储灰罐声发射在线检测应用研究

袁希

【摘 要】储灰罐是一种封闭式的储存散装物料的设备，在固井作业中主要用于储存、干混水泥、粉煤灰等各种散装物料，由于设备受到瞬时升压、降压这种压力波动的影响，在应力集中处（结构不连续、原始制造缺陷）可能产生裂纹，对设备的安全使用产生影响，本文研究了灰罐声发射进行在线检测技术，对一台水泥灰罐进行了声发射检测，发现了多处超标缺陷，结果表明声发射对于瞬时承压设备的检测有较好的适应性。

【关键词】声发射；灰罐

【Abstract】Gray tank is a closed storage equipment bulk material，used for storing cement bulk materials，since the device being affected by pressure fluctuations，possible cracks produced in the stress concentration，have an impact on the safe use of equipment，this paper studies the acoustic emission detection technology，the results show that acoustic emission testing equipment for the instantaneous pressure has better adaptability.

【Key words】AE Cement tank

储灰罐是一种封闭式的储存散装物料的设备，在固井作业中主要用于储存、干混水泥、粉煤灰等各种散装物料，正常工作状态为常压，卸料、干混时需要通入压缩空气使物料流化来实现气力输送，根据物料比重的不同卸料时压力可达到0.3～0.4MPa。由于设备受到瞬时升压、降压这种压力波动的影响，在应力集中处（结构不连续、原始制造缺陷）可能产生裂纹，对设备的安全使用产生影响，根据报道国内已发生过多次灰罐爆炸事故，所以对于使用年限较长的罐体应进行安全评价以减低风险。常规开罐检测需要进行内部清理，而清理过程中罐内残留物会产生大量粉尘，极难处理，费时费力，为了缩短检测周期，本文对应用声发射进行在线检测的方法进行了研究[1]。

1 声发射检测原理

声发射检测技术是一种通过捕捉承压设备在压力作用下金属材料内部缺陷（如裂纹）萌生、扩展、塑性变形、屈服、断裂时所释放的弹性能量进行分析处理而确定材料内部缺陷活动情况的无损检测新技术，检测过程中不需要停机、清罐，只需将传感器按照一定的分布方式布置在设备表面上，采用适当的方式给罐体加压，监测压力变化过程缺陷部位中产生的声发射信号并进行处理，就可以实现对设备的检测（图1），所以采用声发射检测技术可以对在用设备进行在线动态检测与评价。

2 检测研究

检测对象选取一台使用超过20年的水泥灰罐，该灰罐按照压力容器规范进行制造，型式为立式圆柱形筒体，罐下部为锥形，上封头为椭圆形封头，直径为Ф2800mm，壁厚10mm，材质为Q235，卸料时压力0.3MPa，用于储存水泥。

声发射检测设备采用美国PAC SAMOS 型48通道声发射系统。检测主要参数：背景噪声小于33dB；门槛值40dB；增益40dB；模拟源为0.5mm的HB铅芯折断信号；传感器为DP15I高灵敏度传感器；检测频率为100—400kHz。

2.1 技术准备

查看运行记录，确定设备运行最高压力等，并确定加压程序。进行现场勘察，排除外壁附属物与罐壁直接接触等可能出现的干扰源。

2.2 传感器阵列布置

本次声发射检测需要对罐体进行整体检测，采用三角时差定位，沿筒体轴线方向布置四圈传感器，每圈布置三个，上、下封头各一个（传感器阵列布置相对位置参见图2），最大探头间距为3.3米。为减少焊缝信号衰减的影响，布置时传感器距相邻环纵焊缝距离不小于100mm。

2.3 声发射系统灵敏度校正和定位校准

以硬度为2H的铅笔芯折断信号作为模拟源，对每个传感器进行标定，保证每个通道响应的幅度值与所有通道的平均幅度值之差不大于4dB，对响应幅度值超出要求的通道进行调整，以确保在检测过程中各通道正常工作。

