声发射检测技术在压力容器应力腐蚀检测中的应用

机械管理开发

MECHANICALMANAGEMENTAND

DEVELOPMENT

Total197No.9，2019

DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2019.09.075

声发射检测技术在压力容器应力腐蚀检测中的应用

李志宏

（长治市特种设备监督检验所，山西

摘

长治

046000）

检测结果要：采用声发射检测技术对装有FeCl3溶液的小型压力容器出现的应用腐蚀问题进行检测研究。

幅度和能量较显示，该小型压力容器采用的Q345R材料凯塞尔效应明显，一次压力循环声发射信号撞击数、实现对压力容器的应高。表明声发射检测技术可根据声发射信号强度及变化来对设备的运行状况进行判断，力腐蚀过程进行有效监控。关键词：声发射检测技术中图分类号：TG115.28

应力腐蚀

小型压力容器文献标识码：A

文章编号：（2019）1003-773X09-0173-02

引言

当前压力容器因应力腐蚀开裂而造成的安全事

声发射检测技术作为一故频发，造成了重大的影响。

种先进的在线检测技术目前在压力容器检测领域取得了成功应用。当前应用声发射检测技术对压力容器应力腐蚀检测的研究很多，但研究对象多为简单试样，信号处理方法主要基于声发射特征参数分析。简单试样结构形状与实际容器相差较大，研究结果

但与检工程应用性较差，特征参数法虽然简单实用，

近些年随着测参数设置相关，试验结果重复性较差。

全数字声发射仪的发展，基于波形的信号分析技术越来越受重视。本文以充装6%的FeCl3溶液带有预制裂纹的Q345R材料的小型压力容器为研究对象，进行压力容器的应力腐蚀开裂声发射特性的声发射检测技术的应用研究。

