高壓球形氣瓶的聲發射檢測

高壓球形氣瓶的聲發射檢測

摘 要：針對1.4m3高壓球形氣瓶，開展了結構完整性聲發射檢測和典型危害性超標缺陷活度聲發射監測，獲得了中高壓氣瓶缺陷安全狀況的基礎實驗數據。并通過綜合分析，得出了有意義的檢驗檢測結論。
關鍵詞：聲發射（AE）；無損檢測；評定 超聲波液位計 超聲波物位計 超聲波清洗機 超聲波測厚儀 洗片機
0 前言
針對我部1.4m3高壓球形氣瓶存在使用時間長、存在制造缺陷、材料特殊等問題，開展了聲發射缺陷活度監測和結構完整性評價工作。其目的是：在實際工作狀況和超過正常的受載狀態下，評價常規NDT方法確定的典型危害性超標缺陷的擴展變化趨勢和安全裕度，評價可能的整體結構薄弱環節、材料組織性能異常狀況缺陷以及常規NDT方法的漏檢狀況。
1 檢測對象及常規檢驗狀況
容積為1.4m3、設計壓力35MPa、工作壓力32MPa、材質為15MnMoVN的高壓球形氣瓶，由哈爾濱鍋爐廠七十年代制造并投入使用。其公稱壁厚為66 mm，介質為惰性氣體，設計壓力35MPa，工作壓力32MPa，其結構如圖1所示。該種類型的高壓球形氣瓶在國內仍然有批量使用[1]。編號為7B、8A 118A、119A 的4臺高壓球形氣瓶經多次定期檢驗，外表面主環對接焊縫和軸頸加強圈焊縫200% UT檢測、外表面角焊縫進行了100%MT，發現存在部分未熔合、夾渣、氣孔等類型的超標缺陷，其安全狀況等級定為3級。檢驗前半年的最高工作壓力為30MPa[2]。
2 檢測條件
按照GB/T18182-2000《金屬壓力容器聲發射檢測及結果評價方法》及檢測方案工藝進行了AET：儀器采用北京科海恒生公司的CFAE-2001、探頭為AE-98/R15諧振式窄頻帶傳感器、磁夾具真空脂耦合、頻響范圍100~300kHz、中心頻率150kHz、前置放大器為CAE-150、采集軟件為AE98，采用5個探頭以三角定位對球罐進行整體的檢測，首探頭位于產品銘牌上部主環焊縫下部、末探頭位于底部。在檢前、檢后對所有探頭采用L2.5mm、Ф0.5mm、30°、HB鉛芯折斷的模擬源進行了靈敏度標定。對4個有代表性的三角形區域進行了定位校準，有一一定位結果。在兩次加壓、保壓過程中均進行了聲發射數據采集。
3 檢測結果
按照上述條件開展的AET結果如表1所示。其中，118A、119A為在役檢測，在焊縫等部位未發現任何聲發射活動源，高壓球形氣瓶經聲發射檢測合格。7B、8A其聲發射活動源部位經復驗發現存在UT超標缺陷。
表1 高壓球形氣瓶AE檢測結果一覽表
氣罐編號 118A 119A 7B 8A
試驗壓力(MPa) 33 33 40.5 40.5
活動源數量 0 0 1 1
源活度 / / 強活性 強活性
源強度 / / 弱強度 弱強度
評定等級 / / D D
檢測結果 合格 合格 不合格 不合格
復檢/解剖結果 / / UT不合格 UT不合格
綜合評定結果 合格 合格 不合格 不合格
處理意見 繼續使用 繼續使用 監護使用 監護使用
備注 / / 有超標缺陷 有超標缺陷
4 特征參數分布狀況分析
在有代表性的加載狀態下，AE活動源的特征參數分布可以在一定程度上反映AE活動源的性質、特點、狀況。典型高壓球形氣瓶保壓階段AE源的部分特征參數分布如圖2~3所示。
圖2 高壓球形氣瓶（7B）主要特征參數－Hits分布圖
圖3 高壓球形氣瓶（8A）主要特征參數－Hits分布圖
其主要特征參數與撞擊（Hits）的分布規律為：振幅分布于30～60db，也有極少量分布于60～100db；持續時間分布于具有不大的取值范圍1000～10000，呈均勻分布；能量大多數可以認為具有很小的取值，分布于0～200；計數大體分布于0～100，也有極少量分布于具有較大的取值范圍；上升時間較小，分布于0～1000附近。
5 AE適應性的分析
按照CVDA-1984對高壓球形氣瓶進行斷裂力學脆斷安全評定：取應力集中系數Kt=1.0；作為薄壁容器忽略彎曲應力；殘余應力取0~0.6sS（與熔合線平行的縱向埋藏及穿透裂紋取為0；填角焊縫、表面裂紋、與熔合線垂直的縱向埋藏及穿透裂紋取為0.6sS）；材料性能參數取平均值；可簡化計算得出在退火熱處理狀態下、高壓球形氣瓶環向焊縫不同方向允許的當量裂紋尺寸am達29.5mm[2]。
顯然，高壓球形氣瓶在定期檢驗中所發現、消除、處理的超標缺陷，均遠遠小于29.5mm，即均安全評定合格。故定期檢驗所發現的超標缺陷均具有相當大的安全裕度，這一與高壓球形氣瓶爆破試驗時爆破壓力大大高于設計壓力（達到100MPa以上）的結果也是相符的。
而為可靠地進行AE，可利用全面屈服斷裂力學L參量表達式給予評定計算[3]，即：
當 時，AE可有效發現缺陷活動，據前式可計算出按 參量評判的可有效AE的當量裂紋尺寸最小值 為8.4mm，則：
am/a=29.5/8.4=3.5
對比分析上述計算結果可知：即便是通過AET發現了由超標缺陷引起的有效聲發射活動源，其仍然可能按照CVDA-1984等安全評定規范評定是合格安全的，仍然可能有達3.5倍以上的安全裕度。
6 結論
綜上所述，通過高壓球形氣瓶的AET，可以有以下結論：
AET證實，在耐壓試驗壓力范圍內，經常規檢驗確定的絕大部分危害性缺陷均未發現有擴展變化活動趨勢，也未發現整體或局部結構存在不穩定、應力集中等問題。通過定期監護，高壓球形氣瓶能夠繼續安全使用。
高壓球形氣瓶在定期檢驗中所發現、消除、處理的超標缺陷，均安全評定合格，AET所發現的活動源所對應的超標缺陷仍然具有相當大的安全裕度。
AET應與常規無損檢測相互補充，重點應放在：裂紋類漏檢缺陷、可能材料性能不良部位、結構應力集中部位、異常變形部位、漏檢部位的有開裂趨向的危害性缺陷上。
由于AET時干擾因素眾多，AE活動源必須通過其它有效常規無損檢測復查。