顧建平 張延兵 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院

日前受企業(yè)委托對(duì)5只超純液氨罐式集裝箱進(jìn)行全面檢驗(yàn)，依據(jù)TSG R7001-2013《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》要求，該容器需要開(kāi)罐、清洗和置換，達(dá)到檢驗(yàn)條件后，方可進(jìn)行檢驗(yàn)。而容器一旦打開(kāi)，外部空氣進(jìn)入，將會(huì)破壞容器內(nèi)表面穩(wěn)定的鈍化層，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有超純液氨罐的鈍化技術(shù)；另一方面，由于容器內(nèi)部盛裝純度達(dá)到99.99999%的液氨, 國(guó)內(nèi)也沒(méi)有能將容器內(nèi)部置換為純度達(dá)到7個(gè)9真空度的工藝,整個(gè)鈍化和置換過(guò)程都需要在國(guó)外完成，檢驗(yàn)成本耗費(fèi)巨大。依據(jù)TSG R7001-2013第二十九條規(guī)定：對(duì)于無(wú)法進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)的壓力容器，應(yīng)當(dāng)采用可靠的檢測(cè)技術(shù)（例如內(nèi)窺鏡、聲發(fā)射、超聲檢測(cè)等）從外部檢測(cè)內(nèi)部缺陷。為保證檢驗(yàn)的順利進(jìn)行, 采用同樣高純度的液氮對(duì)容器進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，在此過(guò)程中使用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)排查容器本體活性缺陷的分布狀態(tài)，利用超聲檢測(cè)對(duì)疑似缺陷部位進(jìn)行復(fù)查，兩種檢測(cè)方法綜合使用從而為全面檢驗(yàn)提供可靠無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)支撐。

1 聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程

超純液氨罐式集裝箱的容積24.1mm3，設(shè)計(jì)壓力為2.2MPa，氣密試驗(yàn)壓力為2.2MPa，壁厚20mm，無(wú)內(nèi)襯，材質(zhì)為16MnDR。

1.1 檢測(cè)儀器及傳感器布置

采用美國(guó)PAC公司的SAMOS型48通道聲發(fā)射儀，傳感器型號(hào)為DP15I，其測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。由于容器上部有遮陽(yáng)板，底部與車(chē)體連接，在封頭部分有人孔、閥門(mén)和儀表等，整個(gè)容器表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本次檢測(cè)采用對(duì)整個(gè)容器表面密布傳感器逐點(diǎn)監(jiān)測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)缺陷的定位。聲發(fā)射儀器的設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 聲發(fā)射儀器參數(shù)設(shè)定

1.2 氣密性試驗(yàn)加載過(guò)程

本次檢測(cè)是在容器的氣密性試驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)容器進(jìn)行整體聲發(fā)射檢測(cè)，以衡量容器是否有活性缺陷。由于氣密性試驗(yàn)只需要做一次加載程序，所以無(wú)法按照GB18182-2012《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)及結(jié)果評(píng)價(jià)方法》中的要求進(jìn)行完整的兩次加載循環(huán)，故不能對(duì)其進(jìn)行定量的缺陷源的綜合等級(jí)評(píng)價(jià)。但這并不影響對(duì)容器檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的判定，主要是因?yàn)槁暟l(fā)射檢測(cè)中兩次加載過(guò)程中，第二次加載循環(huán)為第一次加載循環(huán)的復(fù)驗(yàn)，其主要目的是為防止一次加載循環(huán)中出現(xiàn)人為或環(huán)境干擾等因素造成聲發(fā)射信號(hào)采集的不準(zhǔn)確。在很多情況下，在一次加載循環(huán)中出現(xiàn)擴(kuò)展的缺陷，由于已將缺陷累積的活性能量釋放，二次加載在沒(méi)有超過(guò)一次加載最高壓力的情況下，將不再有擴(kuò)展現(xiàn)象，除非具有較強(qiáng)活性的缺陷，在第二次加載過(guò)程中再次出現(xiàn)缺陷擴(kuò)展。這種情況只要對(duì)所有在一次加載循環(huán)中出現(xiàn)的疑似缺陷部位進(jìn)行復(fù)查即可滿(mǎn)足要求。這也是聲發(fā)射檢測(cè)“重第一次升壓、輕第二次升壓”原則的緣由。加載分四個(gè)階段進(jìn)行，如圖2所示。