1声发射检测技术试验过程

本次试验的小型压力容器为小型罐体，体积

壁0.045m3，规格椎400mm×500mm，材质Q345R，

厚8mm。在内部筒体纵缝与封头和筒体连接环焊缝交接的“丁”字型焊接接头处采用打磨点焊铜丝的方

试验前将小法使其产生表面裂纹，并进行射线检测。

型罐体充装上6%的FeCl3溶液，调节容器压力至4.0MPa，保压约45d，使内部预制裂纹发生应力腐蚀裂纹扩展。采用PACPocketAE-2型2通道声发射

波形数据。系统，同时记录声发射信号参数、声发射检测过程参照GB/T18182—2000。小型

罐体内部充装为6%的FeCl3溶液，用水压试验机和阀门控制两次压力循环过程。在丁字缝裂纹两侧

收稿日期：2019-07-03

（1977—）本科，工程师，作者简介：李志宏男，现从事特种设备检验工作。

35mm位置处分别安装好传感器，真空脂做为藕合

幅度剂。采样频率5MHz，每个波形记录1024个点，

门槛值设置为40dB，采用线定位方法。同时采集声发射信号参数和波形。2试验结果与讨论

试验结果表明，两通道特征参数变化规律类似，从声发射仪通道1记录的小型压力容器应力腐蚀在线检测时两次压力循环过程中声发射撞击、幅度时

撞击数最多达间历程数据可知，在一次升压过程中，

125次/0.4s，最大幅度为84dB。在一次保压过程中，撞击数最大值为12次/25.6s，幅度最大值为76dB。

并间断性发生。撞在二次升压过程撞击数明显减少，

击数最大值为62次/0.2s，幅度最大值为63dB。在

约600s二次保压过程，初始阶段没有撞击信号产生，

后撞击连续出现。撞击数最大为16次/6.4s，幅度最大值为68dB。下页图1为两通道不同压力循环过程中的线定位图。定位点都定位在了两传感器的中间

一次保处，即预制裂纹点。声发射事件数各阶段不同，

为106个，压阶段事件数最多，二次升压最少为5个。

对整个声发射检测过程产生的声发射信号源进

主要是升行分析。一次升压过程中产生的撞击信号，

压过程中裂纹扩展和水对器壁冲击产生。一次保压过程撞击信号则主要是裂纹在应力和介质共同作用下的延迟扩展。二次升压撞击信号声发射源同一次

反映了材料声升压相同，但撞击信号数量明显减少，

发射的凯塞尔特性。即在达到材料上次最大载荷前，

二次保压阶段，初材料不会产生明显的声发射现象。

即裂始阶段600s时间内几乎没有声发射撞击信号，

纹没有发生扩展。后续过程中，由于FeCl3溶液沉淀被搅动，FeCl3溶液重新与容器发生了反应。导致容

超过5.0MPa器内部气体生成，导致压力缓慢升高，

裂纹继续发生了扩后，在压力和介质的共同作用下，

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第34卷

100200801506040100205000020406080100020406080100时间/s时间/s1-1一次升压1-2一次保压

（0~5.0MPa）过程定位图

（5.0MPa）过程定位图

100100808060604040202000204060801000时间/s020406080100时间/s1-3二次升压1-4二次保压

（4.0~4.8MPa）过程定位图（4.8MPa）过程定位图

图1小型压力容器应力腐蚀声发射定位图

展，从而产生了声发射信号。在时间上声发射撞击信号集团呈现间断性。定位图声发射事件准确定位明显的反映了声发射检测声发射撞击信号为裂纹扩展

产生。不同阶段事件数不同，

反映了各阶段撞击量的不同。

图2-1—2-4为应力腐蚀检测过程中两通道采

集的典型声发射撞击信号波形及其频谱。

由图可知，声发射信号为典型的突发型信号。信号频率主要分布在0~5×105Hz之间，其中通道1信号频率主要分布在30×103~320×103Hz，峰值为1.428×105Hz和1.70×105Hz；通道2信号频率主要分布在30×103~330×103Hz，频率峰值为72×104Hz和95×104Hz，在193×104Hz和277×104Hz处也存在着小峰值。鉴于傅里叶变换只能对信号频域分析及对非稳定信号的处理不够理想，应用小波分析技术处理信号。应用Vallen公司wavelet小波分析软件处理

信号，母小波是Gabor小波。

图2-5和图2-6为应力腐蚀典型声发射信号小波变换二维图。小波变换系数绝对值反映了小波与分析信号波形的相似程度，代表了信号能量分布状况，系数峰值处频率则代表了信号的中心频率。小波变换结果清楚的反映了信号频率和能量在时域上分布情况。由图2-5知1通

道信号频率主要分布在50~390kHz，

中心频率分布在100~166kHz，小波变换系数绝对值最大值为6×10-5；由图2-6知通道2信号频率主要分布在

40~330kHz，中心频率约70~120kHz，

小波变换系数绝对值最大值为2.1×10-6。小波变换频域分析结果与频谱分析基本吻合。

应用Vallen公司wavelet软件中Dispersion程序计算出8mm碳钢中理论兰姆波传播相速度和群速度与频率关系曲线。由于在板中传播的主要是低阶A0和S0波，已知传感器与裂纹的距离为35mm，根据位移-速度关系可将群速度-频率曲线转化为频

2001001000-100-10-200-20050100150050100150时间/s时间/s2-1通道1中应力腐2-2通道2中应力腐蚀典型声发射波形图蚀典型声发射波形图

17160.002415140.0022130.002012110.0018100.0016980.001470.0012650.001040.0008320.000610.000400.000201002003004005006007008009001000110012000.0000频率/kHz0100200300400500600700800900100011001200频率/kHz2-3通道1信号频谱图

2-4通道2信号频谱图

10001000900（Max:100.0%=0.00027）900Max:100.0%（=0.00003）8002E-48003E-52E-57001E-47001E-5600600500（Min:0.0%=0）500（Min:0.0%=0）400400300300200200100100020406080100120140160180200020406080100120140160180200时间/s时间/s2-5通道1信号小波变换2-6通道2信号小波变换与频率-时间曲线叠加图与频率-时间曲线叠加图

图2小型压力容器应力腐蚀声发射波形分析图

率-时间曲线，并将结果与小波变换图叠加，

可进一步得到反映信号频率-时间-能量-波形模态布图。对通道1信号S0曲线与信号的能量分布交汇在约300kHz和110kHz，A0曲线与信号能量交汇在约130kHz处；通道2信号S0曲线与A0曲线能量分布主要交汇在约40~140kHz频率范围内。信号能量与理论模态波曲线相交，表明该部分能量是该模

态波产生的。叠加结果显示，

两通道声发射信号都包含A0波和S0波。通道1信号包含高频部分S0波和A0波，通道2信号包含低频的A0和S0模式波。波形模态分析结果表明，应力腐蚀检测过程中裂纹扩展产生的声发射信号主要分布在40~400kHz，信号的高频部分和低频部分都包含扩展波和弯曲波两种模态波传播模式。表明在深度方向扩展主要产生了扩展波，也有沿长度方向扩展主要产生是弯曲波。通道1中最大能量处并没有与理论模态曲线很好的重合，可能与谐振式传感器共振频率响应有关，另外声发射源距离传感器较近，可能与板波传播还未完全形成相关。

