多层包扎式容器装配质量的声发射检测方法

摘要

本发明公开了一种多层包扎式容器装配质量的声发射检测方法，声发射检测仪包括声发射采集装置、前置放大器和传感器，声发射检测方法步骤如下：(1)对传感器的安装部位进行表面处理；(2)调试检测系统灵敏度；(3)传感器对降压过程声学信号进行采集，声学信号经过前置放大器传输到声发射采集装置进行分析；(4)声发射采集装置分析出图；(5)分析；本发明通过声发射检测仪对多层包扎式容器在降压时的层板之间的声学信号进行检测，进而确定层板的装配质量，该方法可在非破坏的情况下对新制造及再用多层包扎式容器层板装配质量进行整体评判，在设备的组装焊接及使用过程中可反复实施上述检测手段，随时评价多层包扎式容器的装配质量。

说明书

技术领域

本发明属于质量检测领域，具体涉及多层包扎式容器装配质量的声发射检测方法。

背景技术

目前压力容器是广泛应用于化工行业的特种设备。近年来，随着我国化工行业的飞速发展，压力容器越来越趋向于大型化和高参数化。此类压力容器的操作工况一般都处于高温、高压下，且操作压力一般具有强腐蚀性或易燃、易爆性。故在选择容器结构时要十分谨慎。目前此类压力容器的结构有单层(整体锻焊式、单层卷焊式、电渣焊式)和多层(包扎式、绕板式、绕带式、绕丝式、热套式、整体多层夹紧式)，其中多层包扎式容器具有以下优点：(1)制造要求条件低，不需要复杂的大型设备；(2)安全性较高，由于多层包扎式容器的层板一般均采用10mm左右厚的钢板逐层包扎而成，一般为6-12层，如图1所示，厚度可达100mm以上，从而使得筒体在应力作用下不会发生金属变形，所以具有很好的韧性，且不易发生脆性破坏，由数层钢板间的预应力紧配合作用，比同等壁厚的容器具有更高的强度；(3)多层层板筒体上开有穿透层板的报警孔，当内筒因腐蚀原因而发生泄漏时，能在早期发现，及时处理；(4)多层包扎结构具有材料利用率高的优点，所以此结构在高压，超高压容器上被普遍采用。

多层包扎式容器在制造装配过程中最重要的控制环节就是检查层板间隙、计算层板贴合率及层板包扎后的松动面积检查，这些指标都直接影响着装配质量及整体强度。如果制造是在十分理想的情况下进行，其筒体应力分布的分析有许多文献可以参考，但是它们都是基于一种理想化的假设即多层容器所有层与层之间的接触是一种完美的接触，即不存在任何间隙。可是在实际制造中，由于卷板等工艺中的误差，在相邻两层之间经常有局部间隙存在。由于筒体中的预应力是通过层与层之间的直接接触产生的，所以间隙的存在将使预应力的值减少。这又进一步影响到筒体整体的强度。特别当存在周期性载荷时其影响更显重要，因为间隙引起的高应力能促使疲劳裂纹的发展。

每层层板的预应力可以看作为是由两部分组成，即由层板在内筒上弯卷时产生的周向收缩力和径向焊缝产生的周向收缩力，而在板弯卷时产生的误差将导致层板曲率的不一致，从而造成层板与层板之间留有缝隙。

因为预应力的大小直接依赖于层间的接触性，所以层板间隙是影响装配质量的最要因素，装配质量进而影响层间预紧力及容器的整体抗疲劳及强度。以壁厚100mm、10层卷板组成的多层包扎式容器为例，卷板的材料为16MnR钢，弹性模量取2.05×10⁹Pa，泊松比取0.3，屈服强度取345MPa，强度极限取550MPa，在第四层和第五层之间设置Ф300mm，高度为0.5mm的空隙，多层包扎式容器在20MPa下，应力集中分布于间隙边缘和间隙的中间区域，第四层内表面圆盘形间隙的圆环边界最大应力集中达到296.89MPa，而第四层其他无缝隙的层板受力只有81.11MPa，说明由于层板间隙的存在，造成局部层板应力集中是正常值的3.66倍，因此圆盘间隙环形边界位置是最危险的，对容器的整体强度影响巨大，特别是当周期性载荷存在时，间隙引起的高应力促使疲劳裂纹的发展，因此层板之间的贴合率是评价装配质量的重要环节。

目前国内外对于多层包扎式容器层间间隙装配质量的检测主要基于制造过程中的常规检验，如筒节端部的间隙测量、层板贴合率计算等，具体如下：(1)塞尺检查对接前筒体两端的间隙，控制间隙在0.03～0.05mm之间；(2)层板贴合率是指包扎板与内筒或者前一层包扎板之间的贴合程度，为0.03mm塞尺塞不进去的面积占总面积的比例，贴合率为85％以上为合格。

