基于声发射的船用压力容器泄漏检测试验设计研究
时间：2022-12-04 22:05:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
赵冬冬，吴猛猛,2，明 岳，张文彬
(1.海军潜艇学院，山东 青岛 266199；
2.中国科学院声学研究所，北京 100089；
3.92196部队，山东 青岛 266005)
压力容器是一种工业领域常用的设备，在石油化工、船舶工业、发电等领域有重要的应用[1]。其在舰船上同样具有广泛的应用：用于保障舰船生命力的高压气系统中，利用高压气瓶储存压缩空气，以便舰船浮起时吹除水柜中的水；
用于为舰船提供能源的液压系统中，利用高压气瓶向蓄能器供压，以便向液压用户稳定地提供液压油；
用于消防的化学灭火系统，利用压力容器储存具有一定压力的灭火剂，以便失火时快速进行化学灭火；
用于鱼水雷发射系统中，利用压力容器储存的高压气体将鱼水雷推出发射管等。压力容器的正常工作是保障舰船生命力、战斗力和保障机械设备的正常运行的重要基础。由于舰船上的压力容器具有较高的承压能力，因此，一旦发生压力容器泄漏，将对舰船生命力、船员人身安全及机械设备正常运行带来很大威胁。例如，当储存灭火剂的气瓶发生微量泄漏时，不易被察觉，但有毒气体释放至密闭的舱内达到一定浓度后，会对船员身体产生不可逆转的损害，甚至会产生窒息危险。船用压力容器的泄漏检测及在线监测成为重点研究内容。
当前船用压力气瓶状态的实际检测分为2种情况：①在日常使用阶段，仍然采用传统的人工检测方法，即在夜晚安静工况下，在压力容器上涂抹肥皂水，根据观察气泡及听辨声音来进行管路检测；
②在进厂维修及改换装阶段，利用超声探伤仪、超声测厚仪和磁粉探伤技术分别对压力容器的焊缝内部、容器厚度、焊缝表面及近表面进行检测。人工检测费时费力，且只能对部分船内容器进行检查；
拆检则需花费大量的人力物力，经济性差且2种方法均无法实现对船用压力容器的在线监测，而声发射技术将很好的解决这一问题。
材料中局域源能量快速释放而产生瞬态弹性波的现象称为声发射(AE)[2]。在固体材料中，声发射信号的产生往往来源于材料内应力的变化。在材料的加工、处理和使用过程中，很多因素都会导致内应力的变化，如材料的热胀冷缩、裂纹的萌生与扩展、外加负荷的变化等。以裂纹的产生为例，当固体材料中裂纹在萌生阶段，局部的应力集中得到释放，产生应变能和应力波。裂纹在扩展和断裂阶段也会释放应变能并产生应力波。当应力波传播到达材料的表面后，引起表面位移。用于探测这种表面位移的声发射传感器探测到表面位移，通过探测器将这种机械振动转化为电信号，电信号最终被系统放大、处理、记录和显示[3]，最终得出材料内部声发射源的特征参数与波形图，整个流程便是声发射检测技术的基本原理。声发射检测技术基本原理示意图如图1所示。
图1 声发射检测技术基本原理示意图
随着技术的发展，近年来另一类与断裂机制无直接关系的弹性波源(如流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等) 被称为二次声发射源[4]。压力容器泄漏的声发射信号就属于二次声发射源，它是由于压力气体在压力容器的泄漏点泄漏时，压力气体撞击容器壁或容器接口管材料所激发的弹性波，是一种连续型的声发射信号。
基于声发射检测技术的基本原理，本文设计了试验室条件下船用压力容器的声发射检测系统，用于对船用压力容器不同压力、不同泄漏位置和不同泄漏量的声场特性进行检测。
2.1 检测系统整体组成
检测系统组成框图如图2所示。系统包含检测试验台和声发射检测装置2部分。检测台包含高压起源1个，采用终压为3.0 MPa的空气压缩机；
待检测的船用压力容器1个；
减压器、压力表、流量计、消音器等检测仪器仪表1批。声发射检测装置采用某公司生产的声发射检测仪器1套。
图2 检测系统组成框图
2.2 检测方案设置
在船用压力容器的故障收集过程中发现，压力容器的泄漏主要发生在气瓶瓶口处，出现泄漏的主要原因为：①瓶口处紫铜垫圈有裂纹或安装过程中产生了压痕或磨痕，四氟乙烯垫圈出现磨痕、老化；
