聲發(fā)射技術在高噪聲背景下的檢測應用

田亞團，蔣仕良，李 杰，李 東

（1.中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300271；2.山東華魯恒升化工股份有限公司，德州 253024）

某公司一臺氣化爐在運行中發(fā)生超溫，導致器壁局部開裂，廠方對開裂部位進行了挖補和更換壁板處理（見圖1），并對更換壁板后的四條焊縫進行了相應的檢測。超聲及TOFD 檢測發(fā)現(xiàn)HB2、HB3焊縫上共有10處內(nèi)部缺陷，其中HB2上有6處缺陷，HB3 上有4 處缺陷，最深缺陷距外壁為69.4mm，最長104.3mm，未作消缺處理。為了確定這些缺陷的活動狀況，筆者對該補焊部位的四條焊縫在高背景噪聲情況下進行了在線聲發(fā)射檢測，對檢測數(shù)據(jù)通過濾波分析等數(shù)據(jù)處理，參考設備修復處理情況，最終確定，HB3 焊縫中的缺陷為活動缺陷，應作為重點監(jiān)控對象［1－2］。

圖1 氣化爐現(xiàn)場挖補部位（白色線標示）

1 背景介紹

1.1 設備參數(shù)及問題

該氣化爐為潔凈煤氣化生產(chǎn)裝置中的重要設備，主體材料為SA387Cr11C12＋316L（修補部位為：SA387Cr11C12 ＋304L ＋316L），規(guī) 格 為φ2 820mm×16 202 mm×（84＋4）mm 修補部位壁厚為：80＋4＋4mm，設計壓力為6.9 MPa，設計溫度為425℃，實際工作壓力為6.2～6.45MPa，工作溫度為270 ℃，介質為O2、H2、CO、H2O、H2S、爐渣，2006年8月制造，2007年1月投用。2010年3月份廠方在巡檢中發(fā)現(xiàn)器壁有漏氣現(xiàn)象，拆除保溫層后，發(fā)現(xiàn)該部位存在一條長300mm、寬20mm 的裂口，且開裂部位附近有鼓凸現(xiàn)象，經(jīng)查閱DCS運行記錄發(fā)現(xiàn)，該氣化爐運行中曾經(jīng)超溫達1 000℃。

1.2 廠方處理經(jīng)過

事后，廠方抽取泄漏部位附近的材料進行了拉伸、沖擊、金相等檢驗，最終分析開裂由超溫引起。根據(jù)材料的各項分析指標結合生產(chǎn)實際綜合考慮，廠方最終選擇挖補法進行修補，挖補寬度為3 840mm，高度為1 400mm，修補部位焊縫編號為HB2、HB3、HA1、HA2（見圖1標注）?？紤]挖補后整體容器應力分布問題，對四個焊口的開設方式做了相應的調(diào)整，不同部位采用了不同的坡口方式，如圖2所示。焊接用焊材牌號為R307，采用內(nèi)打底外清根的焊接步驟進行焊接，焊接前先對原器壁焊接部位進行消氫處理，后對坡口兩側進行150 ℃以上焊前預熱，焊后消氫處理，焊后，筒節(jié)進行720 ℃整體熱處理，耐壓試驗過程中，在四條焊道上均布應力測試片，測得HB2、HB3兩條焊縫的應力相對較高。

圖2 焊縫坡口方式

焊后廠方進行的超聲波檢測發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部缺陷位置見圖中31～10 所示，其中HB2 上有6 處、HB3上有4處。缺陷大小見表1，2010年5月該容器在重新投用前未對這10處內(nèi)部缺陷進行處理。