以上检测手段只有在层板包扎及筒节对接前进行各项性能测试，受人为因素影响较大，重复性较差，一旦设备组装焊接及设备使用过程中便无法再实施上述检测手段，局限性较大，无法随时随地来评价多层包扎式容器的装配质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种用于检测多层包扎式容器的层板之间装配质量的多层包扎式容器的声发射检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：多层包扎式容器装配质量的声发射检测方法，声发射检测仪包括声发射采集装置、前置放大器和传感器，声发射检测方法步骤如下：

(1)对传感器的安装部位进行表面处理，在传感器的安装部位涂抹耦合剂，将若干个传感器均布在多层包扎式容器的每个深环焊缝上，形成三角行定位分布，对传感器进行固定，使得传感器与多层包扎式容器的表面达到良好的声耦合状态；

(2)调试检测系统灵敏度，用铅笔对每个传感器进行三次折断笔芯试验，要求传感器测得声发射信号幅值差不超过4dB，在被检测多层包扎式容器上传感器阵列的任何部位，声发射模拟源产生的弹性波至少能被该阵列中的传感器收到，并得到唯一的定位结果，定位部位与理论位置的偏差不超过该传感器阵列中最大传感器间距5％；

(3)对多层包扎式容器进行升压，升压至试验压力时停止，试验压力大于多层包扎式容器工作压力，然后让多层包扎式容器进行快速卸载，降低压力，降压速率大于1MPa/min，降压的同时传感器对声学信号进行采集，采用时差定位方式监测整个降压过程，声学信号被传感器采集后形成定位源，声学信号经过前置放大器传输到声发射采集装置进行分析；

(4)声发射采集装置分析出声学信号分布图、声发射波形图和功率谱图；

(5)若声学信号分布图中某区域的声学定位源较少，则说明层板之间装配紧密，很少发生错动摩擦；若声学信号分布图中某区域的声学定位源较多、声发射波形图中的摩擦信号呈连续性释放且功率谱图中的峰值频率为摩擦信号的峰值频率时，则说明该区域层板之间的错动摩擦较为剧烈，层板之间装配间隙较大。

进一步的，所述降压速率控制在1～2MPa/min。

进一步的，所述试验压力为多层包扎式容器工作压力的1.1倍。

进一步的，将多层包扎式容器再次升压至试验压力，然后进行二次降压，对二次降压过程中的声学信号进行采集分析并与初次降压的声学信号进行对比。

进一步的耦合剂为真空硅脂。

进一步的铅笔规格为φ3.0mm，硬度2H。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、多层包扎式容器一般是采用多层钢板逐层包扎而成，而在钢板弯卷时产生的误差将导致各层板曲率的不一致，从而造成层板之间产生间隙，在两个相邻层板之间的典型的间隙h，容器在快速的升压膨胀或者降压收缩过程中，接触完美的层板之间会产生较一致的弹性变形，而间隙h两侧的层板第一层板和第二层板的起止点a点和b点会随着容器的升压膨胀而发生对向的移动使间隙长度变短，a点和b点会存在较大的应力集中；反之随着容器的收缩，a点和b点会发生反向的移动而使间隙长度恢复至初始值附近，第一层板和第二层板间隙的起止点a点和b点的移动都是基于第一层板和第二层板在a点和b点的挤压及变形不一致所产生的刚性位移及错动摩擦，进而释放一定能量的声波，所以随着多层包扎式容器在升压膨胀或者降压收缩过程中，在层板间隙的起止点a点和b点处都会连续地释放一定能量的声波。在容器的升压膨胀或者降压收缩过程中都会有声学信号产生，在升压和降压过程均可进行信号捕捉。但是在升压加载过程中会产生诸多信号源，比较典型的信号源例如材料残余应力的释放、钢板或者焊缝中埋藏的活性缺陷(如裂纹、条渣、未熔合等)的开裂扩展，材料表面氧化皮、防腐漆层的膨胀开裂及剥落等，上述声波都会成为采集间隙的声学信号的干扰信号，难以去除。但在降压过程中上述干扰信号基本都不会发生，因为根据凯赛尔效应，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，故卸载过程中活性缺陷更不会产生声发射信号，更不存在残余应力的释放情况。而材料表面的氧化皮、防腐漆层的开裂及剥落都是在膨胀状态下所激发的信号且具有不可重复性，所以在降压过程中所采集的声学信号基本上为层板间隙摩擦信号，排除了其他缺陷的声学信号，通过声发射检测仪对多层包扎式容器在降压时的层板之间的声学信号进行检测，进而确定层板之间的贴合率，即层板的装配质量，在设备的组装焊接及使用过程中可反复实施上述检测手段，随时评价多层包扎式容器的装配质量。

