第7章 声发射检测技术的应用1.docx
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第7章声发射检测技术的应用1
第7章声发射检测技术的应用
7.1压力容器
压力容器声发射检测是目前声发射技术应用最成功和普遍的领域之一，压力容器的声发射检验的步骤一般包括对被检容器进行资料审查、现场勘察、检验方案的制定、声发射探头的安装、声发射仪器的调试、加载试验过程中的声发射监测和信号采集、声发射数据的分析和源的分类及检验报告的编制等过程，下面分别加以介绍。
7.1.1资料审查
资料审查应包括下列内容：
（1）产品合格证、质量证明书、竣工图；
（2）运行记录，开停车记录，有关运行参数，介质成份，载荷变化情况，以及运行中出现的异常情况等资料；
（3）检验资料、历次检验报告和记录；
（4）有关修理和改造的文件。
通过资料审查了解压力容器的结构、几何尺寸、材料、设计压力、日常操作压力、加载史、存在缺陷的情况等，为制订检验方案做好准备
7.1.2现场勘察
检测开始前，应进行现场勘察，具体进行如下方面的工作：
（1）观察压力容器表面具体情况和周围环境条件，确定传感器的布置阵列；
（2）找出所有可能出现的噪声源，如电磁干扰、振动、摩擦和流体流动等，应对这些噪声源设法予以排除；
（3）确定加压方式、最高试验压力和各个保压台阶等加压程序；
（4）建立声发射检测人员和加载人员的联络方式。
7.1.3检验方案的制定
在资料审查和现场勘察的基础上制定声发射检验方案，最终确定采用的通道数、传感器阵列布置图、探头在压力容器上的安装部位和加载程序，并准备好检验记录表格。
构件声发射检测所需传感数量，取决于压力容器的大小和所选传感器间距。
传感器间距又取决于波的传播衰减，而传播衰减值又来自用铅笔芯模拟源实际测得的距离一衰减曲线。
时差定位中，最大传感器间距所对应的传播衰减，不宜大于预定最小检测信号幅度与检测门槛值之差，例如，门榄值为40dB，预定最小检测信号幅度为70dB，则其衰减不宜大于30dB。
区域定位比时差定位可允许更大的传感器间距。
在金属容器中，常用的传感器间距约为1～5m，多数容器的检测需布置约8～32个探头。
应根据有关规范与用户协商确定最高试验压力和加压程序。
升压速度一般不应大于0.5MPa/min。
保压时间一般应不小于10min。
新制造压力容器或压力管道和在役压力容器或压力管道检测，一般应进行两次加压循环过程，第二次加压循环最高试验压力PT0应不超过第一次加压循环的最高试验压力PT，建议PT0为97%PT。
在役压力容器或压力管道检测，一般试验压力不小于最大操作压力的1.1倍；当工艺条件限制声发射检测所要求的试验压力时，其试验压力也应不低于最大操作压力，并在检测前一个月将最大操作压力至少降低15%，以满足检测时的加压循环需要。
应尽可能进行两次加压循环。
7.1.4传感器的安装
传感器的安装程序如下：
①在压力容器壳体上标出传感器的安装部位；
②对传感器的安装部位进行表面打磨去除油漆、氧化皮或油垢等；
③将传感器与信号线连接好；
④在传感器或压力容器壳体上涂上耦合剂；
⑤安装和固定传感器。
7.1.5仪器的调试
（1）仪器硬件工作参数设置
在仪器开机后，应根据被检测对象，首先设置仪器硬件的工作参数，这些参数一般包括增益、门槛、峰值鉴别时间（PDT）、撞击鉴别时间（HDT）、撞击闭锁时间（HLT）、定位闭锁时间、采样率、外接参数采样率等。
（2）背景噪声测定和检测门槛设置
在开始检测之前进行背景噪声的测定，然后在背景噪声的水平上再加5到10dB作为仪器的门槛电平值。
多数检测是在门槛为35～55dB的中灵敏度下进行，最常用的门槛值为40dB。
（3）通道灵敏度校准
为确认传感器的耦合质量和前置放大器与仪器主机各通道处于良好的工作状态，检测前后应检查各信号通道对模拟信号源的响应幅度。
模拟信号—般采用直径0.5mm的HB（或2H）笔芯断铅信号，其伸长量约为2.5mm，笔芯与构件表面夹角为30左右，响应幅度取三次响应的均值。
多数金属压力容器的检测规程规定，每通道对铅笔芯模拟信号源的响应幅度与所有传感器通道的平均值偏差为土3dB或±4dB。
（4）衰减测量
对被检容器采用模拟声发射信号进行衰减测量，画出距离—声发射信号幅度衰减曲线。
（5）源定位校准
多通道检测时，应在构件的典型部位上，用模拟源进行定位校准。
通过实测探头之间的时差，计算出实际声速并输入定位计算软件，最终达到每一模拟信号，均能被—个定位阵列所接收，并提供唯一的定位显示，定位精度应在两倍壁厚或最大传感器间距的5%以内。
