球罐声发射检验方案探讨

崔云龙* 孙志鹏

（泰安市特种设备检验研究院）

0 背景

某公司现有1 个1 000 m3球形储罐在用，由于球罐属于特种设备，根据TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术规程》，GB/T 30579—2014《承压设备损伤模式识别》，GB 12337—2014《钢制球形储罐》中的相关规定，检验人员对该球罐进行安全状况评定后，确定其检验周期为3 年。由于该球罐在日常使用中起到供气保压的作用，若开罐检验，企业就必须停产，将会对使用单位造成巨大损失，影响生产进度。经与专家和技术人员协商研究后，于2019 年10月29 日首次利用声发射技术对球罐进行检测，检测结果为合格。设备参数如表1 所示。

1 检验项目

检验机构对球罐声发射检验方案进行了讨论和论证，专家委员会针对检验项目和球罐的失效模式进行了系统性的调整，氧气球罐具体失效模式如表2 所示。球罐外表应进行以下检验项目：外表面宏观检查（可以发现表面裂纹、局部腐蚀、冲刷腐蚀、机械损伤等问题）、厚度测定（用于检测均匀腐蚀、局部腐蚀问题）、磁粉检测（用于检测外表面及近表面缺陷）、渗透检测（用于检测支腿角焊缝开口缺陷）、超声波检测（用于检测金属内部缺陷，制造遗留缺陷及其扩展情况等），必要时可增加射线探伤、声发射检测及硬度测试。从表2 可以看出，无损检测在球罐检验工作中的重要性，利用声发射技术可以在不开罐情况下，对罐体上的活性缺陷进行动态监控，准确定位缺陷位置，再利用相控阵和TOFD 进行检测，最终确定缺陷性质。

表1 受检设备主要技术参数

表2 损伤模式及具体部位

由于不开罐检测，上述检验项目只能对外表面进行系统检验，无法确定其内部的损伤缺陷，利用声发射技术可以系统定位缺陷及确定活性源的事件和数量，最终确定损伤的具体部位和原因。首先根据球罐容积及内径确定探头布置数量，1 000 m3球罐的直径约为12.3 m，建议相邻探头间距小于4 m，布置6 圈，共32 个传感器，探头布置情况如图1 所示。中十字光标为赤道带基准点，沿圆弧往上、下各间距2 m，即为8 号探头和17 号探头位置。这两圈的直径为36 m，每圈布置9 个探头，相邻两探头间距为4.1 m。从8号探头沿圆弧向上量3.8 m，即为2 号探头处，这圈探头直径为22.8 m，布置6 个探头，相邻两探头间距为3.8 m，26～31 号探头按相同顺序布置，上下顶点各布置一个探头。这样探头之间形成三角形定位，传感器频率为150 kHz 。利用磁夹具将传感器固定在球罐表面，球罐表面应打磨光滑并涂抹耦合剂使探头耦合良好，信号传输正常。

2 声发射技术检验过程

在检验过程中应注意以下安全要求：材料的壁温应比材料的脆性转变温度高30 ℃；升压过程中应配备可靠的安全防护措施 ；对于易燃、易爆等危险介质，应避免安全阀开启导致危险后果。首先由检验人员在这台球罐外壁搭设脚手架，并在球罐外表面均匀放置传感器从而接收信号确保其覆盖整个球罐，安装传感器的部位需先打磨至呈现金属光泽再涂抹耦合剂，然后利用铁磁夹具将传感器固定牢固。其次进行声发射内部系统测试和前期准备，确定其灵敏度、周围背景噪声（主要目的消除周围干扰确保球罐接收有用信号）、定位校准，按NB/T 47013.9—2015 要求操作，所有要素合格后再进行加压测试。

加压测试按照GB/T 18182—2012《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》标准中的要求进行；再通过幅值与时间的关系图谱，建立球罐定位图，最终进行加压测试，升压前需将管道与球罐断开连接。将在役设备先升压至工作压力，保压10 min 后，再升压至工作压力的1.1 倍，再保压一定时间来确定球罐是否有活性缺陷。通过对缺陷的活性和强度进行分析，从而确定缺陷的等级，最终结合球罐损伤失效模式、参数、标准分析及检测结果，评定该球罐为未发现明显的集中定位源区出现。大部分球罐外表面具有保温层，打磨难度大、效率低，采用声发射检验只需对探头附近进行打磨，打磨比例符合检测要求即可。

3 总结

（1）声发射检测只能通过强度和活性结果定性、定量地确认缺陷，而不能直观分析出缺陷对球罐的危害程度，只能对有扩展现象的缺陷进行分析。因此，对于投用年限较长的球罐，经声发射技术检测出缺陷后，还要进一步结合其他检验手段确认缺陷性质，采用声发射技术检测使用年限较短的球罐更为准确。

（2）声发射技术在检验中存在的主要优势是可靠性高，由于声发射传感器能接收到非常微弱的信号，同时排除很多环境噪声，因此声发射检测比开罐检验更快排除故障，且无需开罐。由于声发射检验只需在罐体外部放置传感器即可进行检验，因此检验时间仅需1～2 d，且企业无需停产，不会造成能源、材料浪费，安全性更高。