圖2 氣密性試驗(yàn)載荷曲線(xiàn)圖

2 聲發(fā)射檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

按照預(yù)定的加載程序?qū)θ萜鬟M(jìn)行氣密性試驗(yàn)，并采用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)其缺陷的活動(dòng)情況。在0～2.2MPa四個(gè)加載、保壓循環(huán)中，在前三個(gè)階段均未發(fā)現(xiàn)有異常聲發(fā)射信號(hào)，從2.0MPa升壓至2.2MPa過(guò)程中，在壓力臨近2.2MPa時(shí)，在3號(hào)通道（前封頭）附近出現(xiàn)了大量的聲發(fā)射信號(hào)集中現(xiàn)象如圖3所示，同時(shí)在2.2MPa保壓階段此信號(hào)繼續(xù)保持，見(jiàn)圖4所示。

2.1 幅值分析

圖3 升壓階段2.0～2.2MPa 3號(hào)傳感器幅值圖

圖4 保壓過(guò)程2.2MPa 3號(hào)傳感器幅值圖

對(duì)保壓過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)幅值進(jìn)行分析，這些聲發(fā)射信號(hào)的幅值并不是很高，絕大部分都在60dB以下，但由于聲發(fā)射技術(shù)重活性輕幅值的信號(hào)分析原則，還需要更加重視信號(hào)的具體活性分布情況。從幅值圖上可以看出，其幅值信號(hào)相對(duì)于常規(guī)聲發(fā)射噪聲信號(hào)有兩處明顯不同：首先信號(hào)比較密集，即信號(hào)的活性較強(qiáng)，這說(shuō)明在這一過(guò)程中有較強(qiáng)活性的聲發(fā)射源的存在；另一方面，其聲發(fā)射信號(hào)都呈現(xiàn)瞬時(shí)特征，即異常信號(hào)都是在某一時(shí)刻突然增加，信號(hào)從發(fā)生到消失持續(xù)時(shí)間非常短，這是典型的突發(fā)型信號(hào)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可以說(shuō)明在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中在3號(hào)通道處有異常聲發(fā)射源的產(chǎn)生，進(jìn)而傳感器采集到了這一信號(hào)，但這一異常信號(hào)的性質(zhì)還不能簡(jiǎn)單的據(jù)此進(jìn)行判斷，更不可單純依據(jù)幅值信號(hào)的特征就對(duì)容器進(jìn)行安全等級(jí)的評(píng)定。

2.2 波形分析

任意選取幅值圖上的其中一處突發(fā)型聲發(fā)射聚集信號(hào)，觀察其波形，可以看出，其為典型的沖擊波如圖5所示?；緵](méi)有其他相近能量的信號(hào)波形混入，證明其信號(hào)來(lái)源單一，信號(hào)指向性非常明確。從表3中的該瞬時(shí)波形的信號(hào)特征參數(shù)中可以看出，其信號(hào)的能量非常低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬材料缺陷擴(kuò)展信號(hào)的能量數(shù)值，因?yàn)槿毕輸U(kuò)展是母材或焊縫材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波，其宏觀表現(xiàn)為缺陷的活動(dòng)狀態(tài)，其能量一般達(dá)到幾千甚至更高，而此次檢測(cè)采集到的聲發(fā)射信號(hào)其能量顯然不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，從常規(guī)分析而言，一般只有噪聲信號(hào)才會(huì)有如此低的能量，此信號(hào)不足以判定在3號(hào)傳感器處其存在較強(qiáng)活性的疑似缺陷。

圖5 波形分析

表2 選取信號(hào)波形特征參數(shù)

