現(xiàn)場壓力容器的聲發(fā)射源特征

4. 1 不同聲發(fā)射源的產(chǎn)生部位和機理
了解現(xiàn)場壓力容器的聲發(fā)射源特性是進行壓力容器聲發(fā)射信號源分析和解釋的基礎(chǔ),通過對特
檢中心近10a (年) 在現(xiàn)場進行的500 多臺實際壓力容器聲發(fā)射檢驗數(shù)據(jù)的綜合分析,以及對發(fā)現(xiàn)的
聲射源進行的常規(guī)無損檢測復(fù)驗結(jié)果[23 ] ,現(xiàn)場壓力容器聲發(fā)射檢驗可能遇到的典型聲發(fā)射源分為七
類,以下介紹這些聲發(fā)射源產(chǎn)生的部位和機理。
4. 1. 1 裂紋擴展
壓力容器焊縫上表面裂紋及內(nèi)部深埋裂紋的尖端塑性形變鈍化和擴展而產(chǎn)生聲發(fā)射信號。
4. 1. 2 焊接缺陷開裂
壓力容器焊縫內(nèi)存在的氣孔、夾渣、未熔合和未焊透等缺陷的開裂和擴展及非金屬夾渣物的斷
裂可產(chǎn)生聲發(fā)射信號。
4. 1. 3 機械摩擦
容器外部腳手架的碰撞、內(nèi)部塔板、外部保溫及平臺支撐等部件均可產(chǎn)生機械摩擦聲發(fā)射信號。
另外,立式容器的裙座和臥式容器的馬鞍型支座均由墊板連接容器殼體和支撐板,一般墊板與容器殼
體采用全部或部分角焊縫焊接。在加壓過程中,墊板與殼體膨脹不一致引起的摩擦可產(chǎn)生大量的聲發(fā)
射信號。
4. 1. 4 焊接殘余應(yīng)力釋放
對于新制壓力容器,首次加壓易出現(xiàn)此類信號;對于在用壓力容器,焊縫返修部位易出現(xiàn)此類聲發(fā)
射源。另外容器的裙座、支座、支柱和接管等角焊縫部位易產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中。在升壓
過程中應(yīng)力的重新分布可產(chǎn)生大量聲發(fā)射信號。
4. 1. 5 泄漏
在氣壓或水壓試驗過程中,容器上接管、法蘭、人孔以及缺陷穿透部位的泄漏,可產(chǎn)生大量的聲發(fā)
射信號。
4. 1. 6 氧化皮剝落
長期使用的鋼制壓力容器,在內(nèi)外部均易產(chǎn)生氧化,有時內(nèi)部介質(zhì)腐蝕性嚴重、外部環(huán)境潮濕、酸
雨和海風(fēng)等可產(chǎn)生較嚴重的腐蝕,在水壓試驗過程中,這些氧化皮的破裂剝落過程會產(chǎn)生大量的聲發(fā)
射信號。
4. 1. 7 電子噪聲
探頭信號線短路、傳輸電纜線短路、前置放大器自激發(fā)等都可產(chǎn)生大量的電子噪聲信號。
4. 2 定位特性
4. 2. 1 裂紋擴展
裂紋的聲發(fā)射定位源比較集中,在進行加載聲發(fā)射檢測期間,一般在低于壓力容器運行的壓力下
無聲發(fā)射定位源信號,在高于此壓力的升壓、保壓各個階段均有聲發(fā)射定位源信號,在降壓后的第二次
升壓和保壓階段,很少或幾乎沒有聲發(fā)射定位源信號,滿足Kaiser 效應(yīng)。圖1 為一臺1 000m3 液化
石油氣球罐上發(fā)現(xiàn)的深埋裂紋的聲發(fā)射定位源圖。

圖1 1 000m3 球罐上深埋裂紋的聲發(fā)射定位源圖
4. 2. 2 焊接缺陷
容器在制造焊接過程中,如果焊接工藝操作不當,即可出現(xiàn)各種焊接缺陷。其中氣孔、夾渣和未熔
合三種焊接缺陷很易同時出現(xiàn),混合在一起。根據(jù)大量的壓力容器聲發(fā)射試驗結(jié)果,大部分缺陷在正常
的水壓試驗條件下不易產(chǎn)生聲發(fā)射信號,但也有一些缺陷可產(chǎn)生大量聲發(fā)射信號。這些缺陷產(chǎn)生的聲
發(fā)射定位源也比較集中,在進行加載聲發(fā)射檢測時,一般在低于壓力容器運行的壓力下即可產(chǎn)生聲發(fā)
射定位源信號,而且各個升壓和保壓階段均有聲發(fā)射定位源信號,在降壓后的第二次升壓和保壓階段,
也可出現(xiàn)一些聲發(fā)射定位源信號, 不能滿足Kaiser 效應(yīng)。分析認為,夾渣缺陷的存在是第二次升壓過
程中產(chǎn)生聲發(fā)射信號的原因。這是因為非金屬夾渣物在第一次升壓過程中可產(chǎn)生斷裂并與金屬基體
脫開,在降壓后的第二次升壓過程中這些夾渣物會繼續(xù)破裂或相互之間產(chǎn)生摩擦而釋放出彈性波。圖
2 為一臺400m3 液化石油氣球罐上發(fā)現(xiàn)的氣孔、夾渣和未熔合等焊接缺陷的聲發(fā)射定位源圖。

