声发射检测技术在压力容器检验中的应用_崔卫东

1 声发射现象与声发射源
材料中如果存在 局 部 缺 陷，这 些 局 部 缺 欠 会 在 高 应 力 条 件 下快速扩展，并且 迅 速 释 放 能 量 产 生 瞬 态 弹 性 波 的 现 象 称 为 声 发射（ Acoustic Emission） ，有时也称为应力波发射。材料在应力 作用下的变形与 裂 纹 扩 展，是 结 构 失 效 的 重 要 机 制。 这 种 直 接 与变形和断裂机制有关的源，被称为声发射源［1］。
2 声发射检测技术的基本原理
声发射检测技术的基本原理就是利用藕合在材料表面上的 压电陶瓷探头将材料内声发射源产生的弹性波转变为电信号， 然后应用电子设备将这些电信号加以放大和处理使之特性化， 并加以显示和记 录，从 而 获 得 材 料 内 声 发 射 源 的 波 形 及 特 征 参 数。通过分析检测过程中声发射仪器获得的声发射信号波形及 各种参数，可以 知 道 材 料 内 部 的 缺 陷 情 况。如 果 用 多 通 道 声 发 射检测系统，还 可 以 确 定 声 发 射 源 即 缺 陷 的 具 体 部 位。 用 仪 器 探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的 技术称为声发射检测技术。
（ 1） 声发射是一种动态检测方法，声发射探测到的能量来自 被测试物体本身；
（ 2） 声发射检测方法对线性缺陷较敏感，它能探测到在外加 结构应力下这些缺陷的活动情况；
（ 3） 在一次试验过程中，声发射检测能够整体探测和评价 整个结构中缺陷的状态；
（ 4） 可提供缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时 或连续信息，适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报；
第 40 卷第 4 期 2012 年 2 月
广州化工 Guangzhou Chemical Industry
Vol． 40 No． 4 February． 2012
化工机械
声发射检测技术在压力容器检验中的应用
崔卫东，焦昌峰，高庆伟
（ 河南省锅炉压力容器安全检测研究院，河南 郑州 450016）
摘 要： 介绍了声发射技术的原理及凯赛尔效应，声发射检测技术的发展情况、检测特点、评定标准和评价方法。并在此基础
经过材料的反复 加 压 和 卸 载，人 们 发 现 当 加 了 一 次 载 荷 使 材料产生声发射 信 号 之 后 卸 去 载 荷，第 二 次 再 加 载 载 荷 时 则 在 所加载荷未超过 第 一 次 加 载 时 的 应 力 值 之 前 ，便 没 有 声 发 射 信 号产生。这一不可逆的现象就称为“凯赛尔效应”［3］，它也常被 用于压力容器的定期检验。
Key words： acoustic emission testing technology； pressure vessel； periodic inspection； Kaiser effect
河南省目前拥有大型在用压力容器 1000 多台，其中有很多 压力容器储存大量易燃、易爆、有毒、有害介质，并且这些容器中 有相当数量存在着各种“先天性”和“后天性”缺陷，且不能得到 及时发现和处理。因 此，寻 找 能 够 快 速、经 济、有 效 的 在 用 压 力 容器检测评定方法是特种设备管理和检测人员的迫切愿望。
根据声发射不 可 逆 效 应———凯 赛 尔 效 应，对 在 用 压 力 容 器 因已承受过一定的压力，故在定期检验中再次进行水压试验时， 当压力不超 过 使 用 时 的 最 高 工 作 压 力，则 不 出 现 声 发 射 信 号。 有可能造成缺陷的漏检。因此我们在做加载试验时一定要高于 压力容器的最高工作压力才不会造成缺陷漏检。若压力容器在
CUI Wei － dong，JIAO Chang － feng，GAO Qing － wei （ Institute of Boiler and Pressure Vessel Safety Inspection，Henan Zhengzhou 450016，China）
Abstract： The principle of acoustic emission，and Kaiser effect，acoustic emission testing technology development， test characteristics，evaluation standard and assessment method were introduced． On the basis of that，it proposed that acoustic emission testing technology was important in the pressure vessel regular inspection．
作者简介： 崔卫东（ 1977 － ） ，男，工程师，主要从事特种设备安全检验检测研究。
第 40 卷第 4 期
崔卫东等： 声发射检测技术在压力容器检验中的应用
79
4 声发射检测技术的特点
