声发射技术在重大设备中的应用ppt课件.ppt

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1、声发射技术在重大危险设备检测中的应用 东北石油大学 张 颖 教授2015.9 大连,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,声发射技术在重大危险设备检测中的应用,声发射监测技术应用展望,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,1. 声发射检测技术简介,声发射检测技术原理 声发射(Acoustic Emission，简称AE

2、)是指物体在受到形变或外力作用时，因迅速释放弹性能量而产生瞬态应力波的一种物理现象。,裂纹尖端扩展释放瞬态弹性应力波。该应力波在材料内部扩散传播并可被安放在一定距离内的声发射传感器探测到。传感器将应力波转换为电信号并由计算机控制的声发射系统进行采集、分析、处理。根据接收应力波次数、幅度、能量及时间差，可了解缺陷的动态活动情况，包括什么时候发生？在哪发生？发生的次数是多少？缺陷信号的强度如何？等。由声发射及其它综合监测信息，如载荷与应变，可对结构状况进行分等级定量评估。,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integr

3、ity Assessment Laboratory,1.声发射检测技术简介,声发射检测无论从微观还是从宏观角度分析，都可认为是一种动态的检测方法。除极少数材料外，黑色金属、有色金属、复合材料、塑料、木材、岩石和混凝土等各种固体材料都有声发射现象。传感器按一定阵列布置，可实现整体检测。根据声发射信号表征参量的统计特征可以判断结构内部活性缺陷的位置、状态及其发展趋势。适合于设备状态的长期监测。,声发射检测技术特点,正在发生的腐蚀过程电化学腐蚀、应力腐蚀、高温腐蚀、氧化腐蚀、微生物腐蚀活动性裂纹（裂纹扩展）疲劳裂纹、应力腐蚀开裂、氢至开裂、材料制造缺陷损伤断裂疲劳断裂、脆性断裂、拉伸断裂、冲击损伤、

4、碰撞磨蹭气液泄漏气体泄漏、液体泄漏、外漏和内漏,1.声发射检测技术简介,适合声发射在线检/监测的物理现象,适合声发射在线监测的特种设备,管道：泄漏监测、腐蚀监测、应力腐蚀裂纹监测阀门：内、外泄漏监测压力容器、气瓶、锅炉：裂纹监测、应力腐蚀开裂监测、泄漏监测常压储罐：罐底腐蚀监测起重设备：裂纹监测、断裂监测关键结构与部位：裂纹监测、断裂监测,1.声发射检测技术简介,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Em

5、ission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,承压设备无损检测 第9部分：声发射检测NB/T47013.9-2012,现行的主要声发射检测标准,无损检测 常压金属储罐声发射检测及评价方法 JB/T107642007,1.声发射检测技术简介,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,“声发射检测与结构完整性评价实验室”始建于1983年，在声发射、磁检测技术的研究与应用方面处于国内领先水平

6、是我国声发射检测领域首家通过国家计量认证的实验室中油股份安全环保研究院HSE重点实验室东北石油大学-美国物理声学公司联合实验室黑龙江省教育厅重点实验室,2.声发射实验室简介,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,东北石油大学博士和硕士研究生的培养基地：博士后流动站动力工程及工程热物理（2008年）博士点化工过程机械（2003年） 一级学科硕士点-动力工程及工程热物理（2006年）一级学科硕士点安全科学及工程实验室现有在读博士研究生8人，硕士研究生25名，博

7、士后2人。,2.声发射实验室简介,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,实验室技术力量雄厚，现有教授4人，副教授2人，中级职称 3人。其中，1人为全国特种设备检测（AE）考委会委员，2人持有特种设备检测（AE）三级证，3人持有特种设备检测（AE）二级证，2人持有特种设备检测（UT）二级证，2人持有特种设备检测（MT）二级证。,2.声发射实验室简介,实验室主任戴 光，教授, 博士, 博士生导师中国无损检测学会副理事长；黑龙江省“龙江学者特聘教授”黑龙江省教学

