超声导波和声发射技术在安全阀检测中的应用

杨志刚

(河南省锅炉压力容器安全检测研究院，河南 郑州 450016)

作为保障锅炉、压力容器和压力管道等承压类特种设备安全运行的重要保护装置之一，安全阀可在设备内介质压力过高时自动开启并排放介质，当压力恢复正常后再自行关闭，以防设备在异常状况时超压而引发爆炸等事故[1]。安全阀性能正常时，其应能准确开启、适时全开、稳定排放、及时关闭和保持可靠密封。为保证安全阀性能正常，目前我国相关安全技术规范规定安全阀需进行定期校验。安全阀定期校验有离线和在线两种方式[2]，以离线校验为主，校验项目主要包括整定压力和密封性能。已校验合格的安全阀，在使用过程中由于自身缺陷扩展、高温持续作用、内外介质侵蚀、非正常开启等多种因素影响，其整定压力和密封性能可能会发生改变，导致其不能按规定的整定压力值开启或者发生泄漏，失去原有安全保护作用，影响安全生产[3]。

超声导波和声发射作为非常规的无损检测技术，具有检测速度快和检测效率高等优点，近些年在承压类特种设备检测中的应用也日益广泛。文章在超声导波和声发射技术原理的基础上，研究了采用超声导波检测安全阀弹簧中缺陷和采用声发射检测安全阀密封面泄漏的可行性，并通过模拟试件进行了验证，对在用安全阀检测具有重要的参考意义。

安全阀种类繁多，其中以弹簧直接载荷式安全阀最为常见，应用也最为广泛。如图1所示，阀瓣和阀座一起组成安全阀的密封副，弹簧压缩变形后产生的弹力作用于阀瓣，产生向下的压紧力；
安全阀进口侧的介质具有内压，其作用于阀瓣，产生向上的介质作用力。要使安全阀保持密封，密封副必须产生一定的弹塑性变形[4]，为此两个作用力的差值有一个最小值，此值即为安全阀的密封力。

图1 弹簧直接载荷式安全阀密封原理示意图Fig.1 Schematic diagram of sealing principle of spring direct load safety valve

当被保护设备中介质压力处于允许值范围内时，弹簧向下压紧力大于介质向上的作用力和密封力之和，安全阀保持良好的密封状态。随着被保护设备中介质压力逐渐升高，弹簧向下压紧力和介质向上作用力的差值小于密封力，密封副无法维持原有的弹塑性变形，安全阀的密封状态被打破，内部介质开始从密封面泄漏。当介质压力升高到超过安全阀的整定压力值时，介质向上作用力大于弹簧向下压紧力，阀瓣与阀座开始脱离并向上升起，安全阀开始开启。介质压力升高至一定值时，安全阀作完全开启，以额定流量排放介质。随着介质的排放，介质压力逐渐降低，当介质压力小于安全阀的回座压力时，弹簧向下压紧力大于介质向上作用力和密封力之和，安全阀重新关闭并保持密封状态。

2.1 超声导波检测技术原理

超声导波是一种通过超声能量脉冲而产生的机械弹性波，在有限边界介质内平行于它的边界平面快速传播。通过近些年来的不断发展，超声导波检测技术各方面已经日趋成熟，在承压类特种设备检测方面的应用也越来越广泛。

超声导波主要分为磁致伸缩超声导波和压电超声导波。两者的本质区别在于发射与接收超声波的换能器不一样。磁致伸缩超声导波是通过铁磁性材料的磁致伸缩效应来实现超声波的发射与接收，而压电超声导波是通过压电晶片的压电效应来实现超声波的发射与接收[5]。压电超声导波检测，换能器需要与工件接触并充分耦合，工件表面需要打磨干净。磁致伸缩超声导波检测通过对铁磁性材料施加瞬间的激励磁场，以电磁耦合的方式产生机械波，换能器不需要与工件接触，工件表面仅需进行简单的清理，无需打磨处理。

超声导波检测通过激励检测装置的换能器，使其发出超声能量脉冲而产生机械波并以工件边界制导向远处传播形成导波。导波在传播过程中遇到缺陷时，会在缺陷处产生反射回波，反射回波被换能器接收，在压电逆效应或磁致伸缩逆效应的作用下，会引起与换能器相连的接收线圈电压变化并以特定方式在检测软件中显示。通过检测软件分析回波信号的特征可发现和判断工件中缺陷的位置和严重程度[6]。

