项目获2010年国科进步二等奖，成果与应用概述

摘要：“金属压力容器、常压储罐声发射检测与安全评估技术及应用”项目荣获2010年度国家科技进步二等奖。其主要内容包括三个国家科技计划课题的核心研究成果。本文根据该项目《国家科学技术奖励推荐信》的内容，概述了项目背景、主要成果及其应用。主要成果包括提出了金属压力容器及常压金属储罐声发射检测及结果评价方法，基于参数波形分析、特征提取和分析的金属压力容器在线声发射检测源属性识别方法。建立金属压力容器、大型常压储罐声发射检测与安全评价方法标准体系。

1 项目背景

据2008年统计，我国拥有固定压力容器192万只，气瓶1.32亿只，大型常压储罐20万多个。它们广泛应用于石油、石化、化工、医药、食品、航空、港口等行业和一亿多户家庭，是工业生产和人民日常生活的重要基础设施和装备，涉及工业生产的各个领域。国民经济和人民生活。由于这些设备大多含有高温、高压、易燃、易爆或剧毒介质，一旦发生泄漏，往往会并发爆炸、火灾或中毒等灾难性事故，给人民生命财产造成重大损失。 ，造成严重的环境污染。社会影响不好。压力容器和大型常压储罐的安全关系人民群众生命财产安全，也关系国民经济运行安全和社会稳定，是我国公共安全的重要组成部分。为了保证其安全运行，我国在20世纪90年代初对大型常压储罐和压力容器采取了3至6年内必须定期停产开罐进行全面内外部检查的办法，并采取了焊缝无损检测20%。抽查采用的无损检测方法为射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤等常规无损探伤方法。这些检验和测试方法存在许多缺点和不足，具体如下：

1）停产检查周期长，工作量大，检查维护成本高；采用强制停产检查方式，检测结果显示，不少集装箱不存在危及安全的缺陷或隐患，给用户带来不必要的停产损失；

2）压力容器定期检查。一方面，焊缝抽检存在盲目性，容易漏检严重缺陷，导致泄漏等安全事故频发。另一方面，“文革”期间的一些检查中，制造的压力容器存在大量超标的焊接缺陷。经过全面的开罐检查后，很多情况下这些焊接缺陷很难处理。报废或完全修复该船是不可能的。只能进行缺陷安全评估。因此，迫切需要缺陷的快速活性识别和安全性评估技术；

3）对于大型常压储罐的检查，主要采用停产、排空、洗罐、切板检查、修理、重新调试的传统方法，费时、工作量大、劳动强度大，经济成本高。以1万立方米储罐为例，每次检查周期长达两个月以上，直接停产造成较大损失，储罐清洗维护费用超过50万元。

针对压力容器和常压储罐存在的上述问题，迫切需要一种能够快速检测活动缺陷并在不停产的情况下进行在线检测的技术。国际上，声发射（AE）检测技术始于20世纪50年代，1970年代逐渐成熟，适用于检测材料在加载条件下内部裂纹的萌生和扩展。腐蚀损伤状态，适用于大型结构件的快速动态检测和监测以及结构完整性评价。但20世纪90年代初，国外只有压力容器声发射检测的检测方法标准，没有检测结果的分级和评价方法及标准，在国内尚属空白；对于大型常压储罐底部腐蚀的声发射检测，国内外检测标准均属空白。 20世纪90年代以来，中国特检院组织全国十余所大专院校、科研院所、压力容器检验机构和企业承担了国家“八五”、“十五”科学与技术攻关任务。分别是科技项目和国家社会福利项目。项目系统地开展了压力容器和大型常压储罐声发射检测技术的研究、标准制定、人员培训和推广应用。

2 主要结果

1）研究建立金属压力容器和大型常压储罐声发射检测与安全评价方法及标准体系，制定国家或行业技术标准6项，填补国内空白，其中常压储罐填补国际空白。 。

（1）“八五”国家科技攻关项目“在用压力容器危险缺陷声发射监测、检测与评估的研究与装备研制”（认证证书号：老监字1995第27号） 25号）：提出了一种以时差定位源为主要判据的压力容器表面裂纹和深埋裂纹声发射信号识别方法；在国际上首次提出了根据强度、活动分类和综合状况等级对声发射源进行分级的方法。还给出了特征参数的范围；编制了《金属压力容器声发射检测及结果评定方法》标准草案。其成果于1995年12月经劳动部组织的专家组鉴定，总体达到国际先进水平。

