一台8000m3球罐的声发射检验

一台8000m3球罐的声发射检验

摘 要：将两台德国Vallen公司AMSY-5型36通道声发射检测系统并联，对8000m3球罐进行了声发射检测，为目前国内最大10000m3球罐采用声发射检测技术上奠定了基础。
    关键字：8000m3球罐；声发射检验；声发射（AE）；无损检测；评定 超声波液位计 超声波物位计 超声波清洗机 超声波测厚仪 洗片机 
1 基本情况
某化肥厂一台8250m3液氨球罐1975年由法国TISSOT公司设计和提供球片、零部件、焊条，1977年江苏省设备安装公司安装，1978年2月投用，基本参数见表1。
                       表1 基本技术参数
设备名称 设计压力 设计温度 工作介质 主体材质 公称容积 公称壁厚
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
    安装时100%射线探伤，共拍4111张片，一次返修407张，二次返修54张，三次返修3张，探伤验收标准ASMEVIII第一篇UW-51和UA-65。1978年2月投用。1980年8月首次检验，88年5月本所第二次检验，97年4月由金陵石化公司压力容器检验中心站化肥分站第三次检验定为1级。第一次检验，发现罐壁轻度腐蚀，在下环缝（CD缝）下赤带侧，距第12#纵缝30mm处，发现一长12mm裂纹（焊接返修处），打磨0.2mm后消除，第二次检验时在下赤带第6#纵缝自CD环缝向下1710mm有一长约8mm横向裂纹，在上赤带第1#纵缝自CB环缝向下3970mm有一纵向裂纹经打磨消除（低于母材1mm）超探未发现现III区缺陷。第三次发现下温带22＃缝有裂纹长度分别为27，16，5mm（焊缝热影响区纵向裂纹），打磨消除（低于母材1mm）[1]。
    2 检验背景
    鉴于该台球罐体积庞大，外壁还有岩棉保温，常规检验需要倒空置换、搭设内外脚手架、拆除外部保温，检验完毕后恢复原状，做耐压试验、气密试验合格后方可投用，整个过程不仅需要耗费大量人力物力和维修费用，全过程检修时间更是长达半年之久，用户正是由于无法安排如此之长的装置停产检修时间，检验周期到期后一直拖延至今。本次检验用户希望能将全程时间尽量控制在三个月之内。
    3 检验方案
    3.1 球罐主要材质分析
    由于球罐主要材质为法国钢板A52P1，查法国钢板标准NFA36-205，该钢板化学成分见表2，与国内16MnR钢成分比较，A52P1钢中含Ni≤0.6%，16MnR中含Si在0.2~0.55%之间，其它元素基本一致，而Si与Ni两种元素在低合金钢中均有固溶强化和提高淬透性作用。力学性能方面两种钢材除屈服点和伸长率有微小差异外其他基本相同（见表3），因此声发射检测数据可以参照16MnR经验数据判断，如出现疑问可以通过实验提供更为准确的依据。
                         表2 化 学 成 分
钢号 化学成分（质量分数），%
C Si Mn Ni V Cr P S
A52P1 ≤0.2 0.9～1.6 ≤0.6 ≤0.5 ≤0.5
                       表3 力 学 性 能
钢号 交货
状态 钢板厚度mm 拉伸强度 冲击试验 冷弯试验
抗拉强度
b
MPa 屈服点
S
MPa 伸长率 5
% 温度℃ V形冲击功
AKV B=2a
180°
不小于 不小于 
A52P1 正火 17～21 ≥510 355 22 
    3.2检验方案
    综合考虑该台球罐的制造安装状况及历史检验情况，同时尽量缩短检修时间，我们初步拟定了检验方案。在倒空物料进行清洗置换的同时在外部搭设脚手架，仅拆除局部少量外壁保温布置声发射探头，在做水压试验的同时进行声发射监测，视检测情况确定重点检查部位常规无损检测复验。如果集中在上半部考虑采用水浮法（扎竹筏控制液位高低来接近检测部位），下半部则可考虑搭设少量脚手架。 
   4 声发射检测
    4.1 声发射检测仪器及相关参数
