高壓球形氣瓶的聲發(fā)射檢測

高壓球形氣瓶的聲發(fā)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(fā)射檢測和典型危害性超標缺陷活度聲發(fā)射監(jiān)測，獲得了中高壓氣瓶缺陷安全狀況的基礎實驗數(shù)據(jù)。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(fā)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(fā)射缺陷活度監(jiān)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(tài)下，評價常規(guī)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(huán)節(jié)、材料組織性能異常狀況缺陷以及常規(guī)NDT方法的漏檢狀況。
1 檢測對象及常規(guī)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(jīng)多次定期檢驗，外表面主環(huán)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(fā)現(xiàn)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(fā)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(chǎn)品銘牌上部主環(huán)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(qū)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(fā)射數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)任何聲發(fā)射活動源，高壓球形氣瓶經(jīng)聲發(fā)射檢測合格。7B、8A其聲發(fā)射活動源部位經(jīng)復驗發(fā)現(xiàn)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(shù)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(xù)使用 繼續(xù)使用 監(jiān)護使用 監(jiān)護使用
備注 / / 有超標缺陷 有超標缺陷
4 特征參數(shù)分布狀況分析
在有代表性的加載狀態(tài)下，AE活動源的特征參數(shù)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(shù)分布如圖2~3所示。
圖2 高壓球形氣瓶（7B）主要特征參數(shù)－Hits分布圖
圖3 高壓球形氣瓶（8A）主要特征參數(shù)－Hits分布圖
其主要特征參數(shù)與撞擊（Hits）的分布規(guī)律為：振幅分布于30～60db，也有極少量分布于60～100db；持續(xù)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(shù)可以認為具有很小的取值，分布于0～200；計數(shù)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(shù)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(shù)取平均值；可簡化計算得出在退火熱處理狀態(tài)下、高壓球形氣瓶環(huán)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(fā)現(xiàn)、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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)缺陷活動，據(jù)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(fā)現(xiàn)了由超標缺陷引起的有效聲發(fā)射活動源，其仍然可能按照CVDA-1984等安全評定規(guī)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(jīng)常規(guī)檢驗確定的絕大部分危害性缺陷均未發(fā)現(xiàn)有擴展變化活動趨勢，也未發(fā)現(xiàn)整體或局部結構存在不穩(wěn)定、應力集中等問題。通過定期監(jiān)護，高壓球形氣瓶能夠繼續(xù)安全使用。
高壓球形氣瓶在定期檢驗中所發(fā)現(xiàn)、消除、處理的超標缺陷，均安全評定合格，AET所發(fā)現(xiàn)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(guī)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(guī)無損檢測復查。