一臺8000m3球罐的聲發射檢驗

摘 要：將兩臺德國Vallen公司AMSY-5型36通道聲發射檢測系統并聯，對8000m3球罐進行了聲發射檢測，為目前國內最大10000m3球罐采用聲發射檢測技術上奠定了基礎。
??? 關鍵字：8000m3球罐；聲發射檢驗；聲發射（AE）；無損檢測；評定 超聲波液位計 超聲波物位計 超聲波清洗機 超聲波測厚儀 洗片機
1 基本情況
某化肥廠一臺8250m3液氨球罐1975年由法國TISSOT公司設計和提供球片、零部件、焊條，1977年江蘇省設備安裝公司安裝，1978年2月投用，基本參數見表1。
?????????????????????? 表1 基本技術參數
設備名稱 設計壓力 設計溫度 工作介質 主體材質 公稱容積 公稱壁厚
8000m3液氨球罐 0.405MPa -10～4℃ 液氨 A52P1 8250m3 15.7/17.5/20.5/
24.7/21.5/21.5mm
??? 安裝時100%射線探傷，共拍4111張片，一次返修407張，二次返修54張，三次返修3張，探傷驗收標準ASMEVIII第一篇UW-51和UA-65。1978年2月投用。1980年8月首次檢驗，88年5月本所第二次檢驗，97年4月由金陵石化公司壓力容器檢驗中心站化肥分站第三次檢驗定為1級。第一次檢驗，發現罐壁輕度腐蝕，在下環縫（CD縫）下赤帶側，距第12#縱縫30mm處，發現一長12mm裂紋（焊接返修處），打磨0.2mm后消除，第二次檢驗時在下赤帶第6#縱縫自CD環縫向下1710mm有一長約8mm橫向裂紋，在上赤帶第1#縱縫自CB環縫向下3970mm有一縱向裂紋經打磨消除（低于母材1mm）超探未發現現III區缺陷。第三次發現下溫帶22?？p有裂紋長度分別為27，16，5mm（焊縫熱影響區縱向裂紋），打磨消除（低于母材1mm）[1]。
??? 2 檢驗背景
??? 鑒于該臺球罐體積龐大，外壁還有巖棉保溫，常規檢驗需要倒空置換、搭設內外腳手架、拆除外部保溫，檢驗完畢后恢復原狀，做耐壓試驗、氣密試驗合格后方可投用，整個過程不僅需要耗費大量人力物力和維修費用，全過程檢修時間更是長達半年之久，用戶正是由于無法安排如此之長的裝置停產檢修時間，檢驗周期到期后一直拖延至今。本次檢驗用戶希望能將全程時間盡量控制在三個月之內。
??? 3 檢驗方案
??? 3.1 球罐主要材質分析
??? 由于球罐主要材質為法國鋼板A52P1，查法國鋼板標準NFA36-205，該鋼板化學成分見表2，與國內16MnR鋼成分比較，A52P1鋼中含Ni≤0.6%，16MnR中含Si在0.2~0.55%之間，其它元素基本一致，而Si與Ni兩種元素在低合金鋼中均有固溶強化和提高淬透性作用。力學性能方面兩種鋼材除屈服點和伸長率有微小差異外其他基本相同（見表3），因此聲發射檢測數據可以參照16MnR經驗數據判斷，如出現疑問可以通過實驗提供更為準確的依據。
???????????????????????? 表2 化 學 成 分
鋼號 化學成分（質量分數），%
C Si Mn Ni V Cr P S
A52P1 ≤0.2 0.9～1.6 ≤0.6 ≤0.5 ≤0.5
?????????????????????? 表3 力 學 性 能
鋼號 交貨
狀態 鋼板厚度mm 拉伸強度 沖擊試驗 冷彎試驗
抗拉強度
b
MPa 屈服點
S
MPa 伸長率 5
% 溫度℃ V形沖擊功
AKV B=2a
180°
不小于 不小于
A52P1 正火 17～21 ≥510 355 22
??? 3.2檢驗方案
??? 綜合考慮該臺球罐的制造安裝狀況及歷史檢驗情況，同時盡量縮短檢修時間，我們初步擬定了檢驗方案。在倒空物料進行清洗置換的同時在外部搭設腳手架，僅拆除局部少量外壁保溫布置聲發射探頭，在做水壓試驗的同時進行聲發射監測，視檢測情況確定重點檢查部位常規無損檢測復驗。如果集中在上半部考慮采用水浮法（扎竹筏控制液位高低來接近檢測部位），下半部則可考慮搭設少量腳手架。
?? 4 聲發射檢測
??? 4.1 聲發射檢測儀器及相關參數
