楊志剛

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450016)

作為保障鍋爐、壓力容器和壓力管道等承壓類特種設(shè)備安全運(yùn)行的重要保護(hù)裝置之一，安全閥可在設(shè)備內(nèi)介質(zhì)壓力過高時(shí)自動(dòng)開啟并排放介質(zhì)，當(dāng)壓力恢復(fù)正常后再自行關(guān)閉，以防設(shè)備在異常狀況時(shí)超壓而引發(fā)爆炸等事故[1]。安全閥性能正常時(shí)，其應(yīng)能準(zhǔn)確開啟、適時(shí)全開、穩(wěn)定排放、及時(shí)關(guān)閉和保持可靠密封。為保證安全閥性能正常，目前我國(guó)相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范規(guī)定安全閥需進(jìn)行定期校驗(yàn)。安全閥定期校驗(yàn)有離線和在線兩種方式[2]，以離線校驗(yàn)為主，校驗(yàn)項(xiàng)目主要包括整定壓力和密封性能。已校驗(yàn)合格的安全閥，在使用過程中由于自身缺陷擴(kuò)展、高溫持續(xù)作用、內(nèi)外介質(zhì)侵蝕、非正常開啟等多種因素影響，其整定壓力和密封性能可能會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致其不能按規(guī)定的整定壓力值開啟或者發(fā)生泄漏，失去原有安全保護(hù)作用，影響安全生產(chǎn)[3]。

超聲導(dǎo)波和聲發(fā)射作為非常規(guī)的無損檢測(cè)技術(shù)，具有檢測(cè)速度快和檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，近些年在承壓類特種設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用也日益廣泛。文章在超聲導(dǎo)波和聲發(fā)射技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，研究了采用超聲導(dǎo)波檢測(cè)安全閥彈簧中缺陷和采用聲發(fā)射檢測(cè)安全閥密封面泄漏的可行性，并通過模擬試件進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)在用安全閥檢測(cè)具有重要的參考意義。

1 安全閥工作原理

安全閥種類繁多，其中以彈簧直接載荷式安全閥最為常見，應(yīng)用也最為廣泛。如圖1所示，閥瓣和閥座一起組成安全閥的密封副，彈簧壓縮變形后產(chǎn)生的彈力作用于閥瓣，產(chǎn)生向下的壓緊力；安全閥進(jìn)口側(cè)的介質(zhì)具有內(nèi)壓，其作用于閥瓣，產(chǎn)生向上的介質(zhì)作用力。要使安全閥保持密封，密封副必須產(chǎn)生一定的彈塑性變形[4]，為此兩個(gè)作用力的差值有一個(gè)最小值，此值即為安全閥的密封力。

圖1 彈簧直接載荷式安全閥密封原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of sealing principle of spring direct load safety valve

當(dāng)被保護(hù)設(shè)備中介質(zhì)壓力處于允許值范圍內(nèi)時(shí)，彈簧向下壓緊力大于介質(zhì)向上的作用力和密封力之和，安全閥保持良好的密封狀態(tài)。隨著被保護(hù)設(shè)備中介質(zhì)壓力逐漸升高，彈簧向下壓緊力和介質(zhì)向上作用力的差值小于密封力，密封副無法維持原有的彈塑性變形，安全閥的密封狀態(tài)被打破，內(nèi)部介質(zhì)開始從密封面泄漏。當(dāng)介質(zhì)壓力升高到超過安全閥的整定壓力值時(shí)，介質(zhì)向上作用力大于彈簧向下壓緊力，閥瓣與閥座開始脫離并向上升起，安全閥開始開啟。介質(zhì)壓力升高至一定值時(shí)，安全閥作完全開啟，以額定流量排放介質(zhì)。隨著介質(zhì)的排放，介質(zhì)壓力逐漸降低，當(dāng)介質(zhì)壓力小于安全閥的回座壓力時(shí)，彈簧向下壓緊力大于介質(zhì)向上作用力和密封力之和，安全閥重新關(guān)閉并保持密封狀態(tài)。

2 超聲導(dǎo)波技術(shù)在安全閥檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)原理

超聲導(dǎo)波是一種通過超聲能量脈沖而產(chǎn)生的機(jī)械彈性波，在有限邊界介質(zhì)內(nèi)平行于它的邊界平面快速傳播。通過近些年來的不斷發(fā)展，超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)各方面已經(jīng)日趨成熟，在承壓類特種設(shè)備檢測(cè)方面的應(yīng)用也越來越廣泛。