（2）“十一五”国家科技攻关项目“压力容器在线检测关键技术研究”（成果登记号：G2006-307）：常用钢材的声发射测试及检测应用结合我国压力容器用材料和实际大型典型压力容器，得出裂纹扩展、焊接缺陷开裂、残余应力释放、支撑摩擦、氢胀破裂、氧化皮剥落、泄漏、电噪声等典型声发射信号数据；通过对这些信号的特征参数和波形分析、特征提取和模式识别，提出了一种通过在线检测压力容器声发射来识别声发射源性质的新方法。该成果于2006年7月经国家质量监督检验检疫总局组织的专家组鉴定。压力容器声发射源性能在线检测的模式识别技术达到国际领先水平。

（3）国家社会公益项目《大型储油罐安全检测技术与评价方法研究》（成果登记号：G2007-457）：通过对大型水池和实际大型储油罐进行声发射试验和检测应用，研究液体介质和储罐底板的声发射信号传播、衰减和定位特性，获得底板腐蚀、渗漏泄漏、内外机械噪声、电子噪声等典型声发射信号数据；通过对这些信号的特征参数和波形分析、特征提取和模式识别，提出了大型常压金属储罐的声发射检测和分类。评价方法，制定了标准《无损检测常压金属储罐声发射检测与评价方法》并形成送审稿。该成果于2007年1月经国家质检总局组织的专家组鉴定，研究成果总体达到国际先进水平。

（4）在上述科研成果的基础上，制定了以下6项声发射检测与评价方法国家或行业标准，在检测结果分级与评价方面填补了我国空白，处于国际领先水平。其中，常压金属储罐声发射检测评价方法标准填补了国际空白：

① GB/T 18182—2000 金属压力容器声发射检测及结果评定方法

② JB/T 10764-2007 常压金属储罐无损检测声发射检测与评价方法

③ JB/T 4730.9—XXXX 承压设备无损检测 第9部分：声发射检测（送审稿）

④ GB/T 12604.4—2005 无损检测术语 声发射检测

⑤ GB/T 19800-2005 无损检测用声发射检测传感器一级校准

⑥ GB/T 19801-2005 无损检测和声发射检测用声发射传感器二次校准

2）研究建立金属压力容器声发射检测及结果评价方法。在国际上首次提出了根据强度、活动分类和综合状态等级对声发射源进行分类的方法。压力容器声发射检测结果按照活动度和强度等级进行分类。分为A、B、C、D、E、F六个等级。首次提出缺陷声发射源严重级别的概念，以及缺陷声发射源严重级别的具体评估方法被给出。

在该标准制定之前，国外只有美国机械工程师学会（ASME）制定了金属压力容器声发射检测标准，但没有规定检测结果的分级方法和评价方法。 GB/T18182-2000在国内外创造性地提出。金属压力容器声发射试验结果分级及评价方法，具体内容如下：

(1)压力容器声发射源活动性分类方法：如果源区内的事件数随着压力升高或压力维持而迅速增加，则认为该位置的源是高度活动的；如果源区域中的事件数量随着压力增加或保压压力连续增加而增加，则认为该位置的源是活跃的；如果源区的事件数量随压力升高或保压间歇性出现，则根据压力升高和保压的不同阶段确定源的活动水平。分为非活性、弱活性、活性或强活性，表1是对加压循环源的活性水平进行分类的方法。

(2)压力容器声发射源强度分级方法：源的强度Q可以用能量、振幅或计数参数来表示。源强度是通过源区域中前 5 个最大能量、幅度或计数参数的平均值来计算的。光源的强度划分参照表2进行，其中a和b的值应通过测试确定。对于压力容器常用材料16MnR，a为40dB，b为60dB。

(3)压力容器声发射源综合分级方法：声发射源综合分级按表3进行。

（4）声发射源缺陷严重程度评估：综合分类为B级及以上的声发射源零件需重新进行超声波、射线、磁粉或渗透无损检测等检验。如果发现焊接缺陷，应对这些声发射源进行检查，评估严重程度。缺陷声发射源的评估是根据声发射源的综合等级和缺陷的严重程度来确定缺陷声发射源的严重程度。根据缺陷的大小和性质，缺陷严重程度分为I、II、III、IV、V和VI级。声发射源缺陷的严重程度按表4确定。评价为不严重的声发射源的缺陷可以保留，评价为严重和非常严重的声发射源的缺陷必须消除后才能投入压力容器。使用。

3）针对常压金属储罐底板腐蚀声发射检测目前国内外尚无成熟的方法和标准的现状，我们研究建立了常压金属储罐声发射检测评价方法。全球首次提出储罐底板时差定位分析。给出了声发射源的分类方法和基于区域定位分析的声发射源分类方法，并给出了储罐底板腐蚀状态的评价方法。在国际上首次针对大型常压储罐底板腐蚀声发射检测与评价制定了JB/T10764-2007《常压金属储罐无损检测声发射检测与评价方法》 。

该成果是基于对大型常压储罐大量现场声发射检测数据分析和罐体开孔验证结果的基础上完成的。在国际上首次提出了基于时间差定位分析的储罐底板腐蚀声发射源分类方法和基于区域定位分析的声发射源。分类方法分别如表5和表6所示。

