尿素合成塔的声发射检测技术

尿素合成塔的声发射检测技术

本文论述了在用尿素合成塔的无损检测技术，着重介绍了声发射检测技术在尿素合成塔定期检验的可行性和应用优势，结合超声波检测的复验，完全满足检测的需要。

主题词：　尿素合成塔　 声发射　 超声波检测

1前言
　　 尿素合成塔是尿素生产的关键设备之一，是供二氧化碳、液氨在高温高压下进行合成反应的主体设备。智成化工的1#尿素合成塔于1988年1月由国内某化机厂设计和制造，1989年12月投入使用。该塔结构为单个筒节多层包扎后再焊接环焊缝的深环焊缝结构，因结构所致不能进行焊后热处理，环焊缝部位存在较大的应力集中，且焊接缺陷不易检测，如图1所示。该塔规格为φ1384×26690×116（6×15+12+6+8，18层包扎而成）；共10个筒节，11条环焊缝，容积37.5m3，筒体层板材质为：15MnVgC（15MnV锅炉钢层板），封头为：18MnMoNb，内衬为：18-20Mod；设计压力：22MPa，设计温度：200°C；工作介质为：NH3(液)、CO2(气)、甲铵、尿素熔融物。由于其制造工艺复杂，制造缺陷检测困难，现场运行环境恶劣，在用检验尤其显得重要。

　　该塔今年七月份进行内外表面检查，发现第一、五、六筒节外层板和第五、六道环缝有裂纹缺陷，请原制造厂更换了几层层板，并清除了裂纹，修理后对第二、四、五、六道环缝进行了Co-60射线探伤，结果显示，这次返修的部分未发现裂纹，但其它未返修的环缝内仍然存在裂纹。因此有必要选择合适的检测方法，对该塔整体的缺陷情况进行检测。

图1　 尿素合成塔深环焊缝结构
2 检测方法的确定
压力容器在使用过程中，由于温度，应力和腐蚀等因素的影响，原有的制造规范允许存在的缺陷会发展变化，或者产生新的危害性缺陷。而对在用压力容器通过合适的检验方法进行定期检验，是及早发现缺陷，消除隐患，保证压力容器安全运行的一项行之有效的措施。由于焊缝内的气孔、夹渣、未焊透、未熔合等焊接缺陷只存在于制造过程的焊接工序，在使用过程中不可能产生这些焊接缺陷。因此对于在役设备而言，无损检测的主要目的是以发现活动性的裂纹类缺陷为主，因为对于在使用过程中，由于疲劳、应力、温度、腐蚀以及内部缺陷在应力作用下尖端开裂产生的裂纹是检测的主要对象。对于裂纹类的平面状缺陷，最好的检测方法是超声波检测，理论和实践都证明，只要选择合适的探头（主要是K值和频率）和可靠的扫查方式，绝大部分都会被发现，漏检的可能性非常低。但由于该容器为多层钢板包扎而成，层板之间存在超声波不能穿过的空隙，而焊缝本身宽度不大，余高没有磨平，因此不适合做超声波检测。
如果采用射线检测，由于焊缝太厚（116mm），按照JB4730-94标准的要求，只能采用Co-60 射线检测或者采用高能X射线。而高能X射线由于不便携带，不能用在现场。受现场条件限制，有几道环缝的位置不能进行拍片，而且Co-60射线能量大，防护困难，现场操作对检测人员的危害性太大。更为主要的原因是，由于检测原理上的限制，大能量的Co-60对焊缝的裂纹检出率不高，因此Co-60拍片对环缝检测来说不是理想的检测方法。经过反复探讨，最终我们选择用声发射技术来检测尿素合成塔的整体缺陷情况。