声发射技术 已 成 为 金 属 压 力 容 器 的 重 要 无 损 检 测 方 法 之 一，由于该方法能对活动性缺陷进行动态检测，因此在压力容器 水压试验过程中经常用该技术进行监测。与其它常规无损检测 方法相比，声发射检测技术的主要优点如下：
6 我国常用声发射检测评定标准和检测结果评价
随着我国的声发 射 检 测 技 术 的 不 断 完 善，我 们 已 经 形 成 了 一些检测评定标准，比较常用的标准有：
（ 1） GB / T12604． 4 － 2004《无损检测术语 声发射检测》； （ 2） GB / T18182 － 2000《金属压力容器声发射检测及结果评 价方法》； （ 3） GJB2004 － 94《钛合金压力容器检测方法》； （ 4） JB / T7667 － 95《在役压力容器声发射检测评定方法》； （ 5） JB / T6916 － 93《在役高压气瓶声发射检测和评定方法》。 在这些标准中，用 于 我 们 石 油 化 工 领 域 内 承 压 类 特 种 设 备 定期检验的最新标准是 GB / T18182 － 2000《金属压力容器声发 射检测及结果评价方法》。 根据标准 GB / T18182 － 2000 对声发射检测结果的评价应该 分别对声发射 源 进 行 活 度、强 度 和 综 合 等 级 进 行 划 分［4］。 声 发 射源的活度划分可按照下面方法进行： （ 1） 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； （ 2） 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； （ 3） 如果源区的事件数随着升压或保压呈间断出现时，则认 为该部位的源具有弱活性； （ 4） 如果源区的事件数随着升压或保压呈不出现时，则认为 该部位的源具有非活性。 对于一次加压循环，源的活度等级划分方法可参照表 1 进 行。
声发射技术是一种动态无损检测方法，它区别于常规无损 检测如超声波、X － 射线等其它无损检测技术，是压力容器定期 检验的一种新方法。
声发射检测原理如图 1Leabharlann 所示。图 1 声发射检测原理图
3 国内外声发射技术进展情况
声发射的研究工作开始于上世纪五十年代，德国人 Kaiser 首先提出了材料在重复加载时具有“Kaiser 效应”，后来 Felicity 经反复试验，在 Kaiser 效应的基础上进行了完善，提出了材料同 时具有“Felicity 效应”，声发射技术的研究就是基于这两个基本 原理展开的。声发射技术作为压力容器的无损检测方法始于 20 世纪 60 年代末期。通过近 40 年的发展，目前在欧美一些发达 国家已经成为成熟的无损检测手段。
由于声发射技术 的 优 越 性，使 得 它 在 众 多 领 域 得 到 广 泛 应 用。声发射技术压 力 容 器 中 的 应 用，主 要 是 对 大 型 构 件 的 完 整 性进行检测和评价，或者对大型设备进行在线安全监测。
5． 1 声发射技术在化工压力容器定期检验中的应用
我们对试件做拉 伸 试 验 时，当 应 力 达 到 材 料 的 塑 性 变 形 区 域时，声发射的发射率急剧增加，经过最大值后又逐步减少。一 般认为这一声发射是由于材料的位错移动而产生的。在被检设 备中存在裂纹等危害缺陷情况下，裂纹顶端产生应力集中，致使 该部位比其他部位更早的进入塑性变形区域而引发声发射信 号，这为我们对压 力 容 器 定 期 检 验 发 现 一 些 裂 纹 等 危 害 性 缺 陷 提供了一个前提条件。
上提出了声发射检测技术在压力容器定期检验中的重要性。
关键词： 声发射检测技术； 压力容器； 定期检验； 凯赛尔效应
中图分类号： TN606
文献标识码： A
文章编号： 1001 － 9677（ 2012） 04 － 0078 － 03
Application of Acoustic Emission Testing Technology in Pressure Vessel Inspection
（ 1） 核压力容器及回路系统水压试验时的监测； （ 2） 定期检修后水压试验的监测； （ 3） 放射性物质泄漏的监测； （ 4） 开停机及失水事故紧急停堆时对热冲击的监测； （ 5） 对某些重点部位的实时在线监测； 通过这些监测对核反应堆压力容器的安全状况进行整体评 价，以便早期做出反应，防止事故发生。
长期使用过程中，产生了疲劳裂纹或应力腐蚀裂纹等缺陷，则在 较低的压力下就 会 产 生 声 发 射 信 号。这 样，在 压 力 容 器 定 期 检 验的水压试验中用声发射监测就能发现裂纹的扩展信号。
5． 2 声发射技术在核电站压力容器中的应用
为了解决能源问题，同时也是出于对环保问题的重视，世界 各国核能工业正 在 迅 速 发 展，目 前 我 国 有 几 百 座 核 电 站 正 在 运 转，并且新的核电站还正在兴建。但事情往往存在两面性，当一 次次核电事 故 发 生 时，又 使 得 人 们 对 核 电 站 的 安 全 更 为 担 忧。 因此，如何保障核 电 站 尤 其 是 反 应 堆 等 核 心 压 力 容 器 的 安 全 成 为核电发展的重中之重。通过声发射在线监控系统可以使得我 们对核反应堆等核心设备安全状况进行监测和评价。声发射在 核反应堆中的应用主要有如下几个方面：