表1中缺陷位置前項字母表示缺陷所在焊縫，后項數(shù)字表示缺陷距本條焊縫零點的距離。

圖3 修補部位焊縫內(nèi)部缺陷分布

表1 埋藏缺陷超聲波檢測評級表

2 聲發(fā)射檢測

2010年6月，對該容器挖補部位四條焊縫進行聲發(fā)射在線檢測，以確定其內(nèi)壁缺陷的活動情況及是否有新生缺陷。此次檢測采用美國物理聲學公司（PAC）的SAMOS 聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，主機型號為SAMOS－MAIN－48，檢 測 軟 件 為 AE－WIN－TBLOC，選取的探頭型號為R15I－AST，參考GB／T 18182－2000《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結果評價方法》進行檢測。因此次檢驗為在線檢驗，設備工作溫度為270℃，超出探頭承受范圍，不能在容器器壁上直接布置探頭，故此次借助波導桿進行檢測。檢測采用線性定位及區(qū)域定位兩種方式進行，以判別缺陷活動位置。

2.1 探頭布置

在容器修補完后，廠方已在器壁上布置了相應的波導桿，如圖4所示，波導桿長度為600 mm，此次檢測根據(jù)檢測需要選取相應的波導桿進行檢測，探頭布置選取A1，A2，A5，A6，A7，A8，A11，A12共計8個波導桿位置進行檢測，線性檢測分四組，其中A1，A12對HA1焊縫進行檢測；A2，A5對HB3焊縫進行檢測；A6，A8對HA2焊縫進行檢測；A7，A11對HB2焊縫進行檢測。區(qū)域檢測分三組，其中A11波導桿處探頭針對缺陷1／2／3進行檢測；A8波導桿處探頭針對缺陷4～6進行檢測；A5波導桿處探頭針對缺陷7～10進行檢測。

圖4 波導桿布放位置示意

2.2 檢測過程

檢測過程依據(jù)GB／T 18182進行。檢測前，測得背景噪聲高達80dB，超過常規(guī)檢測值（40dB 以下）。為了獲得背景噪聲的信號特征值，在正式檢測前，采集15分鐘的背景噪聲信號作為標準分析數(shù)據(jù)。檢測中將儀器的門檻值設置為35dB，以期獲得更多的檢測過程數(shù)據(jù)，為后期數(shù)據(jù)分析提供完整的數(shù)據(jù)庫。

檢測采用系統(tǒng)升降壓2次加壓循環(huán)方式，加載速率不大于0.5 MPa／min，第一次升壓由6.2 MPa升至6.3 MPa，保壓15min，再升壓至6.5 MPa，保壓30min，降壓至6.2MPa，保壓5min；第二次升壓由6.2 MPa升壓至6.5 MPa，保壓15min，卸壓檢測完成。

3 超聲檢測復驗

7月份在該容器停車檢修過程中，采用超聲波探傷對原檢測部位進行復探，以判斷聲發(fā)射檢測數(shù)據(jù)的正確性，超聲波復探結果詳見表2所示。

表2 埋藏缺陷超聲波復探結果及評級

4 檢測數(shù)據(jù)分析

此次檢測背景噪聲信號幅值最高達到80dB，超過常規(guī)檢測要求，不能采用常規(guī)方法分析。數(shù)據(jù)分析中采用了數(shù)據(jù)濾波技術對背景噪聲進行濾除，參考GB18182對檢測信號進行分級。

經(jīng)過對采集的背景噪聲信號的分析，得出其信號特征有如下特點：多數(shù)信號的平均頻率小于30；峰值頻率小于10kHz；信號的能量小于20［4］。

經(jīng)過對以上特征參數(shù)的濾波處理，得到此次聲發(fā)射檢測具體情況如下如圖5所示：

第一階段為6.2 MPa升壓至6.5 MPa，然后6.5 MPa保壓。

第一階段升壓過程中，HB3焊縫有大量源信號產(chǎn)生，信號較多部位集中在1 000，2 000，3 000mm三個部位，最高幅值為82dB；焊縫HB2有少量有效的信號源產(chǎn)生如見圖5（a），5（b）所示。焊縫HA1，HA2沒有有效的信號源產(chǎn)生。

第一階段保壓過程中，HB3焊縫有大量源信號產(chǎn)生，信號較多部位集中在1 200，2 200，2 800mm三個部位，最高幅值為82dB；焊縫HA2、HB2有少量信號源產(chǎn)生如圖5（c）所示，焊縫HA1沒有有效的信號源產(chǎn)生。