2.3 能量分析

為進(jìn)一步確認(rèn)采集到的異常聲發(fā)射信號(hào)類(lèi)別，對(duì)其進(jìn)行全過(guò)程的能量分析，如圖6所示。從3號(hào)通道的能量圖上可以看出，在整個(gè)保壓過(guò)程中，絕大部分信號(hào)的能量都集中在非常低的區(qū)域，只有少量的信號(hào)能量達(dá)到了800左右，這與幅值信號(hào)中大量聲發(fā)射信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)快速出現(xiàn)的現(xiàn)象完全不同，如果單從幅值信號(hào)看，就會(huì)很容易判定在保壓過(guò)程中出現(xiàn)的大量瞬時(shí)信號(hào)集中，為缺陷在載荷作用下的擴(kuò)展。但從信號(hào)的能量分析就會(huì)得出截然不同的現(xiàn)象，在整個(gè)保壓過(guò)程中基本沒(méi)有高能量信號(hào)，容器本體活性狀態(tài)非常穩(wěn)定。再加上其信號(hào)能量非常低，且總體撞擊數(shù)也很少，基本可以排除這些異常信號(hào)為金屬內(nèi)部缺陷的活性擴(kuò)展信號(hào)。

圖6 能量-時(shí)間歷程圖

2.4 數(shù)據(jù)濾波處理

依據(jù)對(duì)采集的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)分析，可以確定3號(hào)通道采集到的聲發(fā)射信號(hào)不是金屬材料缺陷擴(kuò)展信號(hào)，為進(jìn)一步的確認(rèn)推測(cè)結(jié)果，對(duì)采集到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理，對(duì)于能量小于等于1的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，觀察其在整個(gè)保壓過(guò)程的幅值信號(hào)(見(jiàn)圖7)。

圖7 數(shù)據(jù)濾波后的幅值圖

從數(shù)據(jù)濾波后的信號(hào)幅值圖上可以看出，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)濾波后，3號(hào)通道采集到的大量聲發(fā)射聚集事件消失，只剩下零散的幾個(gè)聲發(fā)射信號(hào)，說(shuō)明在保壓過(guò)程中的異常聲發(fā)射信號(hào)為外界噪聲的干擾。由于噪聲持續(xù)時(shí)間較短所以其累積效應(yīng)很小，導(dǎo)致能量很小，也是噪聲信號(hào)的典型特征。從處理后的數(shù)據(jù)可以看出，聲發(fā)射信號(hào)總體數(shù)量大大降低，在整個(gè)保壓過(guò)程中，信號(hào)離散出現(xiàn)，且幅值較低，這與缺陷擴(kuò)展瞬時(shí)擴(kuò)展的特征不符，綜合上述分析，可以從信號(hào)層面排除容器本體存在活性缺陷。

為進(jìn)一步驗(yàn)證聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對(duì)發(fā)現(xiàn)異常聲發(fā)射信號(hào)的區(qū)域進(jìn)行其他無(wú)損檢測(cè)方式進(jìn)行復(fù)查，對(duì)于表面缺陷采用滲透探傷進(jìn)行復(fù)查，對(duì)于埋藏缺陷采用超聲波探傷進(jìn)行復(fù)查，均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷的存在，復(fù)驗(yàn)結(jié)果證明了聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析的正確性。

3 關(guān)于現(xiàn)有壓力容器缺陷評(píng)定規(guī)則合理性的探討

針對(duì)此次超純液氨罐聲發(fā)射檢測(cè)做一個(gè)大膽的假設(shè)：假如對(duì)3號(hào)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行能量分析并進(jìn)行噪聲濾波處理，其結(jié)果仍然呈現(xiàn)出與幅值信號(hào)類(lèi)似的大量瞬時(shí)能量集中現(xiàn)象，信號(hào)能量在200-500范圍內(nèi)，相對(duì)于正常的金屬缺陷開(kāi)展信號(hào)能量，其數(shù)值較小且甚至差了一個(gè)數(shù)量級(jí)。由于《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)及結(jié)果評(píng)定方法》重活性輕強(qiáng)度的信號(hào)評(píng)定原則，此缺陷信號(hào)仍然屬于強(qiáng)活性，需要進(jìn)行其他無(wú)損檢測(cè)復(fù)查，而采用射線(xiàn)或超聲檢測(cè)進(jìn)行缺陷的復(fù)查后，該區(qū)域被評(píng)定為Ⅰ級(jí)片或缺陷均在評(píng)定線(xiàn)以下，此時(shí)聲發(fā)射檢測(cè)顯示強(qiáng)活性，而壓力容器的評(píng)判規(guī)則顯示容器是安全的，如果出現(xiàn)此種情況該如何判定壓力容器的安全性。

