高压球形气瓶的声发射检测

高压球形气瓶的声发射检测

摘 要：针对1.4m3高压球形气瓶，开展了结构完整性声发射检测和典型危害性超标缺陷活度声发射监测，获得了中高压气瓶缺陷安全状况的基础实验数据。并通过综合分析，得出了有意义的检验检测结论。
关键词：声发射（AE）；无损检测；评定 超声波液位计 超声波物位计 超声波清洗机 超声波测厚仪 洗片机
0 前言
针对我部1.4m3高压球形气瓶存在使用时间长、存在制造缺陷、材料特殊等问题，开展了声发射缺陷活度监测和结构完整性评价工作。其目的是：在实际工作状况和超过正常的受载状态下，评价常规NDT方法确定的典型危害性超标缺陷的扩展变化趋势和安全裕度，评价可能的整体结构薄弱环节、材料组织性能异常状况缺陷以及常规NDT方法的漏检状况。
1 检测对象及常规检验状况
容积为1.4m3、设计压力35MPa、工作压力32MPa、材质为15MnMoVN的高压球形气瓶，由哈尔滨锅炉厂七十年代制造并投入使用。其公称壁厚为66 mm，介质为惰性气体，设计压力35MPa，工作压力32MPa，其结构如图1所示。该种类型的高压球形气瓶在国内仍然有批量使用[1]。编号为7B、8A 118A、119A 的4台高压球形气瓶经多次定期检验，外表面主环对接焊缝和轴颈加强圈焊缝200% UT检测、外表面角焊缝进行了100%MT，发现存在部分未熔合、夹渣、气孔等类型的超标缺陷，其安全状况等级定为3级。检验前半年的最高工作压力为30MPa[2]。
2 检测条件
按照GB/T18182-2000《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》及检测方案工艺进行了AET：仪器采用北京科海恒生公司的CFAE-2001、探头为AE-98/R15谐振式窄频带传感器、磁夹具真空脂耦合、频响范围100~300kHz、中心频率150kHz、前置放大器为CAE-150、采集软件为AE98，采用5个探头以三角定位对球罐进行整体的检测，首探头位于产品铭牌上部主环焊缝下部、末探头位于底部。在检前、检后对所有探头采用L2.5mm、Ф0.5mm、30°、HB铅芯折断的模拟源进行了灵敏度标定。对4个有代表性的三角形区域进行了定位校准，有一一定位结果。在两次加压、保压过程中均进行了声发射数据采集。
3 检测结果
按照上述条件开展的AET结果如表1所示。其中，118A、119A为在役检测，在焊缝等部位未发现任何声发射活动源，高压球形气瓶经声发射检测合格。7B、8A其声发射活动源部位经复验发现存在UT超标缺陷。
表1 高压球形气瓶AE检测结果一览表
气罐编号 118A 119A 7B 8A
试验压力(MPa) 33 33 40.5 40.5
活动源数量 0 0 1 1
源活度 / / 强活性 强活性
源强度 / / 弱强度 弱强度
评定等级 / / D D
检测结果 合格 合格 不合格 不合格
复检/解剖结果 / / UT不合格 UT不合格
综合评定结果 合格 合格 不合格 不合格
处理意见 继续使用 继续使用 监护使用 监护使用
备注 / / 有超标缺陷 有超标缺陷
4 特征参数分布状况分析
在有代表性的加载状态下，AE活动源的特征参数分布可以在一定程度上反映AE活动源的性质、特点、状况。典型高压球形气瓶保压阶段AE源的部分特征参数分布如图2~3所示。
图2 高压球形气瓶（7B）主要特征参数－Hits分布图
图3 高压球形气瓶（8A）主要特征参数－Hits分布图
其主要特征参数与撞击（Hits）的分布规律为：振幅分布于30～60db，也有极少量分布于60～100db；持续时间分布于具有不大的取值范围1000～10000，呈均匀分布；能量大多数可以认为具有很小的取值，分布于0～200；计数大体分布于0～100，也有极少量分布于具有较大的取值范围；上升时间较小，分布于0～1000附近。
5 AE适应性的分析
按照CVDA-1984对高压球形气瓶进行断裂力学脆断安全评定：取应力集中系数Kt=1.0；作为薄壁容器忽略弯曲应力；残余应力取0~0.6sS（与熔合线平行的纵向埋藏及穿透裂纹取为0；填角焊缝、表面裂纹、与熔合线垂直的纵向埋藏及穿透裂纹取为0.6sS）；材料性能参数取平均值；可简化计算得出在退火热处理状态下、高压球形气瓶环向焊缝不同方向允许的当量裂纹尺寸am达29.5mm[2]。
显然，高压球形气瓶在定期检验中所发现、消除、处理的超标缺陷，均远远小于29.5mm，即均安全评定合格。故定期检验所发现的超标缺陷均具有相当大的安全裕度，这一与高压球形气瓶爆破试验时爆破压力大大高于设计压力（达到100MPa以上）的结果也是相符的。
而为可靠地进行AE，可利用全面屈服断裂力学L参量表达式给予评定计算[3]，即：
当 时，AE可有效发现缺陷活动，据前式可计算出按 参量评判的可有效AE的当量裂纹尺寸最小值 为8.4mm，则：
am/a=29.5/8.4=3.5
对比分析上述计算结果可知：即便是通过AET发现了由超标缺陷引起的有效声发射活动源，其仍然可能按照CVDA-1984等安全评定规范评定是合格安全的，仍然可能有达3.5倍以上的安全裕度。
6 结论
综上所述，通过高压球形气瓶的AET，可以有以下结论：
AET证实，在耐压试验压力范围内，经常规检验确定的绝大部分危害性缺陷均未发现有扩展变化活动趋势，也未发现整体或局部结构存在不稳定、应力集中等问题。通过定期监护，高压球形气瓶能够继续安全使用。
高压球形气瓶在定期检验中所发现、消除、处理的超标缺陷，均安全评定合格，AET所发现的活动源所对应的超标缺陷仍然具有相当大的安全裕度。
AET应与常规无损检测相互补充，重点应放在：裂纹类漏检缺陷、可能材料性能不良部位、结构应力集中部位、异常变形部位、漏检部位的有开裂趋向的危害性缺陷上。
由于AET时干扰因素众多，AE活动源必须通过其它有效常规无损检测复查。