2.2 安全阀弹簧超声导波检测

2.2.1 安全阀弹簧常见缺陷

弹簧直接载荷式安全阀所用弹簧的类型一般为圆柱螺旋弹簧，其加工工艺程序一般有卷制、热处理、端面磨削、喷丸、强化处理或立定处理、防腐处理等。在弹簧的制造和使用过程中，难免会产生缺陷，常见的缺陷有裂纹、折叠、凹陷、夹层、夹杂、擦痕、锈蚀等。

2.2.2 检测可行性

针对安全阀弹簧的结构特征，结合其可能存在的缺陷特征，可采用磁致伸缩超声导波检测其是否存在缺陷。磁致伸缩超声导波检测装置的探头被激励而产生机械波，机械波在充斥弹簧径向截面并沿弹簧轴向传播形成导波。当弹簧中存在缺陷并且缺陷在与导波传播方向不平行的截面上具有一定面积时，导波在缺陷位置会发生反射，反射波在弹簧中传播并被探头所接收。通过检测软件对反射波进行分析即可得到弹簧中缺陷的位置和缺陷所造成弹簧缺损的严重程度。

2.2.3 检测对象

为验证磁致伸缩超声导波技术检测弹簧的可行性，文章选取用一根线径为32 mm，中径为160 mm，长度为4 500 mm，圈数为9，材质为50CrV的圆柱螺旋弹簧作为检测对象，并在弹簧上加工了凹坑和横向切槽两种典型模拟缺陷。

2.2.4 检测过程

文章使用美国西南研究院的MsSRv5便携式低频超声导波检测系统进行模拟检测试验。检测前，首先在弹簧一端具有完整圆形截面的地方将弹簧表面清理干净，然后根据弹簧的线径用专用剪刀剪裁一段长度略小于弹簧周长的铁钴合金条带，使用磁化器沿铁钴合金条带长度方向将其磁化。在弹簧清理干净的部位表面涂抹一些专用耦合剂，将铁钴合金条带沿弹簧周向固定于弹簧表面并保证二者耦合良好，用专用胶带将铁钴合金条带固定牢靠。将线圈连接在标称频率为128 kHz的适配器两端后调节适配器固定卡槽之间线圈的长度，使其与铁钴合金条带紧密贴合，最后将适配器和主机用数据传输线连接牢靠。打开数据采集和分析软件，将弹簧的参数信息输入软件，在调试模式下设定导波的激发频率为135 kHz，检测距离范围为5 m，激励模态为自发自收，增益值为50 dB，信号衰减值为0.31 dB/m。确认信号正常并满足检测灵敏度后进入数据采集模式开始实施检测并采集检测数据。

2.2.5 检测结果

在数据分析软件中选择已保存的检测结果数据，使用弹簧端部的反射信号进行距离校正和信号幅度矫正，设定参考点(距线圈较远的弹簧端部)反射率为15%，灵敏度为2%。结合模拟试件的特征以及试件中缺陷的位置修正软件自动标识的特征信号，将无效特征信号标识删除后，结束分析并生成报告。报告包含三部分内容，分别为检测结果的频谱图(图2)、检测结果的波形图(图3)和检测结果的有效特征信号数据(表1)。

图2 检测结果频谱图Fig.2 Spectrurn of test results

图3 检测试验结果波形图Fig.3 Waveform chart of test results

表1 检测结果有效特征信号数据表Tab.1 Valid characteristic signal data table of detection results

3.1 声发射检测技术原理

声发射是指当材料在受力过程中产生形变或破损时，局域源能量以弹性波形式释放出的现象[7]。声发射检测需对被检设备进行加压处理，使其缺陷扩展而产生声信号并为传感器所接收，是一种动态检测方法。通过多年发展，声发射检测技术越来越成熟，近年来开始应用于泄漏检测[8-9]。当设备发生泄漏时，流体介质在一定压力作用下从泄漏点的裂隙或孔洞向外喷射，激发出连续的机械波并向外传播。来自泄漏部位的声发射信号被传感器接收，经压电效应转换为电信号，电信号经放大后被声发射检测系统采集。通过检测软件对采集到的声发射信号进行分析处理，就可以对泄漏位置及泄漏量的大小等信息进行判断。

