第7章声发射检测技术的应用-1

89第7章声发射检测技术的应用7.1压力容器压力容器声发射检测是目前声发射技术应用最成功和普遍的领域之一，压力容器的声发射检验的步骤一般包括对被检容器进行资料审查、现场勘察、检验方案的制定、声发射探头的安装、声发射仪器的调试、加载试验过程中的声发射监测和信号采集、声发射数据的分析和源的分类及检验报告的编制等过程，下面分别加以介绍。7.1.1资料审查资料审查应包括下列内容：(1)产品合格证、质量证明书、竣工图；(2)运行记录，开停车记录，有关运行参数，介质成份，载荷变化情况，以及运行中出现的异常情况等资料；(3)检验资料、历次检验报告和记录；(4)有关修理和改造的文件。通过资料审查了解压力容器的结构、几何尺寸、材料、设计压力、日常操作压力、加载史、存在缺陷的情况等，为制订检验方案做好准备7.1.2现场勘察检测开始前，应进行现场勘察，具体进行如下方面的工作：(1)观察压力容器表面具体情况和周围环境条件，确定传感器的布置阵列；(2)找出所有可能出现的噪声源，如电磁干扰、振动、摩擦和流体流动等，应对这些噪声源设法予以排除；(3)确定加压方式、最高试验压力和各个保压台阶等加压程序；(4)建立声发射检测人员和加载人员的联络方式。7.1.3检验方案的制定在资料审查和现场勘察的基础上制定声发射检验方案，最终确定采用的通道数、传感器阵列布置图、探头在压力容器上的安装部位和加载程序，并准备好检验记录表格。构件声发射检测所需传感数量，取决于压力容器的大小和所选传感器间距。传感器间距又取决于波的传播衰减，而传播衰减值又来自用铅笔芯模拟源实际测得的距离一衰减曲线。时差定位中，最大传感器间距所对应的传播衰减，不宜大于预定最小检测信号幅度与检测门槛值之差，例如，门榄值为40dB，预定最小检测信号幅度为70dB，则其衰减不宜大于30dB。区域定位比时差定位可允许更大的传感器间距。在金属容90器中，常用的传感器间距约为1～5m，多数容器的检测需布置约8～32个探头。应根据有关规范与用户协商确定最高试验压力和加压程序。升压速度一般不应大于0.5MPa/min。保压时间一般应不小于10min。新制造压力容器或压力管道和在役压力容器或压力管道检测，一般应进行两次加压循环过程，第二次加压循环最高试验压力PT0应不超过第一次加压循环的最高试验压力PT，建议PT0为97%PT。在役压力容器或压力管道检测，一般试验压力不小于最大操作压力的1.1倍；当工艺条件限制声发射检测所要求的试验压力时，其试验压力也应不低于最大操作压力，并在检测前一个月将最大操作压力至少降低15%，以满足检测时的加压循环需要。应尽可能进行两次加压循环。7.1.4传感器的安装传感器的安装程序如下：①在压力容器壳体上标出传感器的安装部位；②对传感器的安装部位进行表面打磨去除油漆、氧化皮或油垢等；③将传感器与信号线连接好；④在传感器或压力容器壳体上涂上耦合剂；⑤安装和固定传感器。7.1.5仪器的调试(1)仪器硬件工作参数设置在仪器开机后，应根据被检测对象，首先设置仪器硬件的工作参数，这些参数一般包括增益、门槛、峰值鉴别时间（PDT）、撞击鉴别时间（HDT）、撞击闭锁时间（HLT）、定位闭锁时间、采样率、外接参数采样率等。(2)背景噪声测定和检测门槛设置在开始检测之前进行背景噪声的测定，然后在背景噪声的水平上再加5到10dB作为仪器的门槛电平值。多数检测是在门槛为35～55dB的中灵敏度下进行，最常用的门槛值为40dB。(3)通道灵敏度校准为确认传感器的耦合质量和前置放大器与仪器主机各通道处于良好的工作状态，检测前后应检查各信号通道对模拟信号源的响应幅度。模拟信号—般采用直径0.5mm的HB（或2H）笔芯断铅信号，其伸长量约为2.5mm，笔芯与构件表面夹角为30左右，响应幅度取三次响应的均值。多数金属压力容器的检测规程规定，每通道对铅笔芯模拟信号源的响应幅度与所有传感器通道的平均值偏差为土3dB或±4dB。