对该小型罐体焊缝进行射线检测未发现其他部

位有裂纹，表明主要由预制裂纹产生。

预制裂纹处试验后裂纹影像明显变粗、变长，

表明裂纹发生了明显扩展，同时部分裂纹联合，还有新裂纹产生，

呈现了明显应力腐蚀裂纹扩展特征。3结论

通过对含有应力腐蚀裂纹的小（下转第180页）

·180·

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主要有内外圈、滚动故障。

2）SOM网络结构由信号输入层和特征输出层

输出层主要构成，输入层功能主要是收集故障信号，

是得出最终结果。SOM网络方法诊断齿轮结构故障有6个步骤，每个步骤分工明确，相互配合，形成最有效的判定结果。

3）实验验证了利用SOM网络方法诊断齿轮结构故障概率密度函数与振动信号直方图拟合，说明

可显著改善矿井SOM网络方法诊断故障准确率高，

困扰多时的齿轮结构故障诊断难题。

参考文献

[1][2][3]

李苗.齿轮故障诊断方法研究进展[J].机械强赵丽娟，刘晓东，度，2016，38（5）：951-956.

时培明.基于EMD和分形盒维数的旋转机械耦韩东颖，李庚，合故障诊断方法研究[J].振动与冲击，2013，32（15）：209-214.张天骐，马宝泽，强幸子，等.基于GA-AW-PSO的动态盲源分离轴承故障检测研究[J].系统仿真学报，2018，30（6）：2306-2314.[4][5]

杨兆建.采煤机齿轮箱故障诊断方法[J].工矿都玉辉，庞新宇，自动化，2017，43（12）：94-98.

余发军.基于稀疏分类算法的矿物传送设备故夏辉丽，郭亚男，障诊断方法[J].工矿自动化，2016，42（2）：43-46.

（编辑：王慧芳）

ResearchonFaultDiagnosisofGearStructureofMiningBelt

ConveyorBasedonSOMNetworkMethod

HouWenping

（ShanxiJinchengXingtangCoalIndustryCo.,Ltd.,JinchengShanxi048000）

Abstract:Inordertoeffectivelydiagnosethatfaultofthegearstructureoftheminebeltconveyor,themulti-faultdiagnosisofthegearstructureoftheminebeltconveyoriscarriedoutonthebasisoftheSOMnetworkmethod,andtheextractionandanalysisofthesignalcharacteristicarecompleted,andthefaulttypeandthepositionofthegearstructurearedetermined.TheexperimentverifiesthatthefaultdiagnosisaccuracyofthegearstructurebasedontheSOMnetworkmethodishigh,theconditionofthefaultmaintenanceofthegearstructureofthebeltconveyorisobviouslyimproved,andanewtechnologyisprovidedforthefaultdiagnosisoftheminemechanicalequipment.Keywords:beltconveyor;gear;bearing;faultdiagnosis

（上接第174页）

型压力容器进行声发射检测技术检测，可得如下结论：

一次压力循环1）应力腐蚀声发射技术检测时，

撞击率高，幅度较高，过程声发射信号撞击量大，声

发射信号活跃。二次压力循环过程声发射信号较少，幅度低。

2）应力腐蚀裂纹扩展的定位可通过时差线实现准确定位。

3）Q345R材质的容器的应力腐蚀裂纹扩展声发

射信号频率段丰富，主要分布在40~400kHz范围

内，中心频率在70~160kHz。

参考文献

[1][2][3]

张忠政,沈正军,梁斌.碳钢在FeCl3环境中的点蚀声发射信号聚类分析[J].中国特种设备安全，2014，30（10）：33-37.

蔡文生.基于小波变换和模态声发射的304不锈钢点蚀声发射信号特性[J].石油化工设备，2013，42（6）：21-24.

张忠政，巩建鸣，梁华.304不锈钢点蚀声发射监测研究[J].声学学报，2012，37（5）：516-520.

（编辑：何方欣）

ApplicationofAcousticEmissionDetectionTechnologyinStress

CorrosionDetectionofPressureVessel

LiZhihong

（SpecialEquipmentSupervisionandInspectionInstitute,ChangzhiShanxi046000）

Abstract:TheappliedcorrosionproblemofsmallpressurevesselscontainingFeCl3solutionwasstudiedbyacousticemissiondetectiontechnology.ThetestresultsshowthattheQueissereffectofQ345Rmaterialusedinthesmallpressurevesselisobvious,andtheimpactnumber,amplitudeandenergyoftheacousticemissionsignaloftheprimarypressurecyclearehigh.Itisshownthattheacousticemissiondetectiontechnologycanjudgetherunningconditionoftheequipmentaccordingtotheintensityandchangeoftheacousticemissionsignal,andrealizetheeffectivemonitoringofthestresscorrosionprocessofthepressurevessel.

Keywords:acousticemissiondetectiontechnology;stresscorrosion;smallpressurevessels