??? 檢測中使用了兩臺德國Vallen公司AMSY-5型36通道聲發射檢測系統并聯，由其中一臺主機控制，如圖2所示。主要參數：背景噪聲<45dB；門檻值：50dB；模擬源：HBφ0.5mm鉛芯折斷信號；傳感器：傳感器為VS150-RIC型（帶前置放大器，可自激發標定）諧振型傳感器,中心頻率為150kHz，放大器增益為34dB，帶通頻率為100-300kHz,定位方式為球面定位，全波形采集和參數采集，傳感器平均靈敏度為90dB。
??? 4.2 傳感器布置
??? 這正是本次檢測最大難點所在，由于我們檢驗的球罐容積達到8250m3，是目前我國有記載采用聲發射檢測的最大球罐，原先我們考慮控制最大傳感器間距不超過5m，但經過測算除上下人孔各布置一個傳感器外最少需要7層共計100個傳感器，需要三臺AMSY-5型36通道聲發射檢測系統，難度相當大。因此我們預先在球罐罐壁采用鉛芯模擬源實際測了距離-衰減曲線，數據見表4。據此我們只需將最大傳感器間距控制在6.5m以內就可以了，最終確定的傳感器布置如圖所示，上下人孔各布置一個傳感器，中間共布置6層，最大垂直間距為5.63m；赤道帶上下各布一層，每層16個傳感器，最大橫向間距為4.8m；上下溫帶各布置兩層，分別為一層10個傳感器，最大橫向間距為6.16m和一層8個傳感器，最大橫向間距為4.27m，共計70通道。
表4 距離-衰減數值表
距 離（m） 0．1 0．5 1 2 4 6 6.5
信號幅值（dB） 94 90 88 85 74 64 60
??? 4.3 加壓過程
??? 由于該球罐上次水壓至今已超過10年，本次檢驗我們擬采取液壓加載方式，但該罐盛滿水后總重超過8700t,水壓試驗難度相當大。我們仔細查閱了該球罐當年的安裝資料，對該球罐基礎結構有了充分了解，同時對該球罐16根支柱實際不垂直度及多年使用后不均勻沉降程度進行現場測量[2]，確認該球罐能夠承受液壓試驗的液體重量。通過查閱該罐近年來運行記錄得知操作壓力均控制在0.3MPa以下，根據國家標準[3]及現場實際條件確定最高試驗壓力為0.405MPa，加載過程力求平穩，同時在充水過程中對基礎的沉降進行實測記錄，一旦發現不正常的較大沉降量就立即停止充液。圖示為實際加載曲線，采用二次加載方式，希望獲得更多有價值的信號。
??? 4.4 檢測結果及分析
??? 本次聲發射檢測是球罐在用清潔水加壓過程中，進行聲發射整體監測。壓力從0.3MPa開始對被檢球罐進行聲發射數據采集，共進行兩個加壓循環。在兩個循環加壓和保壓過程中均未出現有效聲發射定位源信號。僅在第4、7、37通道出現一定數量的聲信號，典型信號波形等如圖5所示，采用關聯圖分析信號特征，上升時間、持續時間較短（1～20us）,能量在（100～800）之間，信號幅值集中在70～85（如圖6所示），再仔細核查數據表，相同通道收到的聲信號具備較多類似特征（如圖7所示），綜合上述情況，結合壓力容器檢測中不同源產生聲信號的主要特性和參數范圍[4][5]，我們分析以上信號應為噪聲信號中的電子噪音，因此該球罐聲發射檢測未發現危害性缺陷。
??? 4.5 常規無損檢測復驗
??? 出于慎重起見，我們在球罐底部搭設了兩層腳手架，對歷年來檢驗中曾發現裂紋等缺陷部位，主要是下極板環縫及拼縫、下溫帶縱環縫內表面進行了熒光磁粉檢測，對焊縫內是否存在埋藏缺陷進行了超聲波探傷，均未發現危害性缺陷，驗證了聲發射檢測結果的正確性。
??? 5 結論
??? 1）由于材料性能對聲發射信號特征及傳播特性有較大影響，目前國內16MnR材料用得較多且積累了較成熟的實踐經驗，國家標準聲發射源強度部分也是據此確定的，因此當壓力容器主體材料非16MnR鋼時應慎重對待，缺乏實踐經驗時需要通過實驗方法確定。
??? 2）大型球罐投用時間較長，采用聲發射檢測時加載方式應充分考慮基礎承受能力，充液過程中應對基礎的沉降進行實測記錄，一旦發現不正常的較大沉降量就立即停止充液，充氣加載則應在檢測前制定詳細的安全措施，確保聲發射檢驗加載過程安全。
??? 3）本次檢驗通過兩臺德國Vallen公司AMSY-5型36通道聲發射檢測系統并聯，由其中一臺主機控制的方式完成了對8000m3球罐的檢測，為目前國內最大10000m3球罐采用聲發射檢測技術上奠定了基礎。