区域定位时，应至少被一个传感器接收到。
7.1.6加载试验过程中的声发射监测和信号采集
检测时及时存储采集到的声发射信号数据并做好记录，应实时观察声发射撞击数随载荷或时间的变化趋势，声发射撞击数随载荷或时间的增加呈快速增加时，应及时停止加载，在未查出声发射撞击数增加的原因时，禁止继续加压。
检测中如遇到强噪声干扰时，应暂停检测并在数据记录表上加以说明，排除强噪声干扰后再进行检测。
7.1.7声发射数据的分析和源的分类
压力容器声发射检测数据的分析和源的分类均是基于时差声发射源定位的基础上进行，声发射源的等级按源的活度和强度划分，划分方法是先确定源的活度等级和强度等级，然后再确定源的综合等级。
（1）源的活度划分
源的活度划分为强活性、活性、弱活性和非活性四个等级。
如果源区的事件数随着升压或保压呈快速增加时，则认为该部位的源具有强活性；如果源区的事件数随着升压或保压呈连续增加时，则认为该部位的源具有活性；如果源区的事件数随着升压或保压呈间断出现时，根据不同加压阶段出现的次数来级划分活度的级别。
（2）源的强度划分
源的强度分高强度、中强度和弱强度三个级别，源的强度Q可用能量、幅度或计数参数来表示。
源的强度计算取源区前5个最大的能量、幅度或计数参数的平均值（幅度参数应根据衰减曲线加以修正）。
源的强度划分参考表3进行。
表7.1中的a、b值应由试验来确定，16MnR钢采用幅度参数划分源的强度的推荐值为a=60dB和b=80dB。
表7.1源的强度划分
源的强度级别
源强度
弱强度
Q＜a
中强度
a≤Q≤b
高强度
Q＞b
（3）源的综合等级划分
源的综合等级划分通过考虑活性和强度按表7.2进行，共分为A、B、C、D、E、F五级。
表7.2源的综合等级划分
强活性
活性
弱活性
非活性
高强度
F
E
D
B
中强度
E
D
C
A
弱强度
D
C
B
A
7.1.8检验数据记录和报告
压力容器声发射检验记录和报告应包括如下内容：
（1）资料审查记录：
包括压力容器的名称、编号、使用单位、设计参数、日常操作压力、加载史、存在缺陷的情况等；
（2）执行、参考标准；
（3）声发射仪器及传感器记录：
包括仪器型号、通道数、检测方式、检测频率、传感器型号、耦合剂及传感器固定方式等；
（4）背景噪声的测定值；
（5）模拟信号衰减测量记录；
（6）门槛、增益的设置值；
（7）传感器灵敏度校准记录；
（8）传感器阵列布置图及传感器之间的距离记录；
（9）传感器阵列的定位校准记录；
（10）使用的检测软件、检测状态设置软件及存储的声发射信号数据文件名称；
（11）实际加载程序图；
（12）检测数据的分析与声发射源的分级结果；
（13）检验结论；
（14）检验人员和审核人员的签字；
（15）检验日期。
7.1.9应用实例
（1）声发射传感器布置阵列
由于目前多通道声发射仪所采用的计算机和软件功能都比较强，因此在实际进行声发射检测过程中，人们最常用的平面AE源定位探头阵列为三角形，在被检测对象几何形状规则的情况下，采用等腰三角形探头阵列，如图7.1和图7.2所示；在被检测对象几何形状不规则的情况下，采用任意三角形探头阵列，如图7.3所示，但一般情况下推荐采用锐角三角形。
10
789
9
78
456
65
123
4
3
图7.1平面等腰三角定位探头阵列12
11
图7.2圆柱形容器的等腰三角定位探头阵列
15
141312
11
1098
57
6
3
42
1
16
图7.3球形容器的任意三角定位探头阵列
a）不锈钢储罐
b）钢制脱气容器
c）高压气瓶
d）钢制压力容器e）钢制球罐f）钢制储罐
图7.4传感器布置实例
图7.4a）～f）给出了对各类典型压力容器进行检测的传感器布置阵列实例。
所用传感器分别为2～64个。
（2）衰减测量
1）50M3石油液化气贮罐
a）贮罐的设计参数
设计压力：
2.0MPa;设计温度：
常温C;主体材质：
16Mn；
公称壁厚：
24mm;几何尺寸:
Φ2400mm×10,000mm；公称容积：
50M3。
b）测量仪器及状态设置
测量仪器:
美国PAC公司SPARTANAT18通道;探头PACR15I
增益:
80dB;门限:
35dB;峰置定义时间:
2000μs;
撞击定义时间:
2000μs;撞击闭锁时间:
20000μs;
声发射信号模拟源:
日本产HBФ0.5mm铅芯折断。
c）纵向声发射模拟源衰减测量结果
衰减测量部位如下图所示:
探头
⊙.....................