以1号传感器做信号衰减测量，在传感器1至传感器8所在的直线上分别取与1号传感器距离为100mm、300mm、600mm、1000mm、2000mm、4000mm的7个点作为测量点，每点测三次，取平均值获得各点声发射信号幅值，将得到的幅值输入软件，获得衰减曲线对信号进行衰减补偿。

在1#传感器信号附近，以硬度为2H的铅笔芯折断信号作为模拟源，根据信号传至传感器2、5、7的时间及传感器之间的距离，求得信号传至各通道的声速，取其平均值为初始检测声速。

在传感器（1、2、4）、（6、8、9）等形成的三角定位区域内分别进行断铅模拟源定位，根据定位的实际情况修正声发射检测速度，保证定位误差不超过该传感器阵列最大传感器间距的±5%。

2.4 检测过程

为使检测数据更充分，结果更可靠，检测采用二次加载过程，试验压力为最大工作压力的1.1倍，加压曲线如图3所示。加载过程尽可能平稳，最大加载速度不可超过0.5MPa/min。

检测过程分为一次升压，一次保压，二次升压，二次保压四个阶段。

2 检测数据分析及结果讨论

不同检测阶段获得的图形如图4，一次升压阶段检测的声发射信号较多，二次升压阶段信号明显少于一次加压过程，保压过程信号增加相对较少，第二次保压未发现信号，且信号源强度和活度呈下降趋势。

通过对检测信号的分析，发现声发射事件的定位图呈现局部集中和大面积分散两个特点，对定位集中和分散的声发射事件进行了上升时间、计数、能量、持续时间等特征参数分析。结果表明，集中定位信号和分散定位信号的计数、能量、持续时间等参数没有明显差别。但是，以上两种定位源的上升时间存在较大差异。集中定位声发射源信号上升时间主要分布在300μs。分散声发射源信号上升时间主要分布在400μs，两者存在较大的差异。由于裂纹类声发射信号为上升时间较短的突发型信号，且定位较为集中，所以分散信号为危险缺陷的可能性较少，根据上升时间的不同通过软件的过滤器将其排除，重点分析集中信号[2]。

根据结合声发射信号源的活性及强度，GB/T 18182-2012《金属压力容器声发射检测及结果评价办法》，共发现有效声发射源13处，见图5，有Ⅰ级缺陷5处，Ⅱ级缺陷8处，其信号源综合等级如表2所示。

根据GB/T 18182-2012，9～13号声发射源综合等级为Ⅰ级不需要复验，泄压后通过反标定确定Ⅱ级声发射源的实际位置，其中1、3、4、5、6、7、8号声发射源位于焊缝位置且属于中强度对其进行复验，2号声发射源为温度表引管支撑架位置，支撑架与罐体存在碰撞，应为碰撞信号，不复验。

对1、3、4、5、6、7、8号声发射源进行磁粉检测+超声检测复验，3号声发射源因结构限制，只进行磁粉检测，结果发现表面裂纹11条处（图6），参照《压力容器定期检验规则》，结合该罐体的疲劳工况，该储罐安全状况较差，继续使用较较高风险，应停止使用并修理，现场试验证明，应用声发射检测技术可以有效的发现灰罐上的危害性缺陷，对其安全性状况作出评价，声发射检测技术在灰罐的检测应用方面有着其他检测手段无法比拟的优势。

3 结论

储灰罐虽然多数时间工作压力为常压，但在卸料、干混时设备受到瞬时升压、降压这种压力波动的影响，也可能产生危害性缺陷，随着使用年限的增加，产生危害性缺陷的可能性也随之增加，而针对其清理难的特点，采用声发射检测方法，可在不停车、不清罐的情况下对其进行整体检测，判断其安全状况，经现场实践，其在灰罐的在线检测方面有较好的适用性。

【参考文献】

[1]袁振明，马羽宽，何泽云，等.声发射技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，1985：100-243.

[2]沈功田，耿荣生.声发射信号的参数分析方法[J].无损检测，2002，24（2）：72-77.

[责任编辑：李书培]