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声发射检测与高压无缝气瓶不同性质缺陷之间的关系探究

2023-09-04 22 上传者：管理员

摘要：通过两通道声发射系统对高压无缝气瓶不同性质的缺陷进行了升压和保压过程检测，探究了不同性质的缺陷与声发射信号特征之间的关系。试验结果表明：声发射检测与缺陷的性质无关，只与缺陷的自身扩展状态有关；同时声发射检测能很好地定位升压过程中活性缺陷的位置，得到的幅度强度试验数据可以作为后续研究的参考数据。

关键词：
声发射
检测
缺陷
钢瓶
高压无缝气瓶
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1、序言

高压无缝气瓶（以下简称气瓶）主要用于重复盛装和运输O2、N2等气体，广泛用于生产和生活的各个领域，故对于气瓶进行定期检测和评定，及时检测和清除那些具有安全隐患的气瓶，特别是那些超期服役、接近钢瓶疲劳极限的气瓶，对于实际生产和生活有着重要的意义。

近年来，利用材料受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应力应变能的声发射（Acoustic Emission,AE）现象，进行的无损检测技术，被应用于石油化工、电力工业及航空航天等领域[1]。对声发射检测整个过程的研究，主要是声发射源和接受信息的声发射系统的状态，目前对声发射系统主要是多通道系统的设计应用[2]、传感器的布置[3]及接收声发射信号的处理方法[4]等方面的研究；被测试的声发射源，主要集中在如储罐[5,6]、压力容器[7]等不同的声发射源对象，以及其所处的不同状态，如泄漏[8]、不同的加压过程[9,10]等情况下的声发射结果。针对不同的加压过程，活性缺陷也将经历萌生和扩展的过程[11]，该过程往往伴随着气瓶的疲劳损伤特性[12]。本文主要是针对高压气瓶中不同性质缺陷的声发射结果进行试验，得出声发射特征与不同性质缺陷之间的关系，并为气瓶的定期无损检测提供试验参考数据。

2、声发射系统组成及传感器的布置

试验中声发射系统由A E144A型声发射传感器、LN-023型低噪声电缆、PAC 2/4/6型放大器、美国物理声学公司的PCI-2采集卡及AEwinPCI-2软件组成的两通道声发射系统；并根据GB/T 18182—2012《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》在检测之前用0.3mm、硬度为2H的铅笔芯折断信号作为模拟源，进行了通道灵敏度测试、衰减测量、定位校准、背景噪声测量等准备工作。

试验中，传感器探头布置在气瓶的两端，其中1号探头为靠近加压接头的一端，检测设备及现场布置情况如图1所示。

3、试验对象及过程

3.1 试验对象

试验用气瓶的材料规格为φ219mm×12mm；设计压力为20MPa；瓶体长1300mm；两探头间距为1100m m。此次试验用两种不同性质缺陷的气瓶，分别为自然线性缺陷和人工点状缺陷，气瓶上缺陷的位置分布也不相同，具体见表1。其中，超声波频谱和磁粉显像示例如图2所示。

图1检测设备及现场布置情况

3.2 试验过程

试验进行水压加载，分别对每一只气瓶加压和保压两个过程进行声发射信息采集，其中试验压力22.5MPa，升压速度≤0.5MPa/min，保压时间≥10min。

表1试验用气瓶缺陷性质及缺陷位置具体分布

注：1.缺陷均分布于气瓶筒身，位置距离参数均以1号探头（0mm）为基准进行标记，其距离为轴向距离。2.超声波检测缺陷的判定按NB/T 47013.3—2015《承压设备无损检测超声波检测》执行，12mm厚材料基准回波幅值46d B；磁粉检测缺陷判定按NB/T 47013.4—2015《承压设备无损检测磁粉检测》执行。

图2缺陷表现示例

4、试验结果及分析

根据声发射理论，在相同情况下，干扰信号的持续时间比缺陷扩展信号的持续时间大得多。可以此作为干扰信号与缺陷信号区分的一种方法。图3所示为AE001气瓶升压过程中采集到的定位信号及其持续时间。

由图3a可看出，有3处较为集中的声发射源定位信号。根据声发射理论，在相同情况下，干扰信号的持续时间比裂纹扩展信号的持续时间长得多，可以发现，由图3b可看出，靠近1号探头处的定位信号的持续时间已达到设定的采集上限，可判定其为干扰信号；中部定位信号（400～600mm）大部分持续时间达到上限，少量（550～600mm）处于较低水平，可判定此处定位信号中大多为干扰信号，但仍存在少量缺陷扩展信号，根据其位置分析，幅值在60d B左右；靠近2号探头处定位信号（800～1000m m）的持续时间大多分布在较低水平，说明存在缺陷定位，但幅值呈两处集中分布，无法确定缺陷的具体幅值。