8、名师享受国务院特殊津贴“化工过程机械”省重点学科带头人,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,2.声发射实验室简介,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,2. 声发射实验室简介,“金属压力容器和常压储罐声发射检测及安全评价技术与应用”，获国家科技进步二等奖“大型储罐群安全检验技术体系研究和工程示范”，获中国职业安全健康

9、协会科学技术一等奖GB/T 181822000 金属压力容器声发射检测及结果评定方法等6项标准中国标准创新贡献二等奖目前，承担“焊缝典型缺陷磁记忆特征提取与反演的定量化基础研究”国家自然科学基金项目1项，中国石油天然气集团公司科技公关项目1项，黑龙江省自然科学基金项目3项。重视开展技术服务工作，先后完成了多台多层包扎式尿素合成塔、超高压反应器、加氢反应器、再生器、吸附塔和球罐等设备的声发射检测及评价工作，并在常压立式储罐声发射在线检测及底板漏磁扫描检测方面进行了大量的科研与现场应用工作。对于保证设备安全运行，做出了贡献，为企业创造了显著的经济和社会效益。,实验室主要的科研成果：,声发射检测与结

10、构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,3.重大危险设备检测实例,实例一：超高压反应器泄漏声发射检测,某塑料厂的超高压管式反应器全长为1484m，以103根反应管组成。反应管材料为30CrNiMo8，规格为8640，工作温度315，工作压力为245MPa。超高压反应器使用夹套管热水换热，工作压力为0.5MPa，工作温度为168。副产物为0.3MPa的蒸汽。 某日正常生产中，工作人员发现换热系统0.3MPa蒸汽中含乙烯，因此判定反应管发生了泄漏，于是厂方立即停产。因为反应器

11、以103根反应管组成，并且管外有夹套管，此刻如何迅速地准确地判断出泄漏管段，是尽早恢复生产的关键。研究决定采用声发射检测技术，对超高压管式反应器进行加载过程的泄漏检测，期望快速、准确判断发生泄漏的管段。,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,实例一：超高压反应器泄漏声发射检测,声发射检测仪器设置及依据标准检测仪器：美国PAC公司的SAMOS-16声发射检测系统。传感器型号：DP3I，共振频率30KHz。声发射检测依据标准：本次检测依据“GB/T 18182

12、-2000 金属压力容器声发射检测及结果评价方法”进行检测及结果评价工作。,声发射系统,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,实例一：超高压反应器泄漏声发射检测,超高压管式反应器泄露检测过程：初步判断，泄漏位置位于四层共24根反应管中。受到所用仪器通道数的限制，采用分段检测的方法，将传感器布置在管间端面上。,初始标定时声发射传感器布置图,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission

13、 Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,实例一：超高压反应器泄漏声发射检测,按图加载曲线进行加载，当压力到达160MPa，发生了泄漏，停止加载。因为实际加载过程中介质温度较高，使反应管壁温度维持在85以上，所以无法按预定方案继续进行声发射检测。,加载曲线图,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,实例一：超高压反应器泄漏声发射检测,经过厂方要求，决定对推断发生泄漏

14、的5根反应管进行短时间声发射检测，确定发生泄漏的反应管。这5根超高压反应管的声发射检测布点如图所示。,第一层反应管实际测点图,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,实例一：超高压反应器泄漏声发射检测,泄漏位置的确定,分析并处理采集到的泄漏声发射检测数据，各通道的统计结果如表：,应用PMH时频分析的方法，确定3、7、10、13号传感器获得的信号是泄漏喷流噪声信号，而6、14号传感器获得信号是流动噪声信号。比较分析3、7、10、13号

15、传感器所收到的信号数据，其中7号传感器接收到泄漏声信号的幅值最高，3号传感器次之，可以确定位于这2个传感器间的1#弯管段发生了泄漏，泄漏位置位于1#管的弯曲段，而且靠近7号传感器一侧。为厂方迅速寻找泄漏源提供了强有力的技术支持。,第一层反应管实际测点图,泄漏管段,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,实例二：超高压反应管声发射检测,超高压自增强聚乙烯管式反应器是聚乙烯生产装置中的关键设备之一,目前已处于设计寿命的中后期阶段。经试验