（m）12345678910
图7.5发射模拟声发射源部位示意图
以日本生产HBФ0.5mm铅芯折断为声发射信号模拟源,每个部位进行四次测量,取其平均置,声发射信号幅度和能量测量结果如表7.3所示,衰减曲线如图7.6所示。
表7.350M3卧罐纵向模拟声发射信号衰减测量结果
距探头距离（m）
平均幅度（dB）
平均能量计数
0.10.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0
8270615753484641586160
436240140105846550459910099
距探头距离（m）
平均幅度（dB）
平均能量计数
5.56.06.57.07.58.08.59.09.510.0
60564640525347485549
116573526107119100808753
幅度能量
dB幅度曲线
90500能量曲线
80400
70300
60200
50100
400
012345678910（m）
图7.650M3卧罐纵向模拟声发射信号幅度和能量衰减曲线
2）200M3石油液化气球罐
a）基本设计参数
设计压力:
1.6MPa;设计温度:
常温;主体材质:
16MnR;
公称壁厚:
24mm;几何尺寸:
Φ7100mm;公称容积:
200M3.
b）测量仪器及状态设置
测量仪器:
美国PAC公司SPARTAN12通道;探头PACR15I;
增益:
70dB;门限:
35dB;峰置定义时间:
2000μs;
撞击定义时间:
2000μs;撞击闭锁时间:
20000μs;
声发射信号模拟源:
国产HBФ0.5mm铅芯折断。
c）声发射模拟源衰减测量结果
以国产HBФ0.5mm铅芯折断为声发射信号模拟源,每个部位进行四次测量,取其平均置,声发射信号幅度测量结果如表7.4所示,衰减曲线如图7.7所示。
表7.4 200M3球罐模拟声发射信号幅度衰减测量结果
距探头距离（m）
平均幅度（dB）
0.10.51.01.52.03.04.05.0
7363534837363843
距探头距离（m）
平均幅度（dB）
6.07.08.09.010.011.0
485054474452
幅度dB
80
70
60
50
40
30
01234567891011（m）
图7.7200M3球罐模拟声发射信号幅度衰减曲线
3）1000M3石油液化气球罐
a）基本设计参数
设计压力:
1.57MPa;设计温度:
常温;主题材质:
德国FG43;
公称壁厚:
34mm;几何尺寸:
Φ12300mm;公称容积:
1000M3.
b）测量仪器及状态设置
测量仪器:
美国PAC公司SPARTANAT32通道;探头PACR15;
增益:
80dB;门限:
40dB;峰值定义时间:
1000μs;
撞击定义时间:
2000μs;撞击闭锁时间:
20000μs;
声发射信号模拟源:
南韩产HBФ0.5mm铅芯折断。
c）声发射模拟源衰减测量结果
以南韩产HBФ0.5mm铅芯折断为声发射信号模拟源,每个部位进行三次测量,取其平均置,声发射信号幅度测量结果如表7.5所示,衰减曲线如图7.8所示。
表7.5 1000M3液化石油气球罐模拟声发射信号幅度衰减测量结果
距探头距离（m）
平均幅度（dB）
0.10.51.02.03.04.05.0
80686252484642
幅度dB
80
70
60
50
40
30
012345（m）
图7.81000M3液化石油气球罐模拟声发射信号幅度衰减曲线
压力容器声发射信号的衰减特性随压力容器的几何尺寸和结构的不同而变化几何尺寸越小，波的传播越复杂，衰减特性变化越大。
压力容器壁厚对声发射信号的衰减特性有强烈的影响，壁厚越薄，衰减越大，壁厚越大，衰减越小。
经实际测量发现，声发射信号的幅度和能量参数代表了压力容器的衰减特性，对于400立方米以上的球罐，声发射信号的幅度和能量随距离的衰减是单调下降的。
（3）典型声发射信号定位源
1）裂纹
图7.9为某石化总厂606号1000m3的液化石油气球罐于1992年9月进行水压试验声发射监测在1.8-2.0MPa升压过程中的声发射定位源图，图中所圈声发射源部位经磁粉探伤复查，发现在球罐该部位外表面的母材焊疤上有3条长度分别为15mm、20mm和30mm的表面裂纹，经打磨测得裂纹的最大深度为3mm。
