基于聲發(fā)射技術(shù)的鍋爐壓力容器檢測分析

郭金國(六安市特種設備監(jiān)督檢驗中心，安徽 六安 237161)

0 引言

在生產(chǎn)與生活中，鍋爐壓力容器作為一種特種設備有著廣泛的應用，與我國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展相伴隨，鍋爐壓力容器數(shù)量同樣呈現(xiàn)出日益增多之勢，不僅如此，使用范圍也在逐漸擴大，很多鍋爐壓力容器都運行于苛刻的工況條件下，例如高溫、高壓、深冷、頻繁啟動等等，受此影響，鍋爐壓力容器有時會面臨一定的爆炸風險。對鍋爐壓力容器進行檢驗，其實就是判斷其能否適應實際的運行條件，既有缺陷是否出現(xiàn)了進一步的擴展以及是否有新的缺陷產(chǎn)生，根據(jù)判斷的結(jié)果采取應對措施，達到將安全隱患消除、為鍋爐壓力容器安全使用提供保證的重要目的[1]。所以，運用現(xiàn)代化檢測檢驗技術(shù)做好鍋爐壓力容器的檢測工作尤為重要，能夠為鍋爐壓力容器的安全與可靠運行提供保證，發(fā)揮出保護人民生命財產(chǎn)安全的重要作用。

一些常規(guī)意義上的無損檢測方法只可以對具有“靜態(tài)”特點的缺陷進行檢測，但是相對而言，發(fā)展中的缺陷對于鍋爐壓力容器形成的威脅要更大。聲發(fā)射檢測技術(shù)基于現(xiàn)代化電子處理技術(shù)的強力支持，對一些聲信號進行采集和分析，在此基礎上將被檢測工件缺陷的“動態(tài)”信息確定下來。檢測作業(yè)人員在執(zhí)行鍋爐壓力容器檢測任務之時，對聲發(fā)射技術(shù)的有效應用能夠大幅度降低檢測探傷時間與人力成本，對探傷作業(yè)的高效與可靠完成以及生產(chǎn)效益的提升具有不容忽視的積極意義。

1 聲發(fā)射技術(shù)原理與鍋爐壓力容器聲發(fā)射檢測信號

1.1 聲發(fā)射技術(shù)原理

在對一個壓力容器施加壓力以后，容器的壁面會有相應的拉應力、壓應力或者是剪切應力出現(xiàn)，與施加壓力的不斷增加相伴隨，容器壁面的這些應力同樣呈現(xiàn)出不斷增加之勢。在其增大到某一極限值時，從微觀層面上來看，晶體材料會有非常多的位錯運動產(chǎn)生，而從宏觀層面上來看，壓力容器的材料會失效，并有變形現(xiàn)象出現(xiàn)。

實際上，位錯運動是出現(xiàn)滑移現(xiàn)象的原過程，在具體的運動過程中，若是位錯遇到不能越過去的障礙物，便會被迫性地將其原有的運動停止，并在堆積的過程中出現(xiàn)位錯堆積的狀況。與堆積的位錯數(shù)量的不

斷增加相伴隨，在其達到一定程度以后，又會有附件晶粒位錯源開動的現(xiàn)象出現(xiàn)，進而導致形變或是開裂，這時，材料局部源會將一定的能量釋放出去，并由此產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波，這便是聲發(fā)射。對聲發(fā)射檢測技術(shù)原理進行分析，可以作以下較為簡單的概括：對聲發(fā)射源釋放出的彈性波在結(jié)構(gòu)中傳播過程中攜帶的豐富結(jié)構(gòu)或是材料缺陷信息加以利用，借助于儀器執(zhí)行對聲發(fā)射信號的檢測、記錄與分析任務，同時，對設備存在的缺陷作相應的判斷。整體而言，聲發(fā)射技術(shù)可以對處于發(fā)展狀態(tài)下的缺陷進行檢測，其信號以缺陷本身為來源，這意味著此技術(shù)能夠有效地將缺陷的活動性以及嚴重性確定下來[2]。

1.2 鍋爐壓力容器聲發(fā)射檢測信號

(1)裂紋擴展。在一些鍋爐壓力容器中，焊縫上表面和內(nèi)部深埋的位置有時會出現(xiàn)裂紋，若是這些裂紋尖端進一步出現(xiàn)塑性形變鈍化或擴展現(xiàn)象，經(jīng)聲發(fā)射技術(shù)檢測會有相應的聲發(fā)射信號產(chǎn)生，此即裂紋擴展信號。