16、测定,个别运行条件比较苛刻的反应管内壁残余应力已衰减为零,反应管内壁有出现裂纹的可能性，目前已发生反应管破前漏的事故。因此，如何有效保障超高压反应器的安全可靠运行已迫在眉结。根据厂方要求，对超高压反应器进行抽检。本次检测选取10根反应管进行声发射检测，10根反应管包括6根弯管和4根直管。,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,实例二：超高压反应管声发射检测,本次声发射检测是与伍德公司对超高压反应管进行再次自增强处理时同时进行的，被

17、检的反应管还进行了涡流检测。本次检测依据“GB/T 18182-2000 金属压力容器声发射检测及结果评价方法”进行检测及结果评价工作。使用美国PAC公司生产的SAMOS-16声发射检测系统。传感器型号为R15型，共振频率为150KHz。,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,实例二：超高压反应管声发射检测,由于10根反应管分为直管和弯管二类，其传感器布置分别如图2和图3所示。每根管均布置10个传感器，采用线定位与区域定位相结合的

18、方法。,图2 直反应管声发射传感器布图,图3 弯反应管声发射传感器布图,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,实例二：超高压反应管声发射检测,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,实例二：超高压反应管声发射检测,加载曲线如图所示。整个加载过程由三个保压阶段组成，保载压

19、力分别约为1/3Pmax，2/3Pmax和Pmax。每根管的最高加载压力由德方根据自增强处理要求确定。,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,实例二：超高压反应管声发射检测,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,加氢反应器基本参数：设计压力：8.61MPa；工作压力：

20、8.2MPa；设计温度：425；全容积：123m3；介质：油、H2、H2S、NH2；设备金属净质量：193640Kg；设备充水后总质量：315050Kg；材质：2.25Cr1Mo+E309L+347L；结构尺寸：3000mm（90+6.5）mm23757mm。,实例三：新制加氢反应器声发射检测,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,加氢反应器声发射传感器布点图 三角定位、线定位和区域定位相结合,实例三：新制加氢反应器声发射检测,3

21、.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,水压试验加载曲线（二次加载）,实例三：新制加氢反应器声发射检测,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,加氢反应器声发射检测结果分析,第一次加载循环（08.61 MPa）该阶段收到大量的声发射信号，且绝大部分来自于升压阶段。考虑到新制

22、压力容器的首次加压，经分析，这些信号主要是由加氢反应器的裙座、支座、支柱和接管等角焊缝部位的焊接残余应力释放以及垫板与壳体变形膨胀不一致产生的机械摩擦引起。由于危险的缺陷在保压阶段仍然会活动，所以在检测时重点监测保压阶段的声源定位信号。在该加压循环的第一保压台阶（P=8.61MPa）未形成定位集团，仅形成数量不多的分散定位点。,实例三：新制加氢反应器声发射检测,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,11.0MPa一次保压阶段声源定

23、位图,但在第二保压台阶（P=11.0MPa）及第三保压台阶（P=13.75MPa）时得到二个有效声源定位集团S1和S2。这两个定位集团是否确实来自于真正缺陷，尚需观察第二次加压循环的监测结果来确定。,S1,13.75MPa一次保压阶段声源定位图,加氢反应器声发射检测结果分析,实例三：新制加氢反应器声发射检测,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,13.75MPa二次保压阶段声源定位图,第二次加压循环（P=13.75MPa）保压台阶

24、声发射检测结果，仅发现一处声源S1。,S1,13.75MPa二次保压阶段声源定位图,加氢反应器声发射检测结果分析,S1,实例三：新制加氢反应器声发射检测,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,上封头弯管处实际图,实例三：新制加氢反应器声发射检测,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Lab

25、oratory,13.75MPa一次保压阶段声源定位图,上封头弯管处布置26#、27#传感器形成线定位，以监测此处焊接质量。得到1处声源S3。其它各道环焊缝均未形成有效定位集团。,S1,13.75MPa二次保压阶段声源定位图,加氢反应器声发射检测结果分析,实例三：新制加氢反应器声发射检测,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,水压试验过程声源评价结果,实例三：新制加氢反应器声发射检测,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整