2、初次降压后，可再次升压进行二次降压，并对二次降压过程的声学信号进行采集以进行对比分析，分析结果更加准确。

3、使用真空硅脂作为涂抹在传感器上的耦合剂，绝缘性能高，填充传感器与深环焊缝接触面之间的微小空隙，通过真空硅脂的过渡作用使传感器与检测面之间的声阻抗差减小，减小能量在此界面上的反射损失，同时真空硅脂为半透明的膏状，与层板的外表面相接触时，不易留下痕迹。

与现有技术相比，本发明通过声发射检测仪对多层包扎式容器在降压时的层板之间的声学信号进行检测，进而确定层板的装配质量，该方法可在非破坏的情况下对新制造及再用多层包扎式容器层板装配质量进行整体评判，在设备的组装焊接及使用过程中可反复实施上述检测手段，随时评价多层包扎式容器的装配质量，具有很高的研究价值及工程应用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1为多层包扎式容器的示意图；

图2为多层包扎式容器的间隙示意图；

图3为本发明多层包扎式容器的声发射检测方法的示意图；

图4为一号氮气罐在降压过程中的声学信号分布图；

图5为二号氮气罐在降压过程中的声学信号分布图；

图6为二号氮气罐声发射波形图；

图7为二号氮气罐的功率谱图。

其中：1、层板；11、第一层板；12、第二层板；2、深环焊缝；3、传感器。

具体实施方式

参照图1至图7对本发明多层包扎式容器装配质量的声发射检测方法的实施例做进一步说明。

多层包扎式容器装配质量的声发射检测方法，声发射检测仪包括声发射采集装置、前置放大器和传感器3，声发射检测方法步骤如下：

(1)对传感器3的安装部位进行表面处理，在传感器3的安装部位涂抹耦合剂，耦合剂为真空硅脂，将若干个传感器3均布在多层包扎式容器的每个深环焊缝2上，形成三角行定位分布，对传感器3进行固定，使得传感器3与多层包扎式容器的表面达到良好的声耦合状态；

(2)调试检测系统灵敏度，用φ3.0mm,硬度为2H的铅笔对每个传感器3进行三次折断笔芯试验，要求传感器3测得声发射信号幅值差不超过4dB。在被检件上传感器3阵列的任何部位，声发射模拟源产生的弹性波至少能被该阵列中的传感器3收到，并得到唯一的定位结果，定位部位与理论位置的偏差不超过该传感器3阵列中最大传感器3间距5％。具体可参考检测标准NB/T47013.9-2012承压设备无损检测---第9部分声发射检测。

(3)对多层包扎式容器进行升压，升至试验压力时停止，然后使多层包扎式容器按一定速率进行降压，降压的同时，声波通过层板1和深环焊缝2传导到多层包扎式容器的外表面，均匀布置在深环焊缝2上的传感器3对声学信号进行采集，采用时差定位方式监测整个降压过程，声学信号被传感器3采集后形成定位源，声学信号经过前置放大器传输到声发射采集装置进行分析；时差定位是经过对各个声发射通道信号到达时间差、波速和探头间距等参数的测量及一定的算法运算，来确定声源的坐标或位置。时差定位是一种精确而又复杂的定位方式，在承压设备容器上广泛应用的一种定位技术(参考检测标准NB/T47013.9-2012承压设备无损检测---第9部分声发射检测。

(4)声发射采集装置分析出声学信号分布图、声发射波形图和功率谱图；

(5)若声学信号分布图中某区域的声学定位源较少，则说明层板1之间装配紧密，很少发生错动摩擦；若声学信号分布图中某区域的声学定位源较多、声发射波形图中的摩擦信号呈连续性释放且功率谱图中的峰值频率为摩擦信号的峰值频率时，则说明该区域层板1之间装配间隙较大，层板1之间的错动摩擦较为剧烈；