经对采集数据进行分析，发现该部位在1.2MPa的压力下第一次出现声发射定位源信号，表7.6为该源部位在整个水压试验过程中出现声发射定位源信号的统计结果，该部位在低于1.2MPa的压力下无声发射定位源信号出现，在大于1.2MPa的升压过程中共产生了20个声发射定位源信号，而在两个保压过程中仅产生1个定位源信号。
表7.6606号1000m3球罐表面裂纹部位的声发射定位源统计结果
压力阶段（MPa）
<1.2
1.2-1.6
1.6保压10分
1.6-1.8
1.8-2.0
2.0保压10分
定位源数
无
7
1
5
7
无
图7.10为某石化总厂802号1000m3的液化石油气球罐于1997年3月进行水压试验声发射监测，在1.6-2.0MPa升压过程中的声发射定位源图，图中所圈声发射源部位经超声波探伤复查和超声波端点衍射测缺陷的自身高，发现在球罐该部位纵焊缝上有1条长度为15mm、距外表面5mm、自身高为10mm的深埋裂纹，另外也发现一些夹渣缺陷存在。
经对采集数据进行分析，发现该部位在1.63MPa的压力下第一次出现声发射定位源信号，表7.7为该源部位在整个水压试验过程中出现声发射定位源信号的统计结果，该部位在低于1.6MPa的压力下无声发射定位源信号出现，在大于1.6MPa的升压过程中共产生了49个声发射定位源信号，而在两个保压过程中产生11个定位源信号，保压信号占升压信号的22%，但二次升压和保压过程中无声发射定位源信号产生，符合Kaiser效应。
表7.7802号1000m3球罐深埋裂纹部位的声发射定位源统计结果
压力阶段（MPa）
<1.6
1.6-1.8
1.8保压10分
1.8-1.9
1.9保压10分
二次1.6-1.8
定位源数
无
34
8
15
3
无
深埋裂纹
表面裂纹
图7.9606号1000m3球罐上图7.10802号1000m3球罐上
表面裂纹的声发射定位源图深埋裂纹的声发射定位源图
2）未熔合、未焊透、夹渣、气孔等焊接缺陷
容器在制造焊接过程中，如果焊接工艺操作不当，即可出现各种焊接缺陷。
其中气孔、夹渣和未熔合三种焊接缺陷很易同时出现，混合在一起。
根据大量的压力容器声发射试验结果，大部分缺陷在正常的水压试验条件下不易产生声发射信号，但也有一些缺陷可产生大量声发射信号。
例如，图7.11为某石化总厂6号400m3液化石油气球罐于1991年10月进行水压试验声发射监测在1.6-2.0MPa升压过程中的声发射定位源图，图中所圈声发射源部位经射线探伤复查，发现在球罐该部位两个T形焊缝内部存在大量气孔、夹渣、未熔合等严重超标焊接缺陷，按GB3323-87标准均评定为IV级片，图中1号部位存在两个长度分别为30和50mm的未熔合及大量夹渣，2号部位存在的缺陷为气孔和夹渣。
经对采集数据进行分析，发现该部位在1.62MPa的压力下第一次出现声发射定位源信号，表7.8为该源部位在整个水压试验过程中出现声发射定位源信号的统计结果，该部位在低于1.6MPa的压力下无声发射定位源信号出现，在1.6至2.0MPa的升压过程中共产生了43个声发射定位源信号，而在保压过程中仅产生1个定位源信号，但二次升压和保压过程共产生17个声发射定位源信号。
表7.8400m3球罐未熔合、夹渣、气孔的声发射定位源统计结果
压力阶段（MPa）
<1.6
1.6-2.0
2.0保压10分
二次1.6-2.0
二次2.0保压10分
定位源数
无
43
1
7
10
2
1
11
2
图7.116号400m3球罐上图7.122号400m3球罐上
焊接缺陷的声发射定位源图焊接缺陷的声发射定位源图
图7.12为某石化总厂2号400m3液化石油气球罐于1994年9月进行水压试验声发射监测在0.8-1.25MPa升压过程中的声发射定位源图，图中所圈声发射源部位经射线探伤复查，发现1号声发射源部位在1个T形焊缝上，内部存在大量气孔等严重超标焊接缺陷，2号声发射源部位在纵焊缝上，内部存在大量气孔、夹渣、未熔合等严重超标焊接缺陷，按GB3323-87标准均评定为IV级片。
