高壓球形氣瓶的聲發(fā)射檢測(cè)

高壓球形氣瓶的聲發(fā)射檢測(cè)

摘 要：針對(duì)1.4m3高壓球形氣瓶，開展了結(jié)構(gòu)完整性聲發(fā)射檢測(cè)和典型危害性超標(biāo)缺陷活度聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，獲得了中高壓氣瓶缺陷安全狀況的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。并通過綜合分析，得出了有意義的檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)論。
關(guān)鍵詞：聲發(fā)射（AE）；無損檢測(cè)；評(píng)定 超聲波液位計(jì) 超聲波物位計(jì) 超聲波清洗機(jī) 超聲波測(cè)厚儀 洗片機(jī)
0 前言
針對(duì)我部1.4m3高壓球形氣瓶存在使用時(shí)間長(zhǎng)、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(cè)和結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)工作。其目的是：在實(shí)際工作狀況和超過正常的受載狀態(tài)下，評(píng)價(jià)常規(guī)NDT方法確定的典型危害性超標(biāo)缺陷的擴(kuò)展變化趨勢(shì)和安全裕度，評(píng)價(jià)可能的整體結(jié)構(gòu)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(cè)對(duì)象及常規(guī)檢驗(yàn)狀況
容積為1.4m3、設(shè)計(jì)壓力35MPa、工作壓力32MPa、材質(zhì)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(zhì)為惰性氣體，設(shè)計(jì)壓力35MPa，工作壓力32MPa，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該種類型的高壓球形氣瓶在國內(nèi)仍然有批量使用[1]。編號(hào)為7B、8A 118A、119A 的4臺(tái)高壓球形氣瓶經(jīng)多次定期檢驗(yàn)，外表面主環(huán)對(duì)接焊縫和軸頸加強(qiáng)圈焊縫200% UT檢測(cè)、外表面角焊縫進(jìn)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(biāo)缺陷，其安全狀況等級(jí)定為3級(jí)。檢驗(yàn)前半年的最高工作壓力為30MPa[2]。
2 檢測(cè)條件
按照GB/T18182-2000《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)及結(jié)果評(píng)價(jià)方法》及檢測(cè)方案工藝進(jìn)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(gè)探頭以三角定位對(duì)球罐進(jìn)行整體的檢測(cè)，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(duì)所有探頭采用L2.5mm、Ф0.5mm、30°、HB鉛芯折斷的模擬源進(jìn)行了靈敏度標(biāo)定。對(duì)4個(gè)有代表性的三角形區(qū)域進(jìn)行了定位校準(zhǔn)，有一一定位結(jié)果。在兩次加壓、保壓過程中均進(jìn)行了聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集。
3 檢測(cè)結(jié)果
按照上述條件開展的AET結(jié)果如表1所示。其中，118A、119A為在役檢測(cè)，在焊縫等部位未發(fā)現(xiàn)任何聲發(fā)射活動(dòng)源，高壓球形氣瓶經(jīng)聲發(fā)射檢測(cè)合格。7B、8A其聲發(fā)射活動(dòng)源部位經(jīng)復(fù)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)存在UT超標(biāo)缺陷。
表1 高壓球形氣瓶AE檢測(cè)結(jié)果一覽表
氣罐編號(hào) 118A 119A 7B 8A
試驗(yàn)壓力(MPa) 33 33 40.5 40.5
活動(dòng)源數(shù)量 0 0 1 1
源活度 / / 強(qiáng)活性 強(qiáng)活性
源強(qiáng)度 / / 弱強(qiáng)度 弱強(qiáng)度
評(píng)定等級(jí) / / D D
檢測(cè)結(jié)果 合格 合格 不合格 不合格
復(fù)檢/解剖結(jié)果 / / UT不合格 UT不合格
綜合評(píng)定結(jié)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(hù)使用 監(jiān)護(hù)使用
備注 / / 有超標(biāo)缺陷 有超標(biāo)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(dòng)源的特征參數(shù)分布可以在一定程度上反映AE活動(dòng)源的性質(zhì)、特點(diǎn)、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(shí)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(rèn)為具有很小的取值，分布于0～200；計(jì)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(shí)間較小，分布于0～1000附近。
5 AE適應(yīng)性的分析
按照CVDA-1984對(duì)高壓球形氣瓶進(jìn)行斷裂力學(xué)脆斷安全評(píng)定：取應(yīng)力集中系數(shù)Kt=1.0；作為薄壁容器忽略彎曲應(yīng)力；殘余應(yīng)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(jiǎn)化計(jì)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(dāng)量裂紋尺寸am達(dá)29.5mm[2]。
顯然，高壓球形氣瓶在定期檢驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)、消除、處理的超標(biāo)缺陷，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于29.5mm，即均安全評(píng)定合格。故定期檢驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)缺陷均具有相當(dāng)大的安全裕度，這一與高壓球形氣瓶爆破試驗(yàn)時(shí)爆破壓力大大高于設(shè)計(jì)壓力（達(dá)到100MPa以上）的結(jié)果也是相符的。
而為可靠地進(jìn)行AE，可利用全面屈服斷裂力學(xué)L參量表達(dá)式給予評(píng)定計(jì)算[3]，即：
當(dāng) 時(shí)，AE可有效發(fā)現(xiàn)缺陷活動(dòng)，據(jù)前式可計(jì)算出按 參量評(píng)判的可有效AE的當(dāng)量裂紋尺寸最小值 為8.4mm，則：
am/a=29.5/8.4=3.5
對(duì)比分析上述計(jì)算結(jié)果可知：即便是通過AET發(fā)現(xiàn)了由超標(biāo)缺陷引起的有效聲發(fā)射活動(dòng)源，其仍然可能按照CVDA-1984等安全評(píng)定規(guī)范評(píng)定是合格安全的，仍然可能有達(dá)3.5倍以上的安全裕度。
6 結(jié)論
綜上所述，通過高壓球形氣瓶的AET，可以有以下結(jié)論：
AET證實(shí)，在耐壓試驗(yàn)壓力范圍內(nèi)，經(jīng)常規(guī)檢驗(yàn)確定的絕大部分危害性缺陷均未發(fā)現(xiàn)有擴(kuò)展變化活動(dòng)趨勢(shì)，也未發(fā)現(xiàn)整體或局部結(jié)構(gòu)存在不穩(wěn)定、應(yīng)力集中等問題。通過定期監(jiān)護(hù)，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(yàn)中所發(fā)現(xiàn)、消除、處理的超標(biāo)缺陷，均安全評(píng)定合格，AET所發(fā)現(xiàn)的活動(dòng)源所對(duì)應(yīng)的超標(biāo)缺陷仍然具有相當(dāng)大的安全裕度。
AET應(yīng)與常規(guī)無損檢測(cè)相互補(bǔ)充，重點(diǎn)應(yīng)放在：裂紋類漏檢缺陷、可能材料性能不良部位、結(jié)構(gòu)應(yīng)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(shí)干擾因素眾多，AE活動(dòng)源必須通過其它有效常規(guī)無損檢測(cè)復(fù)查。