超聲導(dǎo)波主要分為磁致伸縮超聲導(dǎo)波和壓電超聲導(dǎo)波。兩者的本質(zhì)區(qū)別在于發(fā)射與接收超聲波的換能器不一樣。磁致伸縮超聲導(dǎo)波是通過鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射與接收，而壓電超聲導(dǎo)波是通過壓電晶片的壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射與接收[5]。壓電超聲導(dǎo)波檢測(cè)，換能器需要與工件接觸并充分耦合，工件表面需要打磨干凈。磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)通過對(duì)鐵磁性材料施加瞬間的激勵(lì)磁場(chǎng)，以電磁耦合的方式產(chǎn)生機(jī)械波，換能器不需要與工件接觸，工件表面僅需進(jìn)行簡(jiǎn)單的清理，無需打磨處理。

超聲導(dǎo)波檢測(cè)通過激勵(lì)檢測(cè)裝置的換能器，使其發(fā)出超聲能量脈沖而產(chǎn)生機(jī)械波并以工件邊界制導(dǎo)向遠(yuǎn)處傳播形成導(dǎo)波。導(dǎo)波在傳播過程中遇到缺陷時(shí)，會(huì)在缺陷處產(chǎn)生反射回波，反射回波被換能器接收，在壓電逆效應(yīng)或磁致伸縮逆效應(yīng)的作用下，會(huì)引起與換能器相連的接收線圈電壓變化并以特定方式在檢測(cè)軟件中顯示。通過檢測(cè)軟件分析回波信號(hào)的特征可發(fā)現(xiàn)和判斷工件中缺陷的位置和嚴(yán)重程度[6]。

2.2 安全閥彈簧超聲導(dǎo)波檢測(cè)

2.2.1 安全閥彈簧常見缺陷

彈簧直接載荷式安全閥所用彈簧的類型一般為圓柱螺旋彈簧，其加工工藝程序一般有卷制、熱處理、端面磨削、噴丸、強(qiáng)化處理或立定處理、防腐處理等。在彈簧的制造和使用過程中，難免會(huì)產(chǎn)生缺陷，常見的缺陷有裂紋、折疊、凹陷、夾層、夾雜、擦痕、銹蝕等。

2.2.2 檢測(cè)可行性

針對(duì)安全閥彈簧的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合其可能存在的缺陷特征，可采用磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)其是否存在缺陷。磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)裝置的探頭被激勵(lì)而產(chǎn)生機(jī)械波，機(jī)械波在充斥彈簧徑向截面并沿彈簧軸向傳播形成導(dǎo)波。當(dāng)彈簧中存在缺陷并且缺陷在與導(dǎo)波傳播方向不平行的截面上具有一定面積時(shí)，導(dǎo)波在缺陷位置會(huì)發(fā)生反射，反射波在彈簧中傳播并被探頭所接收。通過檢測(cè)軟件對(duì)反射波進(jìn)行分析即可得到彈簧中缺陷的位置和缺陷所造成彈簧缺損的嚴(yán)重程度。

2.2.3 檢測(cè)對(duì)象

為驗(yàn)證磁致伸縮超聲導(dǎo)波技術(shù)檢測(cè)彈簧的可行性，文章選取用一根線徑為32 mm，中徑為160 mm，長(zhǎng)度為4 500 mm，圈數(shù)為9，材質(zhì)為50CrV的圓柱螺旋彈簧作為檢測(cè)對(duì)象，并在彈簧上加工了凹坑和橫向切槽兩種典型模擬缺陷。

2.2.4 檢測(cè)過程

文章使用美國(guó)西南研究院的MsSRv5便攜式低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行模擬檢測(cè)試驗(yàn)。檢測(cè)前，首先在彈簧一端具有完整圓形截面的地方將彈簧表面清理干凈，然后根據(jù)彈簧的線徑用專用剪刀剪裁一段長(zhǎng)度略小于彈簧周長(zhǎng)的鐵鈷合金條帶，使用磁化器沿鐵鈷合金條帶長(zhǎng)度方向?qū)⑵浯呕Ｔ趶椈汕謇砀蓛舻牟课槐砻嫱磕ㄒ恍Ｓ民詈蟿?，將鐵鈷合金條帶沿彈簧周向固定于彈簧表面并保證二者耦合良好，用專用膠帶將鐵鈷合金條帶固定牢靠。將線圈連接在標(biāo)稱頻率為128 kHz的適配器兩端后調(diào)節(jié)適配器固定卡槽之間線圈的長(zhǎng)度，使其與鐵鈷合金條帶緊密貼合，最后將適配器和主機(jī)用數(shù)據(jù)傳輸線連接牢靠。打開數(shù)據(jù)采集和分析軟件，將彈簧的參數(shù)信息輸入軟件，在調(diào)試模式下設(shè)定導(dǎo)波的激發(fā)頻率為135 kHz，檢測(cè)距離范圍為5 m，激勵(lì)模態(tài)為自發(fā)自收，增益值為50 dB，信號(hào)衰減值為0.31 dB/m。確認(rèn)信號(hào)正常并滿足檢測(cè)靈敏度后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模式開始實(shí)施檢測(cè)并采集檢測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2.5 檢測(cè)結(jié)果