圖 2 400m3 球罐上焊接缺陷的聲發(fā)射定位源圖
4. 2. 3 機械摩擦
在現(xiàn)場壓力容器加壓試驗過程中,容器殼體會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變,以至整個結(jié)構(gòu)因摩擦產(chǎn)生大量的
聲發(fā)射定位源信號,該現(xiàn)象十分常見。結(jié)構(gòu)摩擦通常由腳手架、保溫支撐環(huán)、容器的支座、裙座、柱
腿和平臺等焊接墊板引起。結(jié)構(gòu)摩擦產(chǎn)生的聲發(fā)射定位源散布在較大的范圍,而且由于結(jié)構(gòu)摩擦的
AE 機制與一整塊金屬材料因塑性變形產(chǎn)生AE 的機制不同,故不能滿足Kaiser 效應(yīng),即在降壓后的
第二次升壓過程中仍產(chǎn)生大量的聲發(fā)射信號。圖3 為一臺大型換熱器在13. 7～14. 2MPa 升壓時產(chǎn)
生的聲發(fā)射定位源圖。

圖 3 大型換熱器在升壓時結(jié)構(gòu)摩擦產(chǎn)生的AE 源

4. 2. 4 焊接殘余應(yīng)力釋放
冷加工、焊接和不均勻加熱都可在壓力容器殼體上產(chǎn)生殘余應(yīng)力、焊縫錯邊、機械損傷和壁厚
減薄等結(jié)構(gòu)性缺陷,在加壓過程中也可引起應(yīng)力集中,這些部位在第一次加壓和保壓過程中均產(chǎn)生大
量的聲發(fā)射信號。由于殘余應(yīng)力的分布范圍比裂紋和焊接缺陷部位大得多,因此產(chǎn)生的聲發(fā)射定位源
區(qū)域比裂紋和夾渣等缺陷的范圍大。殘余應(yīng)力釋放產(chǎn)生的聲發(fā)射信號具有兩個特點, ① 定位源分布
范圍較大,不象裂紋擴展和焊接缺陷開裂產(chǎn)生的聲發(fā)射定位源那么集中。②滿足Kaiser 效應(yīng),因為殘
余應(yīng)力釋放是應(yīng)力集中部位材料的局部屈服,導(dǎo)致大量位錯運動而產(chǎn)生的聲發(fā)射信號,位錯運動的最
終結(jié)果使應(yīng)力得到一定程度的松弛。降壓后進行第二次升壓時,只有壓力達到第一次最高壓力之后,
位錯才會運動,故才有聲發(fā)射信號產(chǎn)生。圖4 為一臺高壓空氣貯罐在13～15MPa 加壓時,三處焊縫
返修部位產(chǎn)生的AE 源。
4. 2. 5 泄漏
由于泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號是連續(xù)的,因此不能被時差定位方法進行定位。但是,對于多通道儀器來說,
探頭越接近泄漏源的通道,采集的聲發(fā)射信號越多,信號的幅度、能量等聲發(fā)射參數(shù)也越大。通過采用
聲發(fā)射信號撞擊數(shù)、幅度和能量等與聲發(fā)射通道的分布圖,可以確定泄漏源的區(qū)域。

圖 4 高壓空氣貯罐在三處焊縫返修部位產(chǎn)生的AE 源
4. 2. 6 氧化皮剝落
在首次加壓過程中,隨著應(yīng)力的增加,容器殼體必然會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變,但容器殼體表面附著的金
屬氧化物不能隨之產(chǎn)生相同的應(yīng)變,故在加壓與保壓過程氧化皮會破裂剝落,從而產(chǎn)生大量的聲發(fā)射
信號。圖5 為一臺120m3 液氨球罐進行水壓試驗,從2. 5～3. 0MPa 升壓過程中大量氧化皮破裂剝
落產(chǎn)生的聲發(fā)射定位源信號。聲發(fā)射定位源均勻散布在氧化腐蝕的位置,在從低壓到高壓的所有升壓
和保壓過程均有大量信號出現(xiàn),而且在第二次升壓和保壓過程中也有少量分散的信號產(chǎn)生。