(2)焊接缺陷開裂。在部分鍋爐壓力容器的焊縫內(nèi)，會或多或少地存在氣孔、夾渣、未熔合等缺陷，若是這些缺陷進一步開裂與擴展，由此生成的聲發(fā)射信號即為焊接缺陷開裂信號。

(3)機械摩擦。鍋爐壓力容器外部很多部件都有可能產(chǎn)生機械摩擦聲發(fā)射信號，不僅如此，立式鍋爐壓力容器的裙座與臥式鍋爐壓力容器的馬鞍形支座都通過墊板對容器的殼體與支撐板進行連接，通常情況下，墊板和容器殼體會對全部或是部分角焊縫焊接的方式加以采用，在進行加壓作業(yè)時，由于墊板和殼體的不一致膨脹而導致的摩擦會有很多的聲發(fā)射信號產(chǎn)生。

(4) 泄漏。在進行氣壓或水壓試驗的過程中，如果位于鍋爐壓力容器上的接管、法蘭、人孔或缺陷穿透位置存在泄漏問題，會有很多泄漏型聲發(fā)射信號出現(xiàn)。

(5)氧化皮剝落。對于鋼制的鍋爐壓力容器而言，其在長時間使用以后，不管是內(nèi)部還是外部，都很容易有氧化現(xiàn)象產(chǎn)生，有的時候，內(nèi)部介質(zhì)會受到嚴重的腐蝕，而容器外部同樣會在潮濕、酸雨以及海風等氣候條件下出現(xiàn)嚴重腐蝕的現(xiàn)象，在進行水壓試驗時，氧化皮會在破裂與剝落過程中出現(xiàn)很多的聲發(fā)射信號。

(6)電子噪聲。受到探頭信號線短路、傳輸電纜線短路以及前置放大器自激發(fā)等相關(guān)因素的影響，都有可能出現(xiàn)很多的電子噪聲信號[3]。

2 鍋爐壓力容器聲發(fā)射檢測系統(tǒng)

對鍋爐壓力容器聲發(fā)射檢測原理進行分析，可主要作如下概括：運用耦合在容器表面上的傳感器，在采集到的材料內(nèi)部聲發(fā)射源產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波之后，對其進行轉(zhuǎn)換，用電信號的形式表示出來。之后，執(zhí)行對聲發(fā)射信號各種特征參數(shù)的采集與分析任務，將鍋爐壓力容器內(nèi)部的缺陷狀態(tài)和嚴重程度明確下來。通常，鍋爐壓力容器都會在出廠時接受耐壓試驗，此時可以對升壓與保壓環(huán)節(jié)的聲發(fā)射信號進行采集與分析，判斷是否有泄漏、活性確實等狀況存在[4]。

3 鍋爐壓力容器泄漏聲發(fā)射檢測實例

基于對鍋爐水壓試驗規(guī)程中具體內(nèi)容的參考，針對SZL10-1.25-A II 型號鍋爐壓力容器實施水壓試驗，在此過程中，利用聲發(fā)射技術(shù)對其進行檢測，此鍋爐壓力容器額定蒸發(fā)量、蒸汽壓力、蒸汽溫度分別為10 t/h、1.25 MPa 以及194 ℃，所用燃料為II 類煙煤。對水壓試驗聲發(fā)射信號進行采集。

3.1 鍋爐壓力容器泄漏聲發(fā)射檢測過程

采用SAMOS 型48 通道聲發(fā)射儀，執(zhí)行聲發(fā)射檢測任務，所用傳感器為DP15I，基于對聲發(fā)射逐點檢測方法的運用，按照等間距方式在鍋爐壓力容器上鍋筒軸向進行多個傳感器的均勻布置。另外，在其右側(cè)封頭圓周方向，同樣等間距布置多個傳感器。從數(shù)量上看，鍋筒軸向與右側(cè)封頭圓周方向傳感器個數(shù)分別為5 個和4 個，可以實現(xiàn)對各部位泄漏情況的實時監(jiān)控。開始試驗前，先將相關(guān)準備性工作做好，包括靈敏度測試與AE 信號衰減測量等，此外，逐一確定檢測儀器的各個參數(shù)，主要如下：門檻值、預觸發(fā)、模擬濾波、采樣頻率、采樣點數(shù)、PDT、HDT 以及HLT 分別為43 dB、256 μs、100～400 kHz、1 MHz、2 K、1 000 μs、 2 000 μs 以及20 000 μs。

以加載曲線為依據(jù)，對水壓試驗過程進行劃分，一為升壓，一為保壓，兩個過程循環(huán)實施兩次。利用聲發(fā)射儀器對整個過程的聲發(fā)射信號進行采集，同時，監(jiān)測鍋爐壓力容器在試驗環(huán)節(jié)的聲發(fā)射源分布和活性情況。

