儀進(jìn)行復(fù)測，對比分析檢測結(jié)果可知，雖然脈沖渦流檢測的結(jié)果存在一定誤差（±0.05 mm 以內(nèi)），且測得最厚區(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)域位置和超聲檢測結(jié)果基本一致，所以脈沖渦流檢測在壓力容器及管道壁厚減薄檢測應(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，這兩種方法都要求對設(shè)備表面進(jìn)行打磨、去除保溫層和防腐層，費(fèi)時費(fèi)力，成本高，且都無法進(jìn)行在線檢測。

因此對有防腐層的容器，采用電流擾動磁敏探頭的脈沖渦流檢測技術(shù)檢測焊縫表面裂紋，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，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)射檢測在壓力容器全面檢驗(yàn)中的應(yīng)用

聲發(fā)射檢測技術(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)射檢測技術(shù)是一種動態(tài)無損檢測方法，可以檢測出長度小于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，檢測馬氏體相變，評價表面化學(xué)熱處理滲層的脆性，以及監(jiān)測焊后裂紋產(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)，檢測滲透和泄漏，以評定缺陷的危險性等級，也可連續(xù)監(jiān)測高壓承壓設(shè)備構(gòu)件的完整性，作出實(shí)時報警。

聲發(fā)射檢測對線性缺陷十分靈敏，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，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)部位錯運(yùn)動造成的。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，這為壓力容器檢驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)裂紋等危害性缺陷提供基礎(chǔ)[4]。對金屬試件進(jìn)行反復(fù)加載和卸載試驗(yàn)時，人們發(fā)現(xiàn)加一次載荷使材料發(fā)出聲發(fā)射信號后撤銷載荷，第二次再加載荷不超過第一次應(yīng)力值時，就沒有聲發(fā)射信號產(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，則沒有聲發(fā)射信號，此時可能造成缺陷的漏檢。因此在做壓力試驗(yàn)時，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，此時如果加載較小的壓力載荷下就可以產(chǎn)生聲發(fā)射信號。因此，在壓力容器全面檢驗(yàn)過程中用聲發(fā)射檢測就能發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展信號[5]。

4 結(jié)語

隨著檢測技術(shù)手段不斷進(jìn)步，常規(guī)無損檢測已經(jīng)難以更好滿足檢測的需要，所以必須研究開發(fā)新的檢測手段來補(bǔ)充，對于帶保溫、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)射檢測技術(shù)與其他無損檢測相比，在金屬缺陷、應(yīng)力、熱成像檢測方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢[6]，通過脈沖渦流檢測技術(shù)，可以檢測壓力容器壁厚變化及腐蝕情況，聲發(fā)射檢測技術(shù)，可以檢測壓力容器活動性缺陷變化情況，兩種檢測方法相互補(bǔ)充，可以大大提高檢測的全面性和精準(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。