基于護(hù)衛(wèi)傳感器聲發(fā)射技術(shù)的封頭分層缺陷安全評估

張曉斌，孫小兵，曾德程，江 村

（廣西特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)院，南寧 530219）

某立式壓力儲(chǔ)罐2006年11月制造，2007年8月在某水電站投入運(yùn)行，其材質(zhì)為16MnR；工作參數(shù)為設(shè)計(jì)壓力6.8MPa，實(shí)際工作壓力5.4～6.3MPa，設(shè)計(jì)溫度0～55℃，介質(zhì)為汽輪機(jī)油和壓縮空氣；其幾何參數(shù)為直徑1200mm，壁厚30mm，容積3.94m3；按1999版《容規(guī)》，其類別為Ⅱ類容器。儲(chǔ)罐出廠時(shí)有質(zhì)量證明書、產(chǎn)品合格證、監(jiān)督檢驗(yàn)證書、銘牌完整，但缺少竣工圖，封頭無單獨(dú)的質(zhì)量證明書。對接焊縫經(jīng)20%射線檢測，按JB／T 4730—2005Ⅱ級(jí)合格，整體熱處理后，水壓試驗(yàn)（PT＝8.5MPa）合格。

投入使用兩年半后，2010年1月第一次對壓力儲(chǔ)罐進(jìn)行全面檢驗(yàn)。測厚檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)封頭存在大面積分層缺陷。上封頭的整個(gè)橢圓面及直邊段的部分位置都存在分層缺陷，缺陷深度距表面約為12.6～15.6mm，且為連續(xù)分層缺陷，缺陷與表面基本平行。2010年的檢驗(yàn)結(jié)論是儲(chǔ)罐監(jiān)控使用，封頭直邊段的分層缺陷作為重點(diǎn)監(jiān)控部位。2011年1月又對該儲(chǔ)罐進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)直邊段缺陷有擴(kuò)展。

文獻(xiàn)［1］分析了分層缺陷的安全及可靠性，但其所述分層缺陷面積比較少，對大面積分層缺陷參考價(jià)值不大。由于本壓力容器是在交變載荷下，分層缺陷在其作用下是否具有活性，是判定該容器是否能安全使用的關(guān)鍵。由于壓力儲(chǔ)罐的充裝介質(zhì)為汽輪機(jī)油和壓縮空氣，且以空氣源作為動(dòng)力源，在容器的下部注入，故擬用基于護(hù)衛(wèi)傳感器的聲發(fā)射方法來排除噪聲聲發(fā)射信號(hào)，以便正確對此缺陷進(jìn)行安全評估，確定該壓力容器是否可繼續(xù)使用。

1 壓力儲(chǔ)罐的應(yīng)力計(jì)算

分層缺陷如在沒有應(yīng)力集中的情況下已經(jīng)判為危險(xiǎn)，那該容器就可以直接判廢。首先分析在沒有應(yīng)力集中的情況下該容器的危險(xiǎn)級(jí)別，確定其是否安全。

假設(shè)封頭分層缺陷沒有應(yīng)力集中，其應(yīng)力為內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力和橢圓封頭與筒體連接處變形不協(xié)調(diào)所致的彎曲應(yīng)力，按薄殼理論求解［2－3］。壓力儲(chǔ)罐受力分析圖如圖1所示。

為保持連續(xù)體，在筒體及封頭連接處將產(chǎn)生邊緣力Q0和邊緣力矩M0，由此引起的彎曲變形與薄膜變形疊加后，筒體及封頭的總變形量一定相等，即：

圖1 壓力儲(chǔ)罐受力分析圖

式中ΔP，ΔM0為在P，Q0，M0作用下產(chǎn)生的徑向位移；θP，θM0為在P，Q0，M0作用下產(chǎn)生的徑向轉(zhuǎn)角。以下標(biāo)1表示圓筒，下標(biāo)2表示橢圓殼，得：

發(fā)生在封頭連接邊緣區(qū)域殼體處內(nèi)表面的總應(yīng)力為：

當(dāng)橢圓a＝2b時(shí)，得：

如分層缺陷無應(yīng)力集中時(shí)，可認(rèn)為此設(shè)備安全。

2 分層缺陷聲發(fā)射檢測方案確定

由壓力儲(chǔ)罐的測厚試驗(yàn)可知，其上封頭橢圓面全為分層結(jié)構(gòu)，直邊段也有部分分層缺陷，且所有分層都連續(xù)。分層缺陷距上表面的厚度在12.6～15.5mm之間，基本與表面平行。由此可知，設(shè)備的上封頭橢圓段和部分直邊段基本可看作是由兩層結(jié)構(gòu)組成。設(shè)備在沒有受壓時(shí)，兩層之間沒有壓力；在受到內(nèi)壓時(shí)，兩層之間有可能存在磨擦、擠壓等現(xiàn)象。因此，當(dāng)受到交變載荷時(shí)，分層缺陷有擴(kuò)展的趨勢，就有產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的可能，故采用聲發(fā)射技術(shù)來檢測分層缺陷是否具有活性。