依據(jù)現(xiàn)有的壓力容器檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程，容器安全狀況等級(jí)評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)都是依據(jù)缺陷的大小、深度、長(zhǎng)度等幾何尺寸進(jìn)行判定，當(dāng)缺陷小于某一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)就認(rèn)為容器是安全的。筆者認(rèn)為這種評(píng)定方法有一些不合理之處，依據(jù)聲發(fā)射技術(shù)對(duì)缺陷的分類(lèi)，將缺陷分為兩種：活性缺陷和死缺陷，對(duì)于死缺陷聲發(fā)射評(píng)定方法認(rèn)為其合格，對(duì)于活性缺陷就需要針對(duì)其活性程度等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)的安全狀況等級(jí)評(píng)定。對(duì)比壓力容器的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)與聲發(fā)射檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，在兩者之間存在一個(gè)交叉區(qū)域，即當(dāng)缺陷尺寸很小，又達(dá)不到壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的缺陷評(píng)定等級(jí)（如超聲檢測(cè)中的評(píng)定線(xiàn)以下的小缺陷，射線(xiàn)檢測(cè)中的Ⅰ級(jí)底片等），此時(shí)就會(huì)評(píng)定為合格。但是如果這個(gè)小的缺陷其活性程度非常高，在試驗(yàn)載荷下其缺陷擴(kuò)展的速度非?？欤暟l(fā)射信號(hào)事件呈現(xiàn)快速增加趨勢(shì)，此時(shí)依據(jù)聲發(fā)射檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求，此種壓力容器是不合格的壓力容器，需要立即停止試驗(yàn)，找出缺陷修復(fù)合格后才可以繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)。而這種小缺陷強(qiáng)活性的案例確實(shí)存在。

如我國(guó)進(jìn)口的一結(jié)晶壓力容器，在設(shè)備驗(yàn)收時(shí)，對(duì)容器進(jìn)行整體無(wú)損檢測(cè)，傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)如射線(xiàn)、超聲、磁粉、滲透等均未發(fā)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)缺陷存在，但通過(guò)電鏡掃描發(fā)現(xiàn)在容器母材表面存在大量微裂紋，長(zhǎng)度均為千分之幾毫米左右(容器筒體卷板為冷成型)，在聲發(fā)射檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)在大量的微裂紋集中區(qū)域，其聲發(fā)射信號(hào)活性非常強(qiáng)，如果按照GB/T18182-2012進(jìn)行評(píng)判，此容器的安全等級(jí)就會(huì)下降很多，但依據(jù)現(xiàn)有的壓力容器評(píng)定規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)，此容器是安全的（具體見(jiàn)《中國(guó)特種設(shè)備安全》2013年第11期“金屬壓力容器水壓試驗(yàn)聲發(fā)射檢測(cè)”)，目前該容器已申請(qǐng)進(jìn)行安全評(píng)估。

4 結(jié)論

從上面的分析可以看出，單純依據(jù)現(xiàn)有壓力容器檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)缺陷進(jìn)行安全評(píng)定有一些值得商榷的東西，至少是不全面的，尤其對(duì)于有較高使用要求的壓力容器（如核電、軍工、航天等領(lǐng)域）其對(duì)容器本身的要求相當(dāng)高，容不得些許隱患的存在。此時(shí)對(duì)缺陷的排查及評(píng)定就顯得非常重要。壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)在對(duì)缺陷評(píng)定時(shí)引入了活性的概念，從缺陷的活性方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)缺陷的安全等級(jí)評(píng)定，避免了強(qiáng)活性小尺寸缺陷的漏檢，是對(duì)傳統(tǒng)缺陷形狀尺寸評(píng)定的一種有益補(bǔ)充，綜合利用兩種評(píng)定方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷更準(zhǔn)確更科學(xué)的判定，對(duì)于更大程度上保證設(shè)備的安全應(yīng)該具有積極的意義。