在數(shù)據(jù)分析軟件中選擇已保存的檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，使用彈簧端部的反射信號(hào)進(jìn)行距離校正和信號(hào)幅度矯正，設(shè)定參考點(diǎn)(距線圈較遠(yuǎn)的彈簧端部)反射率為15%，靈敏度為2%。結(jié)合模擬試件的特征以及試件中缺陷的位置修正軟件自動(dòng)標(biāo)識(shí)的特征信號(hào)，將無效特征信號(hào)標(biāo)識(shí)刪除后，結(jié)束分析并生成報(bào)告。報(bào)告包含三部分內(nèi)容，分別為檢測(cè)結(jié)果的頻譜圖(圖2)、檢測(cè)結(jié)果的波形圖(圖3)和檢測(cè)結(jié)果的有效特征信號(hào)數(shù)據(jù)(表1)。

圖2 檢測(cè)結(jié)果頻譜圖Fig.2 Spectrurn of test results

圖3 檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果波形圖Fig.3 Waveform chart of test results

表1 檢測(cè)結(jié)果有效特征信號(hào)數(shù)據(jù)表Tab.1 Valid characteristic signal data table of detection results

3 聲發(fā)射技術(shù)在安全閥檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)原理

聲發(fā)射是指當(dāng)材料在受力過程中產(chǎn)生形變或破損時(shí)，局域源能量以彈性波形式釋放出的現(xiàn)象[7]。聲發(fā)射檢測(cè)需對(duì)被檢設(shè)備進(jìn)行加壓處理，使其缺陷擴(kuò)展而產(chǎn)生聲信號(hào)并為傳感器所接收，是一種動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法。通過多年發(fā)展，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)越來越成熟，近年來開始應(yīng)用于泄漏檢測(cè)[8-9]。當(dāng)設(shè)備發(fā)生泄漏時(shí)，流體介質(zhì)在一定壓力作用下從泄漏點(diǎn)的裂隙或孔洞向外噴射，激發(fā)出連續(xù)的機(jī)械波并向外傳播。來自泄漏部位的聲發(fā)射信號(hào)被傳感器接收，經(jīng)壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)放大后被聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)采集。通過檢測(cè)軟件對(duì)采集到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析處理，就可以對(duì)泄漏位置及泄漏量的大小等信息進(jìn)行判斷。

3.2 安全閥密封面泄漏聲發(fā)射檢測(cè)

3.2.1 安全閥密封面泄漏成因

造成安全閥密封面泄漏的原因主要有顆粒狀贓物夾在密封面上導(dǎo)致密封不嚴(yán)、閥座和閥瓣密封面受腐蝕性介質(zhì)侵蝕或受高速排放氣流的沖刷而造成損傷、安全閥同軸度遭受破壞或變形、持續(xù)高溫作用造成閥座和閥瓣密封面膨脹不均勻和彈簧剛度變小、被保護(hù)設(shè)備工作壓力波動(dòng)范圍接近或超過安全閥的密封壓力等。

3.2.2 檢測(cè)可行性

安全閥密封面泄漏時(shí)，介質(zhì)高速穿過微小空隙，突然膨脹形成紊流激發(fā)應(yīng)力波并沿閥體傳播形成聲發(fā)射信號(hào)。泄漏信號(hào)的強(qiáng)弱與安全閥的流道直徑、介質(zhì)壓力等因素密切相關(guān)。安全閥泄漏時(shí)，激發(fā)的應(yīng)力波會(huì)在安全閥閥體中傳播并被聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的探頭所接收。通過檢測(cè)軟件對(duì)探頭接收到的聲信號(hào)進(jìn)行分析即可判斷安全閥密封面泄漏的嚴(yán)重程度。