②瓶口螺纹接口处不密封；
③螺帽松动、气瓶口附近阀件关闭不严；
④瓶身腐蚀、固有缺陷扩展等。
在这些泄漏现象中，瓶口处泄漏为最常见的泄漏方式，此外，也发生过瓶身蚀孔泄漏情况，检测方案设计示意图如图3所示。图3(a)为1号气瓶检测方案，在气瓶未钻孔情况下，进行瓶口螺纹微量泄漏检测，检测完毕后恢复瓶口密封性，随后在1号气瓶瓶身钻D0.5小孔，进行瓶身泄漏检测。图3(b)为2号气瓶检测方案，在图示位置钻D1.0小孔，进行瓶身泄漏检测。
图3中，压缩机及储气罐作为气源，储气罐的设置起到很好的保压作用，便于2个待测气瓶同压力下不同测点的声发射信号的采集。气罐上设置有安全阀，防止压缩机供气压力超过储气罐承压，起到保护作用；
在管路上设置有调压阀，起到节流降压的作用，用于调整测试压力；
调压阀前后分别设有压力表，用来观察储气罐压力及减压后的压力；
管路上设有流量计，用于测量气体泄漏量，检测不同泄漏量时声发射信号的强度；
泄压阀用于测试完毕后泄放气瓶压力，避免气瓶长时间处于高压下。
2.3 检测平台搭建
1)气瓶泄漏检测试验台搭建。气瓶泄漏检测试验台实物图如图4所示。试验台中的待检测气瓶为船用压力容器，在船上作为蓄能设备，用来储存高压空气。试验中，先测试了完好气瓶不同位置的声发射信号，检测该气瓶固有声发射特性。待无泄漏声发射信号检测完毕后，将1个待测气瓶瓶口处接管螺纹进行人为破坏，测试图3(a)对应声发射信号，检测完毕后更换瓶口接管，保证瓶口密封性。另分别在2个气瓶上钻D0.5和D1.0小孔，测试图3(b)对应泄漏信号。
图3 检测方案设计示意图
图4 气瓶泄漏检测试验台实物图
2)声发射检测系统搭建。本试验采用的检测装置为某公司声发射检测仪，该检测仪主要由声发射传感器、前置放大器、信号采集卡以及工控机等组成，声发射检测系统实物图如图5所示。声发射检测装置的工作原理是通过声发射传感器将气瓶泄漏时产生的机械波信号转换为电信号，并通过前置放大器将这一电信号放大后传输给检测装置的主处理器，经处理、存储后等待后续的信号分析处理和显示。
图5 声发射检测系统实物图
试验中对完好气瓶进行了无泄漏状态下的声发射数据采集，作为气瓶泄漏特性数据的比对数据。利用空压机将气瓶分别加压至0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa，检测得到无泄漏状态下的平均信号电平(ASL)的时域图及电源频率图。然后根据设计需要在2个气瓶不同位置分别钻孔(D0.5和D1.0)，对不同压力下、不同泄漏位置和不同泄漏量下的声场特性分别进行了检测，得到不同条件下船用压力容器的泄漏声场特性。取1.0 MPa和1.5 MPa压力下、气瓶无泄漏状态与瓶口微量泄漏状态下的声发射特性参数进行对比，不同压力下无泄漏与瓶口微量泄漏时的声发射信号对比图如图6所示。
图6 不同压力下无泄漏与瓶口微量泄漏时的声发射信号对比图
由图6可知，在无泄漏状态下，同一气瓶同一检测位置的声发射信号ASL为固定值，不随压力变化而变化。通过大量试验表明，该值也不随检测位置变化而变化，即在无泄漏状态下，压力容器的ASL是固定值，不随检测位置和检测压力(该检测压力为不足以使气瓶产生新裂纹或使固有裂纹进一步扩展的压力)变化而变化。当压力气瓶出现微量泄漏时，其ASL幅度出现较为明显的变化。
通过对该压力容器进行大量检测试验发现，试验结果符合预期，该检测平台可以满足对压力容器的多种泄漏模式下的声发射信号特征参数的检测。
该检测装置设计比较合理，能够较好地反映出压力容器的泄漏声发射特性，从而验证了利用声发射信号检测船用压力容器泄漏的可行性，同时检测结果表明该装置的检测精度较高、结果准确、适用性较好。下一步将在此基础上开展实船压力容器泄漏在线检测试验，开发手持式压力容器泄漏检测仪器或在线监测系统，这将对舰船压力容器的完好性监测和舰船的安全保障具有十分重要的意义。
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