(4)衰减测量对被检容器采用模拟声发射信号进行衰减测量，画出距离—声发射信号幅度衰减曲线。91(5)源定位校准多通道检测时，应在构件的典型部位上，用模拟源进行定位校准。通过实测探头之间的时差，计算出实际声速并输入定位计算软件，最终达到每一模拟信号，均能被—个定位阵列所接收，并提供唯一的定位显示，定位精度应在两倍壁厚或最大传感器间距的5%以内。区域定位时，应至少被一个传感器接收到。7.1.6加载试验过程中的声发射监测和信号采集检测时及时存储采集到的声发射信号数据并做好记录，应实时观察声发射撞击数随载荷或时间的变化趋势，声发射撞击数随载荷或时间的增加呈快速增加时，应及时停止加载，在未查出声发射撞击数增加的原因时，禁止继续加压。检测中如遇到强噪声干扰时，应暂停检测并在数据记录表上加以说明，排除强噪声干扰后再进行检测。7.1.7声发射数据的分析和源的分类压力容器声发射检测数据的分析和源的分类均是基于时差声发射源定位的基础上进行，声发射源的等级按源的活度和强度划分，划分方法是先确定源的活度等级和强度等级，然后再确定源的综合等级。(1)源的活度划分源的活度划分为强活性、活性、弱活性和非活性四个等级。如果源区的事件数随着升压或保压呈快速增加时，则认为该部位的源具有强活性；如果源区的事件数随着升压或保压呈连续增加时，则认为该部位的源具有活性；如果源区的事件数随着升压或保压呈间断出现时，根据不同加压阶段出现的次数来级划分活度的级别。(2)源的强度划分源的强度分高强度、中强度和弱强度三个级别，源的强度Q可用能量、幅度或计数参数来表示。源的强度计算取源区前5个最大的能量、幅度或计数参数的平均值(幅度参数应根据衰减曲线加以修正)。源的强度划分参考表3进行。表7.1中的a、b值应由试验来确定，16MnR钢采用幅度参数划分源的强度的推荐值为a=60dB和b=80dB。表7.1源的强度划分源的强度级别源强度弱强度Q＜a中强度a≤Q≤b高强度Q＞b(3)源的综合等级划分源的综合等级划分通过考虑活性和强度按表7.2进行，共分为A、B、C、D、E、F五级。92表7.2源的综合等级划分强活性活性弱活性非活性高强度FEDB中强度EDCA弱强度DCBA7.1.8检验数据记录和报告压力容器声发射检验记录和报告应包括如下内容：(1)资料审查记录：包括压力容器的名称、编号、使用单位、设计参数、日常操作压力、加载史、存在缺陷的情况等；(2)执行、参考标准；(3)声发射仪器及传感器记录：包括仪器型号、通道数、检测方式、检测频率、传感器型号、耦合剂及传感器固定方式等；(4)背景噪声的测定值；(5)模拟信号衰减测量记录；(6)门槛、增益的设置值；(7)传感器灵敏度校准记录；(8)传感器阵列布置图及传感器之间的距离记录；(9)传感器阵列的定位校准记录；(10)使用的检测软件、检测状态设置软件及存储的声发射信号数据文件名称；(11)实际加载程序图；(12)检测数据的分析与声发射源的分级结果；(13)检验结论；(14)检验人员和审核人员的签字；(15)检验日期。7.1.9应用实例(1)声发射传感器布置阵列由于目前多通道声发射仪所采用的计算机和软件功能都比较强，因此在实际进行声发射检测过程中，人们最常用的平面AE源定位探头阵列为三角形，在被检测对象几何形状规则的情况下，采用等腰三角形探头阵列，如图7.1和图7.2所示；在被检测对象几何形状不规则的情况下，采用任意三角形探头阵列，如图7.3所示，但一般情况下推荐采用锐角三角形。93109786543图7.1平面等腰三角定位探头阵列1211图7.2圆柱形容器的等腰三角定位探头阵列15141312111098576342116图7.3球形容器的任意三角定位探头阵列123456789a）不锈钢储罐b）钢制脱气容器c）高压气瓶94d）钢制压力容器e）钢制球罐f）钢制储罐图7.4传感器布置实例图7.4a)～f)给出了对各类典型压力容器进行检测的传感器布置阵列实例。所用传感器分别为2～64个。