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压力容器无损检测—非金属压力容器的无损检测技术

2014-04-14 11:14:27

[导读] 综述了非金属压力容器在制造和使用过程中可能出现的缺陷和采用的无损检测方法,包括目视检测、声2超声检测和声发射检测等以及它们的特点。


非金属压力容器因具有耐强酸强碱腐蚀、重量轻、强度高、阻燃和耐冲击等特点,越来越广泛地应用于化工产品的生产、贮存和运输过程。尤其是航空航天和交通运输中广泛采用复合材料制成的非金属压力容器盛装液化燃料气体。多层非金属压力容器最内层为内衬材料,可采用喷涂法、电沉积或纤维缠绕的方法制作;第二层是承载层,可以是石墨树脂等材料构成;第三层是保温绝热层;最外层是复合材料阻燃或抗冲击层。

2004年6月,国家质量监督检验检疫总局颁布的《非金属压力容器安全技术监察规程》[1]所限定的非金属压力容器的范围为最高工作压力≥0.1 MPa(不含液体静压),且压力与容积的乘积≥2.5 MPa·L,其工作介质为气体、液化气体和最高工作温度高于或等于标准沸点的液体的非金属压力容器,包括石墨压力容器、纤维增强热固性树脂压力容器、全塑料压力容器和移动式非金属压力容器等。下面根据非金属压力容器制造和使用的特点,综述不同阶段采用的无损检测技术的特点。

1 制造过程中的无损检测技术

1.1 原材料的无损检测

与非金属压力容器配套的承压金属材料质量按《压力容器安全技术监察规程》和相关标准要求进行检测。

非金属压力容器用材料的质量及规格应符合相应的国家和行业标准的规定。材料制造单位应按相应安全技术规范和标准的规定向用户提供质量证明书,并在材料或材料的包装上明显部位作出清晰、牢固的,至少包括材料制造的标准代号、材料牌号及规格、批号、材料生产单位名称及检验印鉴的标志。材料质量证明书的内容必须齐全、清晰,并加盖材料制造单位的质量检验章。

原材料的检测主要是目视检测和材料产品说明书和证明文件的复查,必要时辅以化学和物理测试,如树脂含量、材料性能、不可溶组分的测定,用于换热器受压元件的石墨材料,有时需复验热导率、电阻率、膨胀系数和渗透性等。射线、超声、磁粉和渗透等金属压力容器无损检测技术通常并不适用。

1.2 制造过程中的无损检测

制造过程中的无损检测主要是目视检测(必要时辅以放大镜)。

受压钢制壳体的检验应满足GB 150《钢制压力容器》或GB 151《管壳式换热器》的相关要求,还应满足图样上的技术条件。

石墨制容器的零部件外观检查应符合图样尺寸要求,其内外表面应光滑,无气泡、砂眼、凹坑和裂纹,不得有突变的尖锐划痕等缺陷。

玻璃钢制压力容器内外表面应当光滑平整,不应有杂质、纤维外露、裂纹、明显划痕、疵点、白化和严重色泽不均现象;在任意300 mm×300 mm面积内,最大直径为

3 mm的气泡应≤2个;总质量不小于设计值的95%;巴氏硬度值不得≤40;外形尺寸、法兰平面与接管轴线的垂直度以及法兰接管的方位偏差及角度偏差不得大于规定值。

 

塑料压力容器焊缝按HG20640《塑料设备》的规定检查。罐体内外表面应无机械划痕及撞击伤痕,内外表面所有焊缝应整齐美观,不应有咬边和未焊透等缺陷。罐体内外表面不得有应力腐蚀裂纹以及老化、氧化、溶胀、软化和腐蚀等现象。

2 在役检验中的无损检测技术

为了确保压力容器运行的安全,需对投入运行的压力容器进行定期检验。我国政府有关规程规定[1],压力容器在用检验分为不停机的年度检查和停机全面检验;年度检查每年至少一次,全面检验应当由经过国家质检总局核准的检验机构进行。石墨制非金属压力容器至少每5年进行一次检验,玻璃钢制压力容器至少每3年进行一次,全塑料制压力容器至少每年进行一次。非金属压力容器由于材料的原因按JB 4730《承压设备无损检测》的规定通常很难实施,全面检验主要以目视检测为主,对于如玻璃钢等复合材料制成的压力容器,国际上研究较多的还有声-超声和声发射检测技术。

2.1 目视检测

非金属压力容器的目视检测主要有如下内容:

