压力容器是在石油、化工、钢铁、造纸、医药、食品和城市公用等行业得到广泛使用的设备,而且与人民日常生活息息相关。据2003年的统计,我国现有固定式压力容器133万多台,罐车近16万辆,各类气瓶9 800多万只[1] 。压力容器是具有爆炸危险的特种承压设备,承受着高温、低温、易燃、易爆、剧毒或腐蚀介质的高压力,一旦发生爆炸或泄漏,往往并发火灾和中毒等灾难性事故,造成严重的环境污染,给社会经济、生产和人民生活带来损失和危害,直接影响社会安定。
有鉴于此,国内外对压力容器的设计、制造和使用均有严格的规定和要求,而各种无损检测技术在压力容器的制造和在役定期检验中得到广泛应用。
20世纪60年代初,Green等人首先开始了声发射技术在无损检测领域方面的应用, Dunegan首次将声发射技术应用于压力容器检测方面的研究[2,3] ;20世纪70年代,随着Dunegan等人研制成功现代多通道声发射检测仪器系统,声发射技术在化工容器[4,5] 、核容器[6] 和焊接过程控制方面的应用取得了初步成功。通过四十多年的发展,目前声发射技术已成为成熟的无损检测手段,在国内外压力容器检验中得到广泛应用。
压力容器声发射检验可分为役前验证试验、在役定期检验和运行过程中的在线监测,其共同的特点都是在容器加载的情况下进行动态测试。声发射检测方法在许多方面不同于其它常规无损检测方法,其优点主要表现为:
(1)声发射是一种动态检测方法,探测到的能量来自被测物本身,而非超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供。
(2)声发射检测方法对线性缺陷较为敏感,能探测到在外加结构应力下线性缺陷的活动情况,且稳定的缺陷不产生声发射信号。
(3)在一次试验过程中,声发射检验能够整体探测和评价整个结构中缺陷的状态。
(4)对于在役压力容器的定期检验,声发射检测方法可以缩短检验的停产时间或无需停产。
(5)对于压力容器的耐压试验,声发射检测方法可以预防由未知缺陷引起的灾难性失效和限定压力容器的最高工作压力。
以下综述国内外压力容器声发射检测现状和现场压力容器检测的声发射源特性。
1 国外压力容器声发射检测现状
目前压力容器的声发射检测在美国、欧盟和日本等工业发达国家得到广泛应用。20世纪80年代,美国材料试验协会(ASTM)和机械工程协会 (ASME)、日本无损检测协会(NDIS)、法国及欧洲声发射工作组(EWGAE)等,相继提出了有关声发射检测标准和规范,包括术语、检测仪性能测试 和检测方法。其中,美国ASTM标准和ASME规范数量多,比较配套,而且内容详细。表1为国外部分有关压力容器声发射检测标准和规范的目录。
在检测人员认证方面,美国无损检测学会于20世纪80年代已将声发射技术列入SNT-TC-1A无损检测人员鉴定认可规则中,并进行了大量声发射iv,
在检测应用方面,美国、欧盟和澳大利亚等国家有许多检测检验公司从事压力容器的声发射检测。据报道,美国MANSANTO化学工业公司到20世 纪90年代初已应用声发射技术成功检验了几千台大型压力容器[7~9],其中许多检测是在运行过程中进行的。该项工作在日本、欧盟和澳大利亚等国家也开展 应用得较多,并有成功的报道[10~13] 。很多文章均报道了声发射技术在压力容器检验中可以发现裂纹、未熔合、未焊透、夹渣和气孔等焊接缺陷。但这些缺陷的发现,均是在声发射检测之后,再在声发射源所指定的部位经磁粉、渗透、超声波或射线探伤等常规无损检测方法复验后确定的。
2 国内压力容器声发射检测现状
我国于20世纪70年代中期由合肥通用机械研究所最早开展了压力容器的声发射检测应用。20世纪80年代中国特种设备检测研究中心(原劳动部锅 炉压力容器检测研究中心)、冶金部武汉安全环保研究院和大庆石油学院等对金属压力容器的声发射检测和评定方法进行了较深入的研究和广泛的应用,航天部 703所对钛合金气瓶进行了系统的研究和应用,航天部44所主要开展了复合材料压力容器的声发射特性研究及检测应用工作。进入20世纪90年代至今,声发 射技术在我国的研究和应用呈快速发展的趋势。20世纪90年代初燕山石化、天津石化、大庆油田、胜利油田、辽河油田和深圳锅炉压力容器检验所等石油、石化 企业检验单位和专业检验所相继进口大型声发射仪器,广泛开展压力容器的检验。进入21世纪至今,许多技术监督系统和军队系统的锅炉压力容器检验所购买了多 通道声发射仪开展压力容器的检验工作。2003年8月国家质量监督检验检疫总局颁布的《特种设备检验检测机构管理规定》和《特种设备检验检测人员考核与监 督管理规则》正式将声发射技术作为压力容器检测常用的无损检测方法之一,专业的无损检测公司可以从事压力容器的声发射检测工作。自此,压力容器的声发射检 测工作已正式纳入我国的特种设备安全监察法规体系,得到政府的正式认可。据估计,我国目前约有30多个专业检验单位、科研院所和大专院校从事压力容器声发 射检测技术的研究和应用,从业人员100多人。据粗略统计,这些单位每年采用声发射检测大型压力容器300~500台。
在制定检测标准方面,除声发射检测术语和检测仪性能测试两个基础标准之外,我国现有的声发射检测标准几乎均为压力容器的检测方法,这些标准相互配套,基本上满足了国内的压力容器检测需求。目前国内已颁布的压力容器声发射标准有:
GB/T18182—2000 金属压力容器声发射检测及结果评价方法
GJB 2044—1994 钛合金压力容器检测方法
JB/T7667—1995 在役压力容器声发射检测评定方法
JB/T6916—1993 在役高压气瓶声发射检测和评定方法
QJ 2914—1996 复合材料构件检测方法
在检测人员资格认证方面,航天工业无损检测人员资格考试委员会自20世纪90年代末至今已颁发
在金属压力容器的声发射信号处理和分析方面,我国处于世界的领先地位,刘时风、沈功田和戴光在其博士论文中开发和采用了现代谱分析、小波分析、模式识别、人工神经网络模式识别、灰色关联分析和模糊分析等先进技术[14~17] ,其结果可以在不进行复验的情况下,直给出压力容器声发射源的性质及危险程度。