3.2 分析與處理鍋爐壓力容器的聲發(fā)射檢測數(shù)據(jù)

通道1 與通道5 的幅度歷程示意圖，如圖1 所示。

圖1 通道1 與通道5 的幅度歷程示意圖

(1) 升壓環(huán)節(jié)幅值分析。在第1 次升壓過程中，鍋爐壓力容器有十分活躍的聲發(fā)射信號，并將密集的AE 撞擊信號產(chǎn)生出來。在壓力持續(xù)加大的過程中，AE 信號幅度表現(xiàn)出線性增加的特點，在達到特定的臨界值以后，又進一步與壓力的持續(xù)加大相伴隨而表現(xiàn)出平穩(wěn)下降之勢。究其原因，在于由0 開始逐漸將壓力增大的過程中，打壓進入的液體在較大程度上對鍋爐壓力容器造成不均勻的擾動；在壓力持續(xù)性變大的過程中，壓力容器內(nèi)部壓力的增長速度表現(xiàn)出逐漸減慢之勢，與之相伴隨，整個鍋爐壓力容器承受的壓力也在慢慢趨近于穩(wěn)定，擾動逐漸減少，AE 信號量也隨之而降低。另外，對兩個通道進行比較，通道5 的信號幅度較之通道1 而言明顯要高出不少，對其原因進行分析，主要在于通道5 處在升壓進液口附近的位置，在升壓的過程中，通道5 受到的信號干擾最為明顯，因此其接收的AE 信號較之通道1 而言有著更大的幅度。

當鍋爐壓力容器處在第2 次升壓環(huán)節(jié)時，與第1 次升壓相較，AE 信號量在第2 次升壓環(huán)節(jié)明顯要低，對該現(xiàn)象的原因進行分析，主要可歸納為兩點：其一，第2 次升壓起始于1.25 MPa，與起始于0 MPa 相較，第2 次升壓鍋爐內(nèi)的壓力增加已經(jīng)趨于平緩，壓力的增加速度逐漸減慢，干擾信號亦隨之而逐漸減少；其二，鍋爐壓力容器本身存在凱撒效應，對第二次加壓和第一次加壓進行比較，第二次加壓的最高壓力會變小，這會讓材料結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象相對穩(wěn)定，在此因素的影響下，材料變形應力釋放出的AE 信號也會少一些。

(2)保壓環(huán)節(jié)幅值分析。進入保壓環(huán)節(jié)以后，并沒有外界擾動信號進入，因此若是不存在活性缺陷，就不會有AE 信號產(chǎn)生(除了噪聲之外)，通過對該環(huán)節(jié)各通道接收到的AE 信號進行分析，便能初步確定下來鍋爐壓力容器的缺陷狀態(tài)。

對兩次保壓過程通道1 與通道5 的幅度歷程進行分析能夠知道，1 號通道的AE 信號量較之5 號通道而言明顯要更多，從1 號通道一直到5 號通道，AE信號量以及幅度均有一個比較明顯的遞減特征表現(xiàn)出來，原因就在于AE 信號傳播存在衰減的問題。另外，第2 次保壓環(huán)節(jié)產(chǎn)生的AE 信號無論是在幅度還是在密度上，較之第1 次保壓而言都明顯要高一些，根據(jù)這兩個現(xiàn)象能夠做出初步的判斷，即1 號通道附近的位置有泄漏的缺陷存在。

前文已經(jīng)提及，泄漏、裂紋擴展、機械摩擦以及電子噪聲等都是鍋爐壓力容器的典型聲發(fā)射信號，在這些信號中，機械摩擦與電子噪聲都屬于具有穩(wěn)定性的AE 源，它們產(chǎn)生的AE 信號在整個試驗的進行中始終存在[5]。但是，裂紋擴展等屬于鍋爐壓力容器的內(nèi)部缺陷，在升壓過程中，AE 信號是典型的突發(fā)型信號[6]，以凱撒效應為依據(jù)，也就是在反復多次對材料進行卸加載試驗時，在超過之前施加的應力以前，材料并不會出現(xiàn)能夠探測到的聲發(fā)射。不過，通過此次試驗發(fā)現(xiàn)，在第2 次升壓和保壓環(huán)節(jié)都有比較多的AE 信號出現(xiàn)，相對于第1 次保壓而言，第2 次保壓在1 750 s 時有密集度更高的AE 聚集信號出現(xiàn)，幅值亦比較高，這明顯與凱撒效應不相契合。