(1)石墨制压力容器 ①石墨件表面有无分层、碎片和裂纹等。②石墨粘接缝的胶泥是否完好。

(2)玻璃钢制压力容器 ①容器角接、搭接及筒体与封头的内粘接缝胶料是否饱满,有否脱胶、胶层起皮及粘接缝裸露,粘接基面法兰有否角裂、起皮、分层、破损等质量缺陷。②人孔、检查孔、接管法兰及其内补强结构区有无破损、起皮、分层和翘边等缺陷。③容器本体、内支撑架及内件联结是否牢固,联结受力区有无裂纹和破损等质量缺陷。④容器内表面应光滑平整,无杂质、纤维裸露、裂纹和明显划痕。⑤容器内表面有无变色、龟裂、树脂粉化和纤维失强等化学腐蚀缺陷。⑥容器内表面有否破损、裂纹、银纹等力学腐蚀缺陷。⑦容器内表面有无溶胀、分层和鼓泡等浸渗腐蚀缺陷。

(3)全塑料制压力容器 ①其本体、接口部位、焊接接头及内壁等老化程度、变形和泄漏等。②安全附件检查。③支承或支座的损坏、倾斜、开裂和紧固螺栓的完好情况。④运行的稳定情况。

2.2 声-超声检测技术

声-超声技术可应用于复合材料制成的非金属压力容器的裂纹及接头的结合质量检测,检测原理示于图1。在声-超声检测中,用一个宽带传感器在被检非金属压力容器表面发送一系列可重复的超声脉冲波,将另一传感器置于容器同一侧离发射传感器的给定距离处,以接收由发射超声脉冲所形成的沿容器壁传播的应力波。对单层非金属压力容器所关注的是应力波能量传递效率;对胶粘及多层复合材料压力容器,应力波经受了容器材料边界表面多重反射并与占有显著比率的胶接层相互作用,因而会含有结构中微结构与组织性质的信息。声-超声测量结果会受到传感器布置方式、发送与接收装置的性能与设置等有关因素的影响。在声-超声检测过程中,除传感器的压紧力外,取向、位置、发送-接收传感器距离以及耦合剂类型等都是检测能否成功的关键。

发射和接收传感器可以选择带阻尼的宽带超声传感器和谐振或宽带声发射传感器。谐振式声发射传感器的检测灵敏度高,对于具有高衰减系数的非金属压力容器能够增加传感器的间距,从而提高检测效率。非金属压力容器检测用声发射传感器谐振中心频率可选0.5~5 MHz,频率的选择主要依据容器的材料和几何尺寸,以保证可靠的检测灵敏度和较高的检测效率。传感器的间距主要取决于容器壁声波的衰减、传感器的带宽和灵敏度、容器的壁厚和形状、探头尺寸及检测缺陷要求的空间分辨率等因素。耦合剂的选用与声发射检测类似,通常选用真空脂或凡士林。传感器与被检容器的压紧力对测得的声发射信号量值的影响是明显的,所以要求传感器背部用弹簧加压以保持压紧力的恒定。实际应用中,采用0.02MPa作为压紧力的标准,还可通过试验确定最佳压紧力。

2.3 声发射检测技术

20世纪70年代,美国化学工业用玻璃钢压力容器和储罐发生过许多破坏。这类破坏多与选材、设计、运输及制造方面的失误有关,而对此又没有可行的无损检测方法。

1978年,塑料工业协会成立了增强塑料声发射检测委员会,经合作攻关,于1982—1983年相继制定了压力容器与储罐和管道的声发射检测方法,后来又纳入ASME规范[2]和ASTM标准[3]。

至1986年,累计检测了7 000件压力容器与储罐和10 000件管道。1979年以来,采取100%声发射检测措施后,便消除了破坏事故,获得了重大社会经济效益。

非金属压力容器声发射检测通常采用区域定位方式,一般使用6~30个传感器通道,通道数取决于容器尺寸。一般同时采用高频(约150 kHz)和低频(约30 kHz)两种谐振式传感器。前者布置于高应力区,如接头、管咀和人孔等部位,后者布置于大范围的非关键部位。

非金属压力容器声发射检测,除引入恒载保压周期外,还增加反复加载周期,以便在加载过程中评价费利西蒂比。评价判据随容器的类型有所不同,主要包括恒载声发射、费利西蒂比、振铃计数和大幅度事件计数等。对检测得到的有意义声发射源复验一般仍采用目视检测。

与金属压力容器声发射检测不同的是,非金属压力容器要充分考虑声发射信号的衰减,尤其是不同方向声发射信号的衰减规律和声速的变化。当采用时差定位时要合理设置声速和阈值,并通过不同位置的智能判断和修正才能得相对精确的声发射源定位。

3 结论

无损检测对保证非金属压力容器的质量和安全运行起着极其重要的作用。对于其原材料检测,以目视、物理和化学分析为主;对于其制造过程,以目视检测及量具测量为主;对于其在用过程的定期检验,以目视宏观检测(包括内窥镜检测)为主,还可应用声2超声和声发射检测等检测技术。

[整理编辑:中国测控网]
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