26、性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,根据GB/T 18182-2000金属压力容器声发射检测及结果评价方法等标准和规程要求，对发现的三处声源进行复验。S1和S2采用超声波进行复验，未发现超标缺陷。声源S1位于筒体中部，经分析为加载过程中水流微渗产生的流动噪声；声源S2在第二次加载循环保压阶段消失，根据所处位置，确定为鞍座与筒体间的机械摩擦信号。声源S3在第二次加载循环定位信号较集中，经表面渗透探伤复检为弯管内堆焊层表面裂纹。根据声发射检测结果，认为该加氢反应器在最高试验压力

27、13.75MPa下，筒体未发现活性缺陷；上封头弯管内堆焊层表面裂纹缺陷需进行修复。,实例三：新制加氢反应器声发射检测,3.重大危险设备检测实例,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,4.声发射监测技术应用展望,人员、设备与生产过程安全是工业活动中应最先考虑并得以保障的事宜。由于设备的安全性故障及突发事故造成的工业生产损失与人员伤害往往是致命性的、无法弥补与挽回的。保证生产过程安全长周期运行有赖于先进的检测、监测技术与管理方法。在实际生产过程中，由于特种设备

28、的复杂性、材料本身的不均匀性、制造过程质量控制的不一致性、各种无损检测方法的局限性，巡检或定期检查很难覆盖所有潜在的问题与部位。对于一些关键结构与部位、经常性出现的问题、一些已发现的故障缺陷但又不能随意停产检修的情况、一些需要在相对较大的范围观测跟踪安全性能的场合、一些监测人员无法或不易经常性检查的部位，在线监测成了唯一有效的选择。从长远的、总体的经济与社会效应考虑，在线监测具有更大的效益/成本比。在线监测可以降低对技术人员水平一致性的要求，减轻劳动强度，易于建立监测数据库，便于实现科学化技术管理。,重大危险设备在线监测的必要性,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emissi

29、on Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,4.声发射监测技术应用展望,重大危险设备声发射在线监测的特点,一般不影响生产过程的正常运行，在生产过程中实时进行监测。少数情况需要隔离于生产过程进行监测，如声发射罐底腐蚀监测。室外监测，监测系统必须适合室外长期使用。全天候监测，温度与气候条件变化很大，监测系统必须能在大温差及防潮、防水的条件下使用。适合多点集中管理监测。可以实现远程、无线及网络化的监测与报警。适合短时（数小时）、长时（24小时或数天）或经年累月需要监测的场合。初期一次性设备的投资成本较高，但设备的更新维护、技术人员

30、的维持、现场检测服务的工作量与成本较低。,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,4.声发射监测技术应用展望,长期监测以声发射为核心的室外全天候混合监测系统SHII-SRM,声发射通道数：4 16可选外参数通道数：16虚拟参数通道数：64,控制方式：笔记本电脑控制距离：本地 100米，网络无限制系统连网扩展：可以,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assess

31、ment Laboratory,4.声发射监测技术应用展望,传感器1、5 8 用于监测裂纹传感器2用于检测温度传感器3用于监测压力传感器4用于监测气象,带波导杆的声发射传感器安装,温度传感器安装,反应器长期在线监测,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,五 总 结,对新制造高参数容器，在出厂前水压试验时可采用声发射检测技术，作为一种有效的补充，以提高容器的安全可靠性；对在役设备由于生产需要或长周期运行要求，可采用声发射检测技术进行不停产检测，以确定设备的健康状况；将声发射检测技术与RBI技术有机的结合，可为装置长周期安全运行提供有效的保障；对于生产过程中出现的特殊问题，当常规检测技术不能解决时，可考虑使用声发射检测技术；声发射检测技术以其动态特性、整体特性，可实现对承压设备的在役检测、长期监测，是重大设备安全检测由定期检测向长期监测发展，实现“互联网+及智能预报” 的优选技术。,声发射检测与结构完整性评价实验室,Acoustic Emission Inspect and Structure Integrity Assessment Laboratory,敬请批评指正！,联系方式： 13845973977,