另外，基于對裂紋擴展機理的遵循，在第1 次保壓環(huán)節(jié)，裂紋在擴展的過程中已經(jīng)對積累的能量進行了釋放，就算是在第2 次保壓環(huán)節(jié)，因為載荷大于臨界值，或是缺陷的活性比較強，再一次的出現(xiàn)了擴展的情況，基于載荷與加載時間一致的保持，并沒有讓其產(chǎn)生活度更大的能量來源，因而較之第1 次保壓環(huán)節(jié)產(chǎn)生的信號，此次保壓缺陷信號的幅值以及聚集程度均要小一些。出于對加載壓力波動以及現(xiàn)場工況條件的考慮，兩次加載的信號應該不會有很大的區(qū)別，但是目前的實際情況是，第2 次保壓信號的幅值較之第1 次保壓而言明顯要大得多，這顯然和理論并不相符。對上述兩個方面的因素進行綜合，基本上能夠?qū)⒋诵盘杹碓词橇鸭y類缺陷的結(jié)論排除。對泄漏的成因以及現(xiàn)象進行綜合分析，因為一次加載使得泄漏點將阻塞沖破，在之后連續(xù)性的加載循環(huán)之中，泄漏的孔徑變大，使得第2 次保壓信號較之第1 次保壓信號要更大這一現(xiàn)象是完全有可能發(fā)生的。

(3)波形頻譜分析。如圖2 所示。為保壓環(huán)節(jié)通道1 接收到的AE 信號波形圖以及頻譜圖。根據(jù)該圖能夠知道，此信號屬于連續(xù)型的信號，頻譜有著比較寬的分布范圍，特點較之泄漏產(chǎn)生的AE 信號存在著一致性。另外，對頻譜圖進行觀察能夠知道，在250 kHz的附近位置有異常峰值出現(xiàn)，不僅如此，2 號通道同樣有此類現(xiàn)象出現(xiàn)，但較之1 號通道而言該現(xiàn)象要弱一些，其他通道則沒有這一現(xiàn)象發(fā)生。結(jié)合升壓環(huán)節(jié)幅值的分析能夠知道，1 號通道附近的位置有泄漏缺陷存在。

圖2 保壓環(huán)節(jié)通道1 的AE 信號波形頻譜圖

在結(jié)束聲發(fā)射技術(shù)檢測作業(yè)以后，以聲發(fā)射信號的分析結(jié)果為參照，進一步執(zhí)行對通道1 附近位置的復查，發(fā)現(xiàn)在通道1 與通道2 之間，與通道1 更為接近的位置確實有鍋爐壓力容器泄漏缺陷存在，應用聲發(fā)射技術(shù)對鍋爐壓力容器泄漏缺陷進行檢測的可行性以及準確性得以驗證。

4 結(jié)語

在鍋爐壓力容器的檢測上，聲發(fā)射技術(shù)的應用前景非常廣闊，與技術(shù)的日益完善、儀器的不斷升級以及檢測技術(shù)的愈發(fā)標準化相伴隨，鍋爐壓力容器檢測作業(yè)的開展效率越來越高，全面性與可靠性也愈發(fā)得到保證，可以為容器的安全及正常運行提供重要保證。在工藝以及檢測水平不斷提升的背景下，生產(chǎn)單位在生產(chǎn)安全上的保障也愈發(fā)完善，這對經(jīng)濟效益以及社會效益的提升有著顯著的積極意義。文章通過具體的實例驗證了聲發(fā)射技術(shù)在檢測鍋爐壓力容器泄漏缺陷方面的可行性和準確性，得到如下結(jié)論：(1)將聲發(fā)射檢測技術(shù)應用于鍋爐壓力容器泄漏缺陷的檢測中時，因為鍋爐壓力容器本體及其附屬結(jié)構(gòu)非常復雜，要想精確定位泄漏位置存在較大的難度，因此需要對逐點監(jiān)測方法加以采用，必要時需要在鍋爐壓力容器上進行傳感器的布置，執(zhí)行局部檢測任務，本次檢測實例對此方法的可行性以及準確性加以驗證；(2) 在水壓試驗升壓環(huán)節(jié)有比較多的AE 擾動信號，不過保壓環(huán)節(jié)的AE 信號則更多地表現(xiàn)出干凈平穩(wěn)的特點，因此實際檢測工作的進行需要對保壓環(huán)節(jié)AE 信號給予較多關(guān)注，升壓環(huán)節(jié)檢測可以為缺陷的判斷發(fā)揮一定的輔助作用；(3) 通過比較保壓環(huán)節(jié)各個通道的AE 信號量以及幅度，能夠?qū)⑿孤┤毕莸拇笾挛恢么_定下來。