由于壓力儲(chǔ)罐的工作介質(zhì)為汽輪機(jī)油和壓縮空氣，比例為2∶1，且由空氣源作為動(dòng)力源，由容器的下部注入。檢測過程中，由于空氣從油中穿過，可能引起油泡，油泡的破裂引起的聲發(fā)射信號(hào)可能會(huì)影響檢測的有用信號(hào)，同時(shí)也可能由于閥門泄漏等原因引起的聲發(fā)射信號(hào)也會(huì)影響聲發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量，故選擇基于護(hù)衛(wèi)傳感器的聲發(fā)射檢測技術(shù)來對分層缺陷的活性進(jìn)行判定。理論上可以較好地屏蔽護(hù)衛(wèi)傳感器以下傳來的聲發(fā)射信號(hào)，以此來保證得到真實(shí)的分層缺陷擴(kuò)展信號(hào)。

根據(jù)容器的尺寸及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇四個(gè)傳感器作為定位組，封頭頂部布置一個(gè)，封頭與筒體環(huán)焊縫下50mm處周向均布三個(gè)傳感器，在環(huán)焊縫下500mm處與主傳感器交叉布置三個(gè)護(hù)衛(wèi)傳感器，如圖2所示。

圖2 傳感器布置圖

由壓力儲(chǔ)罐設(shè)備特點(diǎn)可知，設(shè)備噪聲聲發(fā)射信號(hào)主要由底部產(chǎn)生，在測定衰減、波速和背景噪聲后，根據(jù)主傳感器和護(hù)衛(wèi)傳感器之間的最大距離，確定主傳感器的閉鎖時(shí)間為1200μs，因此在護(hù)衛(wèi)傳感器被觸發(fā)后，令主傳感器在閉鎖時(shí)間內(nèi)閉鎖，不產(chǎn)生定位［4］。但記錄所有超過閾值的聲發(fā)射撞擊，以利于數(shù)據(jù)的事后分析處理。

3 聲發(fā)射對分層缺陷的檢測

由于設(shè)備的工作壓力是交變壓力，工作載荷運(yùn)行如圖3所示，交變周期是20～30min，壓力波動(dòng)范圍在5.4～6.3MPa。聲發(fā)射設(shè)備采用PAC公司的SAMOS16，儀器具體設(shè)置參數(shù)為：檢測方式為局部監(jiān)測；檢測頻率100～400Hz；傳感器型號(hào)R15I；固定方式為磁夾具；耦合劑為凡士林；傳感器數(shù)量為7個(gè)；傳感器平均靈敏度為98dB；最大靈敏度99dB；背景噪聲＜35dB；門檻電平40dB；最小靈敏度98dB；增益40dB；模擬源為0.5mm HB筆芯斷鉛信號(hào)；傳感器最大間距1320mm；模擬源距離為1350mm；衰減測量傳感器編號(hào)為1號(hào)；信號(hào)幅度74dB。

各通道閾值設(shè)定為40dB，在6.7MPa壓力開通護(hù)衛(wèi)傳感器功能的情況下，封頭聲發(fā)射定位圖如圖5所示，共有287個(gè)定位事件。通過軟件設(shè)置，對同一組數(shù)據(jù)關(guān)閉護(hù)衛(wèi)傳感器功能時(shí)，定位結(jié)果如圖6所示，共有423個(gè)定位圖。

由圖5和6對比分析可知，有護(hù)衛(wèi)傳感器時(shí)，檢測到的聲發(fā)射信號(hào)很明顯比沒有護(hù)衛(wèi)傳感器時(shí)得到的聲發(fā)射信號(hào)干凈，更利于判斷真實(shí)的聲發(fā)射信號(hào)源。

根據(jù)GB／T18182—2000《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價(jià)方法》［5］，對檢測結(jié)果進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：在壓力＞6.0MPa時(shí)，強(qiáng)度Q＜60dB，為弱強(qiáng)度，活性為強(qiáng)活性，源的綜合等級(jí)為D級(jí)；在壓力＜6.0MPa時(shí)，強(qiáng)度Q＜60dB，為弱強(qiáng)度，活性為非活性，源的綜合等級(jí)為A級(jí)。

根據(jù)上述判定結(jié)果可知，此封頭的分層缺陷局部區(qū)域存在強(qiáng)活性，在交變載荷下存在擴(kuò)展的可能。缺陷的擴(kuò)展也在2011年的檢驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

4 結(jié)論

由于橢圓封頭存在大面積分層缺陷，采用應(yīng)力分析驗(yàn)證了無應(yīng)力集中時(shí)缺陷封頭的可靠性。根據(jù)壓力儲(chǔ)罐的工作介質(zhì)和加載特點(diǎn)，采用基于護(hù)衛(wèi)傳感器的聲發(fā)射技術(shù)對分層缺陷進(jìn)行了局部監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明，在有護(hù)衛(wèi)傳感器的條件下，聲發(fā)射的信號(hào)更能真實(shí)地反映缺陷聲發(fā)射源產(chǎn)生的信號(hào)；分層缺陷在交變載荷的作用下，存在缺陷擴(kuò)展的可能。根據(jù)檢測結(jié)果，建議使用單位更換封頭，在未更換封頭前盡量使壓力保持在6.0MPa以下使用。

［1］王志文，蔡仁良.化工容器設(shè)計(jì)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計(jì)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［3］盛水平.80m3液化氣臥罐封頭夾層缺陷的安全分析［J］.壓力容器，1993，10（5）：76－79.

［4］林春明，康葉偉，王維斌，等.護(hù)衛(wèi)傳感器在拱頂儲(chǔ)罐底聲發(fā)射檢測中的應(yīng)用［J］.無損檢測，2010，32（8）：620－622.

［5］GB／T 18182—2000 金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價(jià)方法［S］.