(2)衰减测量1)50M3石油液化气贮罐a)贮罐的设计参数设计压力：2.0MPa;设计温度：常温C;主体材质：16Mn；公称壁厚：24mm;几何尺寸:Φ2400mm×10,000mm；公称容积：50M3。b)测量仪器及状态设置测量仪器:美国PAC公司SPARTANAT18通道;探头PACR15I增益:80dB;门限:35dB;峰置定义时间:2000μs;撞击定义时间:2000μs;撞击闭锁时间:20000μs;声发射信号模拟源:日本产HBФ0.5mm铅芯折断。c)纵向声发射模拟源衰减测量结果衰减测量部位如下图所示:探头⊙.....................(m)12345678910图7.5发射模拟声发射源部位示意图95以日本生产HBФ0.5mm铅芯折断为声发射信号模拟源,每个部位进行四次测量,取其平均置,声发射信号幅度和能量测量结果如表7.3所示,衰减曲线如图7.6所示。表7.350M3卧罐纵向模拟声发射信号衰减测量结果距探头距离(m)平均幅度(dB)平均能量计数0.10.51.01.52.02.53.03.54.04.55.08270615753484641586160436240140105846550459910099距探头距离(m)平均幅度(dB)平均能量计数5.56.06.57.07.58.08.59.09.510.060564640525347485549116573526107119100808753幅度能量dB幅度曲线90500能量曲线80400703006020050100400012345678910(m)图7.650M3卧罐纵向模拟声发射信号幅度和能量衰减曲线2)200M3石油液化气球罐a)基本设计参数设计压力:1.6MPa;设计温度:常温;主体材质:16MnR;公称壁厚:24mm;几何尺寸:Φ7100mm;公称容积:200M3.b)测量仪器及状态设置测量仪器:美国PAC公司SPARTAN12通道;探头PACR15I;增益:70dB;门限:35dB;峰置定义时间:2000μs;撞击定义时间:2000μs;撞击闭锁时间:20000μs;声发射信号模拟源:国产HBФ0.5mm铅芯折断。96c)声发射模拟源衰减测量结果以国产HBФ0.5mm铅芯折断为声发射信号模拟源,每个部位进行四次测量,取其平均置,声发射信号幅度测量结果如表7.4所示,衰减曲线如图7.7所示。表7.4200M3球罐模拟声发射信号幅度衰减测量结果距探头距离(m)平均幅度(dB)0.10.51.01.52.03.04.05.07363534837363843距探头距离(m)平均幅度(dB)6.07.08.09.010.011.0485054474452幅度dB80706050403001234567891011(m)图7.7200M3球罐模拟声发射信号幅度衰减曲线3)1000M3石油液化气球罐a)基本设计参数设计压力:1.57MPa;设计温度:常温;主题材质:德国FG43;公称壁厚:34mm;几何尺寸:Φ12300mm;公称容积:1000M3.b)测量仪器及状态设置测量仪器:美国PAC公司SPARTANAT32通道;探头PACR15;增益:80dB;门限:40dB;峰值定义时间:1000μs;撞击定义时间:2000μs;撞击闭锁时间:20000μs;声发射信号模拟源:南韩产HBФ0.5mm铅芯折断。c)声发射模拟源衰减测量结果以南韩产HBФ0.5mm铅芯折断为声发射信号模拟源,每个部位进行三次测量,取其平均置,声发射信号幅度测量结果如表7.5所示,衰减曲线如图7.8所示。97表7.51000M3液化石油气球罐模拟声发射信号幅度衰减测量结果距探头距离(m)平均幅度(dB)0.10.51.02.03.04.05.080686252484642幅度dB807060504030012345(m)图7.81000M3液化石油气球罐模拟声发射信号幅度衰减曲线压力容器声发射信号的衰减特性随压力容器的几何尺寸和结构的不同而变化几何尺寸越小，波的传播越复杂，