经对采集数据进行分析，发现该部位在0.2MPa的压力下第一次出现声发射定位源信号，表7.9为该源部位在整个水压试验过程中出现声发射定位源信号的统计结果，该两个部位在压力大于0.9MPa的升压过程均产生大量的声发射定位源信号，而在保压过程中产生很少的定位源信号，在二次升压和保压过程2号部位产生了18个声发射定位源信号。
表7.92号400m3球罐裂纹、未熔合、未焊透夹渣、气孔的声发射定位源统计结果
压力阶段（Mpa）
出现压力
0.9-1.25
1.25
1.25-1.4
1.4
1.4-1.6
1.6
二次1.3-1.6
1号定位源数
0.3MPa
29
2
13
2
6
1
0
2号定位源数
0.2MPa
15
0
7
0
22
0
18
3号定位源数
0.4MPa
30
2
19
2
9
0
0
图7.13为上述2号球罐在0.8-1.25MPa升压过程中的3号声发射定位源图，图中所圈声发射源部位经射线探伤复查，发现在纵焊缝内部存在大量气孔、夹渣、50mm长未熔合、15mm长未焊透和20mm长的深埋裂纹等严重超标焊接缺陷，按GB3323-87标准均评定为IV级片。
经对采集数据进行分析，发现该部位在0.4MPa的压力下第一次出现声发射定位源信号，表7.9为该源部位在整个水压试验过程中出现声发射定位源信号的统计结果。
综合分析表7.8和表7.9中2号源的数据可以发现，这两个源在二次升压时均产生了较多的声发射信号，不能满足Kaiser效应。
通过与表7.9中1号和3号源比较发现，前面两个源中有大量夹渣性质的缺陷，而后两个源中为气孔、未熔合和未焊透缺陷。
因此认为，夹渣缺陷的存在是第二次升压过程中产生声发射信号的原因。
这是因为非金属夹渣物在第一次升压过程中可产生断裂并与金属基体脱开，在降压后的第二次升压过程中这些夹渣物会继续破裂或相互之间产生摩擦而放出弹性波。
摩擦信号
3
图7.13602号400m3球罐上图7.14801d号氢气钢瓶上
焊接缺陷的声发射定位源图保温支撑环摩擦的声发射定位源图
3）结构摩擦
在现场压力容器加压试验过程中，容器壳体会产生相应的应变，以至整个结构因摩擦产生大量的声发射定位源信号是十分常见的现象。
结构摩擦通常由脚手架、保温支撑环、容器的支座、裙座、柱腿、平台等焊接垫板引起。
结构摩擦产生的声发射定位源散布在较大的范围，而且由于结构摩擦的AE机制与一整块金属材料因塑性变形产生AE的机制不同，故不能满足Kaiser效应，即在降压后的第二次升压过程中仍产生大量的声发射信号。
图7.14为某石化总厂801d号氢气钢瓶于1996年12月进行水压试验声发射监测在12-15MPa升压过程中的声发射定位源图，图中箭头所指声发射源部位为用螺栓固定的两个保温支撑环。
经对采集数据进行分析，发现该部位在2MPa的压力下第一次出现声发射定位源信号，在0-12MPa和12-15MPa的两个升压过程中下环一周均产生大量声发射定位源信号，而上环仅在两个部位产生声发射定位源信号，在12MPa和15MPa的两个保压过程中，这两个环几乎无声发射源定位出现，在降压后第二次12-15MPa的升压和15MPa的保压过程中，无声发射定位源信号出现。
试验结束后通过对两个保温支撑环检查，发现下支撑环腐蚀氧化严重，保温环与瓶壳之间全部被氧化皮填充，上保温环氧化较轻，因此下支撑环的信号为瓶壳与氧化皮的摩擦和氧化皮的断裂所产生。
图7.15给出了某公司一台1.4×16m立式热交换器在13.7-14.2MPa升压过程中的声发射定位源图。
图中下部为裙座与筒体的角焊缝处产生声发射定位源信号，上部大量的声发射定位源为此阶段有人对换热器上部进行检查维修走动引起脚手架与换热器筒体产生机械摩擦产生的大量声发射定位源。
脚手架与容器产生的机械摩擦，与升压阶段无关，只与外界因素有关，如人员的走动和大风引起脚手架的晃动等。
图7.16为该热交换器在14.6-15.6MPa升压过程中的声发射定位源图。
图中下部为裙座与筒体的角焊缝处产生声发射定位源信号，信号分布的部位相当于角焊缝三分之二周的长度。
经对采集数据进行分析，发现该部位在3.0MPa的压力下第一次出现声发射定位源信号，在随后的升压过程中产生大量的声发
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