3.2.3 檢測(cè)對(duì)象

為驗(yàn)證聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)安全閥密封面泄漏的可行性，選取一臺(tái)鍋爐用彈簧直接載荷式安全閥作為檢測(cè)對(duì)象，安全閥的型號(hào)為A41H-16 DN65，流道直徑為50 mm，整定壓力為0.3 MPa，排放壓力為0.36 MPa，回座壓力為0.24 MPa。

3.2.4 檢測(cè)過程

文章使用的聲發(fā)射檢測(cè)儀器為俄羅斯INTERUNIS-IT公司生產(chǎn)的A-Line DDM-2數(shù)字串聯(lián)聲發(fā)射系統(tǒng)，使用的傳感器型號(hào)為SR-190，其中心頻率為190 kHz，試驗(yàn)介質(zhì)為壓縮空氣。檢測(cè)所用的模擬聲發(fā)射信號(hào)源為硬度為2 H，直徑為0.3 mm的鉛芯折斷所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。試驗(yàn)在安全閥校驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，用校驗(yàn)臺(tái)的夾緊裝置將安全閥的進(jìn)口端固定在試驗(yàn)臺(tái)上并保持密封，將傳感器置于安全閥的閥體中腔部位并利用磁夾具進(jìn)行固定。試驗(yàn)過程中同時(shí)采集測(cè)量數(shù)據(jù)和波形數(shù)據(jù)。為研究分析不同泄漏程度下對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射情況，整個(gè)試驗(yàn)過程分為四個(gè)階段，0 s～60 s期間為試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，在此期間，使用模擬聲發(fā)射源對(duì)傳感器的靈敏度進(jìn)行了測(cè)試；61 s～120 s期間為安全閥微量泄漏(泄漏率<20氣泡/min)階段；121 s～200 s為間歇大量泄漏(泄漏率>50氣泡/min)階段，201 s～285 s為持續(xù)大量泄漏階段。

3.2.5 檢測(cè)結(jié)果

整個(gè)試驗(yàn)過程的AE事件—時(shí)間關(guān)聯(lián)圖和平均能量—時(shí)間關(guān)聯(lián)圖分別見圖4和圖5。

圖4 AE事件—時(shí)間關(guān)聯(lián)圖Fig.4 Correlation diagram of AE Event-Time

圖5 平均能量—時(shí)間關(guān)聯(lián)圖Fig.5 Correlation diagram of Average Energy-Time

從圖4、圖5可以看出，當(dāng)安全閥微量泄漏時(shí)，聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)未檢測(cè)到聲發(fā)射信號(hào)；當(dāng)安全閥間歇大量泄漏時(shí)，檢測(cè)到明顯的聲發(fā)射信號(hào)，其事件數(shù)和平均能量隨時(shí)間呈雜散分布狀態(tài)；當(dāng)安全閥持續(xù)大量泄漏時(shí)，同樣可檢測(cè)到明顯的聲發(fā)射信號(hào)，其事件數(shù)和平均能量隨時(shí)間呈穩(wěn)健且連續(xù)分布狀態(tài)。

綜合分析，安全閥發(fā)生微量泄漏時(shí)，泄漏出的介質(zhì)與安全閥密封面的摩擦非常輕微，釋放出的能量較小，幾乎無聲發(fā)射信號(hào)；安全閥間歇大量泄漏時(shí)，介質(zhì)從安全閥密封面間微小縫隙間歇高速流出并釋放大量能量，激發(fā)出應(yīng)力波，可明顯檢測(cè)到聲發(fā)射信號(hào)，但聲發(fā)射信號(hào)是不連續(xù)的；安全閥持續(xù)大量泄漏時(shí)，介質(zhì)從安全閥密封面間縫隙持續(xù)大量高速流出，介質(zhì)流出的同時(shí)釋放大量能量，形成連續(xù)的應(yīng)力波，可檢測(cè)到連續(xù)且能量幾乎一致的聲發(fā)射信號(hào)。

4 結(jié)論

1)采用超聲導(dǎo)波可對(duì)安全閥彈簧中存在的缺陷進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)具有可行性。

2)采用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)安全閥的泄漏情況進(jìn)行檢測(cè)具有可行性，但在安全閥微量泄漏時(shí)，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)靈敏度不高。

3)超聲導(dǎo)波和聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)可作為在用安全閥安全狀況檢測(cè)和評(píng)價(jià)的主要技術(shù)手段和發(fā)展方向。