圖 5 加壓氧化皮剝落的AE 源
4. 2. 7 電子噪聲
由于目前所采用聲發(fā)射儀器的抗干擾能力較強,根據(jù)大量壓力容器現(xiàn)場檢驗的經(jīng)驗發(fā)現(xiàn),采集到
的幾乎所有的電子噪聲信號都不是來自于外部環(huán)境,而是來自于聲發(fā)射儀器系統(tǒng)內(nèi)部。聲發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)
部的電子噪聲源主要包括探頭、信號線、前置放大器、電纜線和信號采集板等。由于來自不同通道
的電子噪聲信號相互不關(guān)聯(lián),所以不會產(chǎn)生定位源。

圖 5 加壓氧化皮剝落的AE 源
4. 2. 7 電子噪聲
由于目前所采用聲發(fā)射儀器的抗干擾能力較強,根據(jù)大量壓力容器現(xiàn)場檢驗的經(jīng)驗發(fā)現(xiàn),采集到
的幾乎所有的電子噪聲信號都不是來自于外部環(huán)境,而是來自于聲發(fā)射儀器系統(tǒng)內(nèi)部。聲發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)
部的電子噪聲源主要包括探頭、信號線、前置放大器、電纜線和信號采集板等。由于來自不同通道
的電子噪聲信號相互不關(guān)聯(lián),所以不會產(chǎn)生定位源。

4. 4 關(guān)聯(lián)特性
關(guān)聯(lián)圖分析法是壓力容器聲發(fā)射檢測過程中實時觀察和分析數(shù)據(jù)的常用方法,對聲發(fā)射信號的
到達時間、試驗參數(shù)和波形特征參數(shù)之間任何兩個可以作關(guān)聯(lián)圖進行分析。從聲發(fā)射參數(shù)隨時間或
試驗參數(shù)變化的關(guān)聯(lián)圖可以得出壓力容器在試驗過程中隨壓力產(chǎn)生聲發(fā)射信號的歷史及變化規(guī)律。
通過聲發(fā)射參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)分析可以區(qū)分不同特性的信號。如有些電子干擾信號通常具有很高的幅
度,但能量卻很小,通過采用幅度2 能量關(guān)聯(lián)圖即可區(qū)分出來;對于壓力容器來說,內(nèi)部介質(zhì)泄漏信號較
容器殼體產(chǎn)生的信號具有長得多的持續(xù)時間,通過應(yīng)用能量2持續(xù)時間或幅度2持續(xù)時間關(guān)聯(lián)圖分析,
容易發(fā)現(xiàn)壓力容器的泄漏。美國MONPAC 聲發(fā)射檢驗俱樂部以聲發(fā)射信號計數(shù)2 幅度的關(guān)聯(lián)圖的
形態(tài)來評價金屬壓力容器聲發(fā)射檢驗數(shù)據(jù)的質(zhì)量[24 ] 。
圖 6 為20m3 臥罐在3. 5～4. 0MPa 采用水壓升壓過程中焊接表面裂紋和深埋裂紋擴展的聲
發(fā)射信號,以及在260s 時該容器人孔泄漏引起的大量聲發(fā)射信號的關(guān)聯(lián)圖。由圖6 可見,裂紋擴展
聲發(fā)射信號的能量與持續(xù)時間關(guān)聯(lián)圖的走向呈弧形分布,而泄漏信號能量與持續(xù)時間的分布呈線性。
由于兩種AE 信號的波形不同,裂紋擴展時,對于持續(xù)時間> 3000μs 的信號,能量與持續(xù)時間的近2
次方呈正比。對于泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號,在持續(xù)時間> 3 000μs 以后,能量與持續(xù)時間幾乎呈正比。
故持續(xù)時間越長,裂紋擴展的AE 信號能量比泄漏信號大得越多。裂紋擴展聲發(fā)射信號的計數(shù)與持續(xù)
時間的關(guān)聯(lián)圖和泄漏信號計數(shù)與持續(xù)時間的關(guān)聯(lián)圖均為三角形分布,即計數(shù)與持續(xù)時間都呈正比關(guān)
系。但對于相同持續(xù)時間的信號,泄漏比裂紋擴展產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的計數(shù)低得多。

根據(jù)能量E 與持續(xù)時間D 的關(guān)聯(lián)圖,擬合這兩者之間具有如下普遍關(guān)系

經(jīng)計算機擬合,得到七類聲發(fā)射源在持續(xù)時間> 3 000μs 的聲發(fā)射信號的能量和計數(shù)與持續(xù)時間
關(guān)聯(lián)圖的關(guān)系式參數(shù)如表3 所示。
由表 3 可見,關(guān)聯(lián)圖分析最重要的結(jié)果是發(fā)現(xiàn)能量與持續(xù)時間的關(guān)聯(lián)圖,以便將泄漏和電子噪聲
產(chǎn)生的聲發(fā)射信號與其它聲發(fā)射源分開。這一結(jié)果已多次成功應(yīng)用于現(xiàn)場壓力容器聲發(fā)射檢驗。