3 声发射技术的应用
3.1 声发射检测的特点
材料或结构受应力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射。声发射技术始于二十世纪六十年代，逐步发展成熟的一种新的无损检测方法，被广泛应用于材料试验、压力容器检验、飞机、桥梁、起重机等工程结构的完整性检验。声发射检测已经作为一种可靠的无损检测方法早就应用在压力容器定期检验中。1990版《在用压力容器检验规程》和2003版的《压力容器定期检验规则》都把声发射检验技术作为一种压力容器的定期检验技术。全国特种设备无损检测考委会已经于2002年开始培训和考核声发射II级人员。由于声发射检测在役检验速度快、周期短、发现的结果为活动性危险缺陷，在线检测可以在不停产的情况下进行，因此采用声发射技术既确保了被检设备的安全运行，又为用户带来了更大的经济效益。
　　声发射技术是根据结构内部发出的应力波判断结构内部损伤程度的一种新的无损检测方法，它与传统的超声波、射线等常规无损检测方法主要区别在于声发射技术是一种动态无损检测方法，它能连续监测结构内部损伤的全过程。由于声发射检测是一种动态无损检测方法，而且，声发射信号来自缺陷本身，因此，用声发射法可以判断缺陷的严重性。一个同样大小、同样性质的缺陷，当它所处的位置和所受的应力状态不同时，对结构的损伤程度也不同，所以它的声发射特征也有差别，明确了来自缺陷的声发射信号，就可以长期连续第监视缺陷的安全性，这是其他无损检测方法难于实现的。
　　采用多通道传感器接收声发射信号并用现代数字信号处理技术和计算机技术处理信息，从而达到在压力容器加载时实时显示动态缺陷、确定缺陷位置和评定缺陷的严重性。在压力容器检测时，与传统的无损检测方法相比，它有下述明显的特点：
（1）传统的无损检测方法主要是按缺陷尺寸的大小来衡量其危害程度，声发射检测则只显示和记录扩展变化的缺陷，与缺陷的尺寸无关，而扩展的缺陷是最危险的。采用声发射方法评价缺陷，不但可以避免对尺寸虽大、但不属于扩展性的缺陷进行不必要的返修处理，而且能够提高结构运行的可靠性。
（2）采用声发射检测可以一次性地对结构进行整体检测而不仅是焊缝，检测时无须使传感器在被测结构表面扫描，变传统无损检测方法的“动态”检出而为“静态”检出。
（3）缺陷所处的位置和方向不会影响其检出率。

3.2 声发射检测的实施
（1）检测仪器
我们检测使用的仪器为声华科技有限公司生产的便携式SWAES－32通道智能声发射仪，结构如图2所示。该仪器采用全波形采集技术，采样频率高达每通道2.5MHz，分辨率为16位，具有波形显示和数据存储功能，结合信号处理技术可以较好地对缺陷进行定量和定位。 　　　　　　　　　　
（2）传感器的布置　
根据该塔的结构，确定采用22个传感器。每圈环缝布置两个探头，相邻的环缝错开90º，传感器的摆放位置如图3所示。声发射仪器中，　　 图2　SWAES智能声发射仪
在输入尿素合成塔的体积和焊缝结构后，可以
通过软件设置传感器布置图。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（3）声发射源的定位
　为了在固体表面某一范围测量出缺陷的位置，可以将几个传感器按一定的几何关系放置在固定点上，组成传感器阵（或称阵列），测定声发射源的声波传播到各个传感器的相对时差。将这些相对时差代入满足该几何关系的一组方程求解，便可以得到缺陷的位置坐标。在实践中，为了推得求解声源位置的计算方程式并简化计算，传感器通常是按特定的规则的几何图形布置的。
　　目前，现有国内外仪器上的声发射源定位大多是依靠声源到达传感器的时间差和传感器的坐标联立成方程组来定位的。一般是在由多个传感器组合成三角网络中，按一定算法选取某个三角形，在此三角形中联立方程计算、判断出源位置。我们使用的声发射仪具有是平面任意三角形定位、球面定位和柱面定位三种定位方法，以适应不同的检测对象。由于尿素合成塔是标准的圆柱形状，因此采用柱面定位可以精确地确定声发射源的位置。
（4）加载和测试
通常的声发射检测，都需要对容器加载。我们结合该塔的水压试验同时进行声发射检测，利用水压来作为载荷。由于该塔的实际使用压力为20MPa，水压试验压力为25MPa。因此声发射检测时，第一次加载到25MPa，第二次加载到23MPa。每次升压和保压过程中，采集声发射信号。　　　　　　　　　　　　　

3.3 缺陷的定量和定位
由于该容器为多层包扎容器，在加压过程中，内层挤压外层，产生了大量的噪声信号，因此给缺陷的判定带来了很大困　　图3 传感器布置图
难。需要根据信号的波形，定位传感器的布置及幅值等综合确
定缺陷的真伪。再在此基础上，判断缺陷的位置和能量。图4
为典型的裂纹声发射波形，图5为典型的层板干扰信号波形。

4 环焊缝的超声波复验
　　由于声发射定位的误差一般在几十毫米范围内，为了给缺陷的返修提供精确的定位，以及测量缺陷的长度等，需要在声发射检测完成后，对缺陷进行超声波复验。由于该塔为多层包扎结构，普通的焊缝超声波探伤方法不适用。我们把焊缝余高磨平后，把超声波探头放置在焊缝上。通过采用了多种角度的探头结合采用多种扫查方式，根据声发射的定位情况，确定了九处缺陷并进行了返修。返修后再次对这些部位检测，没有发现超标缺陷。 5 结论
　 今年3月，山东某化肥厂尿素合成塔爆炸后，国家质检总局特别为尿素合成塔的制造，使用，检验等问题发布了第689号文，明确要求要加强在用尿素合成塔的定期检验。但由于该类容器结构的特殊性，常规的无损检测方法不太适用。我们经过与用户和检验单位探讨后，确定了用声发射技术检验尿素合成塔的方案。实践证明，这个检验方法较好地达到了检验目的，值得推广。