第二階段為6.3 MPa升壓至6.45 MPa，然后6.45 MPa保壓。

第二階段升壓過程中，HB3焊縫有大量源信號產(chǎn)生，信號較多部位集中在2 000，2 300，3 800mm三個部位，最高幅值為81dB 如圖5（e）所示；焊縫HA1、HA2、HB2沒有有效的信號源產(chǎn)生。

第二階段保壓過程中，HB3焊縫有大量源信號產(chǎn)生，信 號 較 多 部 位 集 中 在1 000，2 000，2 400，3 000，3 800mm 五個部位，最高幅值為78dB如圖5（f）所示；焊縫HA1、HA2、HB2 沒有有效的信號源產(chǎn)生。

依據(jù)GB18182評價HB3焊縫上1 000mm 附近源為活性中強度，為D 級源；2 000mm 附近的源為強活性中強度，為E 級源；3 000mm 附近的源為活性中強度，為D 級源；3 800mm 附近的源為弱活性中強度，為C級源。表明此四個部位均存在活性源。本次檢測，由于系統(tǒng)工藝調(diào)試的限制，未達到裝置滿負荷時的最高工作壓力，僅升壓至6.5MPa，如果繼續(xù)升壓，此三個活性缺陷源可能會擴展，也可能有新的活性缺陷源產(chǎn)生。

超聲波復探結果與原廠方檢測數(shù)據(jù)對比，見表3所示，存在一定差異，考慮到檢測方法的差異，具體數(shù)值上會有一定的差異，在超聲波復探中，發(fā)現(xiàn)一新缺陷，從超聲波復探缺陷的位置來分析，與聲發(fā)射源區(qū)基本吻合，據(jù)此判斷，HB3 焊縫上由聲發(fā)射檢測評定的活動缺陷基本是由這些內(nèi)部未處理的缺陷，由此也證明，聲發(fā)射在高背景噪聲下檢測類似設備的缺陷是可行的，為了進一步檢驗聲發(fā)射檢驗的可行性，還需進一步做對比檢測，這樣才能更準確地評價聲發(fā)射的可行性。

表3 兩組超聲波檢測數(shù)據(jù)對比

綜合以上分析，建議該氣化爐在運行期間應周期性地對其進行聲發(fā)射在線監(jiān)測；監(jiān)測重點為HB3焊縫，運行中嚴禁該容器超壓運行，最高使用壓力應不大于6.45MPa；停車檢修期間或另擇時機對該容器相應部位進行超聲波復驗，以繼續(xù)跟蹤原有缺陷的擴展情況。

5 結束語

此次檢測，是聲發(fā)射在高噪聲背景下的一次實例應用，也是一次新的嘗試，檢測后發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射檢測技術與常規(guī)無損檢測方法發(fā)現(xiàn)的缺陷有良好的對應關系。建議該容器在后期運行過程中每季度對該部位進行一次工作狀態(tài)下的聲發(fā)射在線檢測；建立氣化爐定期聲發(fā)射在線檢測數(shù)據(jù)檔案，對定期檢測數(shù)據(jù)進行更加詳細的對比分析，及時掌握氣化爐的健康狀況，以便更加有效地保證氣化爐的安全運行，同時也為聲發(fā)射在類似工況下的在線檢測積累更多有價值的數(shù)據(jù)。

［1］ 王春茂，祝衛(wèi)國，袁濤，等.基于聲發(fā)射和超聲TOFD的在線檢驗技術研究及應用［J］.石油和化工設備，2009（3）：20－22.

［2］ 張穎，戴光，李偉，等.吸附塔聲發(fā)射定期在線檢測方法的研究與應用［J］.化工機械，2009，36（2）：144－149.

［3］ 張忠正，鞏建鳴，等.聲發(fā)射技術在焦炭塔檢驗中的應用［J］.無損檢測，2010，32（2）：143－148.

［4］ 孫雷，沈建民，毛國鈞，等.壓力容器檢測中常見非缺陷信號分析［J］.無損檢測，2008，30（8）：550－552.