3.2 安全阀密封面泄漏声发射检测

3.2.1 安全阀密封面泄漏成因

造成安全阀密封面泄漏的原因主要有颗粒状赃物夹在密封面上导致密封不严、阀座和阀瓣密封面受腐蚀性介质侵蚀或受高速排放气流的冲刷而造成损伤、安全阀同轴度遭受破坏或变形、持续高温作用造成阀座和阀瓣密封面膨胀不均匀和弹簧刚度变小、被保护设备工作压力波动范围接近或超过安全阀的密封压力等。

3.2.2 检测可行性

安全阀密封面泄漏时，介质高速穿过微小空隙，突然膨胀形成紊流激发应力波并沿阀体传播形成声发射信号。泄漏信号的强弱与安全阀的流道直径、介质压力等因素密切相关。安全阀泄漏时，激发的应力波会在安全阀阀体中传播并被声发射检测系统的探头所接收。通过检测软件对探头接收到的声信号进行分析即可判断安全阀密封面泄漏的严重程度。

3.2.3 检测对象

为验证声发射技术检测安全阀密封面泄漏的可行性，选取一台锅炉用弹簧直接载荷式安全阀作为检测对象，安全阀的型号为A41H-16 DN65，流道直径为50 mm，整定压力为0.3 MPa，排放压力为0.36 MPa，回座压力为0.24 MPa。

3.2.4 检测过程

文章使用的声发射检测仪器为俄罗斯INTERUNIS-IT公司生产的A-Line DDM-2数字串联声发射系统，使用的传感器型号为SR-190，其中心频率为190 kHz，试验介质为压缩空气。检测所用的模拟声发射信号源为硬度为2 H，直径为0.3 mm的铅芯折断所产生的声发射信号。试验在安全阀校验台上进行，用校验台的夹紧装置将安全阀的进口端固定在试验台上并保持密封，将传感器置于安全阀的阀体中腔部位并利用磁夹具进行固定。试验过程中同时采集测量数据和波形数据。为研究分析不同泄漏程度下对应的声发射情况，整个试验过程分为四个阶段，0 s～60 s期间为试验准备阶段，在此期间，使用模拟声发射源对传感器的灵敏度进行了测试；
61 s～120 s期间为安全阀微量泄漏(泄漏率<20气泡/min)阶段；
121 s～200 s为间歇大量泄漏(泄漏率>50气泡/min)阶段，201 s～285 s为持续大量泄漏阶段。

3.2.5 检测结果

整个试验过程的AE事件—时间关联图和平均能量—时间关联图分别见图4和图5。

图4 AE事件—时间关联图Fig.4 Correlation diagram of AE Event-Time

图5 平均能量—时间关联图Fig.5 Correlation diagram of Average Energy-Time

从图4、图5可以看出，当安全阀微量泄漏时，声发射检测系统未检测到声发射信号；
当安全阀间歇大量泄漏时，检测到明显的声发射信号，其事件数和平均能量随时间呈杂散分布状态；
当安全阀持续大量泄漏时，同样可检测到明显的声发射信号，其事件数和平均能量随时间呈稳健且连续分布状态。

综合分析，安全阀发生微量泄漏时，泄漏出的介质与安全阀密封面的摩擦非常轻微，释放出的能量较小，几乎无声发射信号；
安全阀间歇大量泄漏时，介质从安全阀密封面间微小缝隙间歇高速流出并释放大量能量，激发出应力波，可明显检测到声发射信号，但声发射信号是不连续的；
安全阀持续大量泄漏时，介质从安全阀密封面间缝隙持续大量高速流出，介质流出的同时释放大量能量，形成连续的应力波，可检测到连续且能量几乎一致的声发射信号。

1)采用超声导波可对安全阀弹簧中存在的缺陷进行检测和评价具有可行性。

2)采用声发射检测技术对安全阀的泄漏情况进行检测具有可行性，但在安全阀微量泄漏时，声发射检测技术的检测灵敏度不高。

3)超声导波和声发射检测技术可作为在用安全阀安全状况检测和评价的主要技术手段和发展方向。