(6)多层包扎式容器再次升压至试验压力，然后进行二次降压，对二次降压过程中的声学信号进行采集分析并与初次降压的声学信号进行对比。

多层包扎式容器一般是采用多层钢板逐层包扎而成，如图1所示，而在钢板弯卷时产生的误差将导致各层板1曲率的不一致，从而造成层板1之间产生间隙，如图2所示，在两个相邻层板1之间的典型的间隙h，容器在快速的升压膨胀或者降压收缩过程中，接触完美的层板1之间会产生较一致的弹性变形。而间隙两侧的层板1第一层板11和第二层板12的起止点a点和b点会随着容器的升压膨胀而发生对向的移动使间隙长度变短，a点和b点会存在较大的应力集中；反之随着容器的收缩，a点和b点会发生反向的移动而使间隙长度恢复至初始值附近。综上所述，第一层板11和第二层板12间隙的起止点a点和b点的移动都是基于第一层板11和第二层板12在a点和b点的挤压及变形不一致所产生的刚性位移及错动摩擦，进而释放一定能量的声波，所以随着多层包扎式容器在升压膨胀或者降压收缩过程中，在层板1间隙的起止点a点和b点处都会连续地释放一定能量的声波。

如前所述在容器的升压膨胀或者降压收缩过程中都会有声学信号产生，在升压和降压过程均可进行信号捕捉。但是在升压加载过程中会产生诸多信号源，比较典型的信号源例如材料残余应力的释放、钢板或者焊缝中埋藏的活性缺陷(如裂纹、条渣、未熔合处等)的开裂扩展，材料表面氧化皮、防腐漆层的膨胀开裂及剥落等，上述声波都会成为采集间隙的声学信号的干扰信号，难以去除。但在降压过程中上述干扰信号基本都不会发生，因为根据凯赛尔效应，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，故卸载过程中活性缺陷更不会产生声发射信号，更不存在残余应力的释放情况。而材料表面的氧化皮、防腐漆层的开裂及剥落都是在膨胀状态下所激发的信号且具有不可重复性，所以在降压过程中所采集的声学信号基本上为层板1间隙摩擦信号，声波通过层板1和深环焊缝2传导到多层包扎式容器的外表面，均匀布置在深环焊缝2上的传感器3对声学信号进行采集，这与常规的声发射检测加载过程中进行的采集信号有着本质上的区别。

初次降压后，可再次升压进行二次降压，并对二次降压过程的声学信号进行采集以进行对比分析，分析结果更加准确。同时更快的降压速率会激发更多的声学信号，选择合理的降压速率很重要。

关于降压速率的选取：NB/T47013.9-2012中规定容器的升压速率一般不大于0.5MPa/min。所以降压速率控制在1～2MPa/min左右能激发更多的声学信号，1～2MPa/min降压速率在工程实践中更容易实现。

以对两个多层包扎氮气罐的声发射检测为例，氮气罐设计压力为32MPa，工作压力28MPa，共有12个层板1包扎而成，声发射仪采用PAC的samos-48型，AE参数设置峰值定义时间为1000μs，撞击定义时间2000μs，撞击闭锁时间2000μs，门槛值40dB，耦合剂为真空硅脂，将R15I型传感器3均布在深环焊缝2上，并采用时差定位方式来监测整个降压过程，降压速率为2MPa/Min，图4为一号氮气罐在降压过程中的声学信号分布图，图5为二号氮气罐在降压过程中的声学信号分布图。

可以看出二号氮气罐在降压过程中释放出大量的声学信号，而一号氮气罐释放出的声学信号较少。这说明在降压过程中，一号氮气罐层板1装配质量较好，层板1贴合率高，层板1间很少发生错动摩擦，从而释放较少的声学信号。二号氮气罐在快速降压过程中释放了大量的声学信号，且二号氮气罐的下半部分声学定位源数量远大于上半部分，这说明下半部分层板1错动摩擦较为剧烈，层板1间隙附近集中释放很多高能量，最大幅值达81dB的声学信号。尤其图5中的四个区域为集中定位源区，声发射源非常集中，呈区域性分布，这与层板1间隙呈面型分布较吻合，同时也说明二号氮气罐下半部分存在四个大面积的层板1间隙区域，说明装配质量比较差，层板1贴合率低，下半部分筒节的强度比上半部分差。

如图6所示，通过对二号氮气罐声发射波形图中的集中定位信号的分析可以看出，层板1摩擦信号波形饱满，呈连续性释放状态，这与层板1间隙在快速降压的激发下持续性的摩擦错动相符合。如图7所示，摩擦信号属于高频信号，峰值频率在100KHz左右，与金属断裂或者裂纹扩展的峰值频率不同。

该方法可在非破坏的情况下对新制造及再用多层包扎式容器层板1装配质量进行整体评判，具有很高的研究价值及工程应用前景。

使用真空硅脂作为涂抹在传感器上的耦合剂，绝缘性能高，填充传感器与深环焊缝接触面之间的微小空隙，通过真空硅脂的过渡作用使传感器与检测面之间的声阻抗差减小，减小能量在此界面上的反射损失，同时真空硅脂为半透明的膏状，与层板的外表面相接触时，不易留下痕迹。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。