图3 AE001气瓶升压过程

图4～图6分别给出了超声波检测缺陷组其余的A E002、A E003、A E004号气瓶的升压过程中采集到的检测结果。从图4a可看出，在400～600mm之间出现了一处集中声发射源定位信号，根据图4b持续时间-定位图分析，大部分信号为干扰信号。在500～550m m之间存在两处较低的持续时间信号，可判定为缺陷信号定位，且此处信号大部分幅值集中在90dB左右；从图5a分析，在550～610mm、900～1000mm之间出现了两处集中声发射源定位信。但是，图5b持续时间-定位图上发现两处信号的持续时间都很高，几乎都处于采集上限处。因此，可判定两处信号均为干扰信号，而已知缺陷并未出现定位；分析图6a可知，在600mm、900～1000mm处出现了两处集中声发射源定位信。根据图6b分析，900～1000mm处为干扰信号，600mm处为缺陷信号。

图4 AE002气瓶升压过程

图5 AE003气瓶升压过程

图7～图10给出了磁粉缺陷组的检测结果。从图7a分析可知，在500～600mm之间出现了一处集中声发射源定位信号。但图7b持续时间-定位图上其持续时间达到采集上限，判定其为干扰信号，而已知缺陷产生声发射源定位信号未收集到；图8a在480～580m m之间出现了一处集中声发射源定位信号。对应图8b持续时间-定位图分析，其持续时间大部分达到采集上限，在约580mm处存在一个低持续时间信号，可判定为缺陷信号。从图9a和图9b分析可知，在约920mm处存在一个低持续时间信号，判定其为缺陷信号，其余均为干扰信号；图10a在200～400mm、500～560mm之间出现了两处集中声发射源定位信号。但图10b中两处信号的持续时间都很高，可判定两处信号均为干扰信号。

图6 AE004气瓶升压过程

图7 AE005气瓶升压过程

图8 AE006气瓶升压过程

图9 AE007气瓶升压过程

图1 0 AE008气瓶升压过程

图11给出了人工钻孔缺陷气瓶在升压过程中的检测结果

由图11可发现，声发射检测结果仅定位了1号孔，2、3号孔定位为干扰信号而非缺陷信号，可能为机械加工后瓶体受压产生的应力释放。

在保压阶段，仅有AE002号气瓶在第一次保压阶段产生了定位信号（见图12）。其余气瓶均未产生定位信号。

图1 1 AE009气瓶升压过程

经过上述的试验，并考虑声发射检测的定位存在10%探头距离误差，可用表2数据总结声发射技术检测气瓶不同性质缺陷的定位试验结果。

图1 2 AE002气瓶保压过程

表2声发射检测定位试验结果

根据以上试验结果，我们从以下方面进行分析。

1）从声发射的定位结果看，试验结果表明，无论是超声波检测、磁粉检测或是人为加工的超标缺陷，并不一定能够在声发射检测中产生定位。其根本原因是这些缺陷在各自的判定标准下虽然是超标的不合格缺陷，但其中部分缺陷是非活性的，即在受压过程中缺陷并不发生扩展，也就不产生声信号形成定位。该结果与声发射仅能检测活性缺陷的原理相契合。

2）从保压阶段的声发射定位结果看，在所有试验样瓶中，仅有AE002样瓶在保压阶段存在定位信号。根据“凯赛尔效应”理论，材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号，即在保压阶段，气瓶承受的压力不再升高，活性缺陷在该压力下的扩展处于稳定状态，若缺陷在保压阶段仍继续产生声发射信号，说明该缺陷是相对不稳定的，其活性和危害程度更高。对比A E002样瓶与其他试验瓶的缺陷尺寸，发现其缺陷尺寸并不是最大的，但其升压过程存在幅值远大于其他样瓶的定位信号，且保压阶段该定位仍存在，声发射结果显示危害性相对更高。该结果说明缺陷的尺寸大小与声发射判定的缺陷危害程度并无直接关系。

3）从不同性质缺陷的声发射检测结果看，无论是线性缺陷或是点状缺陷，在声发射的检测结果中没有明显的分布规律。该结果印证了声发射仅能确定缺陷的活性和位置，无法确定缺陷的性状。

5、结束语

1）声发射检测结果与缺陷性质、几何形态无关，仅与缺陷自身的扩展状态有关。

2）声发射检测技术对于检测高压无缝气瓶加压过程中的活性缺陷有较高的准确性。

3）气瓶在保压阶段几乎没有检测到定位信号，但是保压阶段的检测结果是判定缺陷危害性的一个重要依据。

4）对声发射检测到的定位幅值强度有较宽的跨度，不能得出缺陷的具体幅值强度；但是本次试验的结果可以为之后进行缺陷声发射幅值强度分析给出参考数据。

5）在气瓶定期检测的应用中，声发射可作为在线监测手段对在役气瓶进行初步筛选，对于存在危害性缺陷的气瓶，仍需采用超声波或磁粉等无损检测手段进行复验，可有效提高气瓶定检效率，减少气瓶拆装过程中造成的损坏。

参考文献:

[1]沈功田,段庆儒,李邦宪.压力容器声发射检验技术综述[J] .中国特种设备安全, 2000,16(2):5-9.

[2]李光海,胡兵,刘时风,等.多通道全波形声发射检测系统的研究[J] .计算机测量与控制, 2002, 10(6):355-357.

[3]闫河.基于不同传感器布置的常压储罐声发射检测[J] .无损检测,2018.(7):19-21,68.

[4]耿荣生,沈功田,刘时风.声发射信号处理和分析技术[J] .无损检测, 2002, 24(1):23-28.