    检测中使用了两台德国Vallen公司AMSY-5型36通道声发射检测系统并联，由其中一台主机控制，如图2所示。主要参数：背景噪声<45dB；门槛值：50dB；模拟源：HBφ0.5mm铅芯折断信号；传感器：传感器为VS150-RIC型（带前置放大器，可自激发标定）谐振型传感器,中心频率为150kHz，放大器增益为34dB，带通频率为100-300kHz,定位方式为球面定位，全波形采集和参数采集，传感器平均灵敏度为90dB。 
    4.2 传感器布置
    这正是本次检测最大难点所在，由于我们检验的球罐容积达到8250m3，是目前我国有记载采用声发射检测的最大球罐，原先我们考虑控制最大传感器间距不超过5m，但经过测算除上下人孔各布置一个传感器外最少需要7层共计100个传感器，需要三台AMSY-5型36通道声发射检测系统，难度相当大。因此我们预先在球罐罐壁采用铅芯模拟源实际测了距离-衰减曲线，数据见表4。据此我们只需将最大传感器间距控制在6.5m以内就可以了，最终确定的传感器布置如图所示，上下人孔各布置一个传感器，中间共布置6层，最大垂直间距为5.63m；赤道带上下各布一层，每层16个传感器，最大横向间距为4.8m；上下温带各布置两层，分别为一层10个传感器，最大横向间距为6.16m和一层8个传感器，最大横向间距为4.27m，共计70通道。
表4 距离-衰减数值表
距 离（m） 0．1 0．5 1 2 4 6 6.5
信号幅值（dB） 94 90 88 85 74 64 60
    4.3 加压过程
    由于该球罐上次水压至今已超过10年，本次检验我们拟采取液压加载方式，但该罐盛满水后总重超过8700t,水压试验难度相当大。我们仔细查阅了该球罐当年的安装资料，对该球罐基础结构有了充分了解，同时对该球罐16根支柱实际不垂直度及多年使用后不均匀沉降程度进行现场测量[2]，确认该球罐能够承受液压试验的液体重量。通过查阅该罐近年来运行记录得知操作压力均控制在0.3MPa以下，根据国家标准[3]及现场实际条件确定最高试验压力为0.405MPa，加载过程力求平稳，同时在充水过程中对基础的沉降进行实测记录，一旦发现不正常的较大沉降量就立即停止充液。图示为实际加载曲线，采用二次加载方式，希望获得更多有价值的信号。
    4.4 检测结果及分析
    本次声发射检测是球罐在用清洁水加压过程中，进行声发射整体监测。压力从0.3MPa开始对被检球罐进行声发射数据采集，共进行两个加压循环。在两个循环加压和保压过程中均未出现有效声发射定位源信号。仅在第4、7、37通道出现一定数量的声信号，典型信号波形等如图5所示，采用关联图分析信号特征，上升时间、持续时间较短（1～20us）,能量在（100～800）之间，信号幅值集中在70～85（如图6所示），再仔细核查数据表，相同通道收到的声信号具备较多类似特征（如图7所示），综合上述情况，结合压力容器检测中不同源产生声信号的主要特性和参数范围[4][5]，我们分析以上信号应为噪声信号中的电子噪音，因此该球罐声发射检测未发现危害性缺陷。
    4.5 常规无损检测复验
    出于慎重起见，我们在球罐底部搭设了两层脚手架，对历年来检验中曾发现裂纹等缺陷部位，主要是下极板环缝及拼缝、下温带纵环缝内表面进行了荧光磁粉检测，对焊缝内是否存在埋藏缺陷进行了超声波探伤，均未发现危害性缺陷，验证了声发射检测结果的正确性。 
    5 结论
    1）由于材料性能对声发射信号特征及传播特性有较大影响，目前国内16MnR材料用得较多且积累了较成熟的实践经验，国家标准声发射源强度部分也是据此确定的，因此当压力容器主体材料非16MnR钢时应慎重对待，缺乏实践经验时需要通过实验方法确定。
    2）大型球罐投用时间较长，采用声发射检测时加载方式应充分考虑基础承受能力，充液过程中应对基础的沉降进行实测记录，一旦发现不正常的较大沉降量就立即停止充液，充气加载则应在检测前制定详细的安全措施，确保声发射检验加载过程安全。
    3）本次检验通过两台德国Vallen公司AMSY-5型36通道声发射检测系统并联，由其中一台主机控制的方式完成了对8000m3球罐的检测，为目前国内最大10000m3球罐采用声发射检测技术上奠定了基础。