表5中的C值需要采用相同的仪器和工作参数，对相同规格和运行条件的储罐进行一定次数的检测实验和开罐验证实验得到。目前发现，已进行声发射检测应用的储罐C值一般在3~6之间。

表6中的K值需要采用相同的仪器和工作参数，对相同规格和运行条件的储罐进行一定次数的检测实验和开罐验证实验得到。目前发现，已进行声发射检测应用的储罐K值一般在300～500之间。

4）针对国内外压力容器声发射检测无法揭示源性质，必须采用其他常规无损检测方法进行复检的问题，金属压力声发射检测方法基于参数和波形分析、特征提取和模式识别的血管已经建立。一种在线检测源性质识别的新方法，实现裂纹扩展、焊接缺陷开裂、残余应力释放、机械摩擦、氧化皮剥落、泄漏、电子噪声等各种典型声发射源性质的模式识别。实现了压力容器的在线声学分析。发射检测和安全评价达到国际领先水平。

由于声发射检测结果只能提供声发射源的位置，而不能提供声发射源的性质，且压力容器上产生的声发射信号干扰源较多，因此，是否存在超标声发射源位置的缺陷，需要采用超声波、辐射、磁粉、渗透剂等常规无损检测方法进行复检。对于在线运行的压力容器，大多数情况下无法采用常规无损检测方法进行复检，从而极大地限制了声发射技术的在线应用。在压力容器检验中的应用。

利用该结果系统分析了我国压力容器常用钢材：16MnR、15CrMo、2-1/4Cr1Mo。通过对实际大型典型压力容器进行声发射试验，获得了压力容器用钢材常用声发射源的产生机理，获得了裂纹扩展、残余应力释放、支撑摩擦、氢胀破裂、氧化物等信息。氧化皮剥落、泄漏、电子噪声等各种典型的声发射信号波形，通过对这些波形信号进行波形分析和特征提取，克服了压力容器声发射信号中主动缺陷产生的声发射信号识别的技术难点，并提出了一种新的模式识别方法压力容器声发射在线检测中，利用声发射源的特性，实现声发射信号的检测。压力容器进行在线声发射测试和安全评价。具体内容如下：

(1)通过分析研究声发射信号参数的相关图，提出能量与持续时间的关系：

测量了压力容器各种声发射源的n、a、b、c值，从而提出了压力容器检验过程中介质泄漏和电子干扰引起的声发射噪声信号的识别方法。

(2)提出了一种结合特征向量映射和Fisher对偶映射的模式识别分析方法，对现场压力容器各种声发射源的信号特征参数进行模式识别分析。该方法可以成功识别裂纹扩展、焊接缺陷、裂纹、残余应力释放和机械摩擦产生的声发射信号。该方法还可以为焊接缺陷、绝缘支撑、裙角焊缝和支柱角焊缝产生复合声发射信号源的机理提供新的解释。这使得利用声发射技术无损评估压力容器的安全状态成为可能。

(3)在统计模式识别分析的基础上，利用人工神经网络技术对现场压力容器声发射源的信号特征参数进行模式识别分析，并利用声发射进行训练利用真实压力容器产生的信号源和大样本数据，得到的人工神经网络可以成功地现场识别金属压力容器声发射源的性质，成功率达到80%以上。该结果突破了以往声发射信号参数不能用于识别有效声发射源属性模式的结果。

(4)提出了利用人工神经网络定量分析金属压力容器声发射源机理的概念，从而找到了定量分析声发射源严重程度的新方法。设计和训练的BP网络可以给出声发射源中裂纹扩展、氧化夹杂断裂、残余应力释放和机械摩擦信号的比例。

3 应用

1）本项目制定的5项标准已正式发布实施，并将在全国推广应用。

2）通过该项目的实施，为全国60余家检测机构培训高级（三级）声发射检测人员23名、中级（二级）声发射检测人员512名。他们每年都会对压力容器和大型常压储罐进行声发射测试。通过测试3至5千台，该公司消除了大量安全隐患，减少了因停产造成的巨大损失。该技术的应用为企业解决了金属压力容器、大型常压储罐在线检测和安全评价的技术难题。不仅可以及时发现和消除安全隐患，为安全生产提供技术保障，而且可以延长设备的运行周期。给企业带来可观的经济效益和社会效益。仅算大庆炼化、燕山石化、镇海炼化、华北制药、江西铜业等15家企业开展的500余台压力容器和大型常压储罐声发射检测应用，就减少了近10个产量停业损失1亿元，申请证明基本情况见表7。

该成果荣获2010年度国家科学技术进步奖二等奖。

获奖单位：中国特种设备检验检测院、清华大学大庆石油院、中国科学院金属研究所、江西省锅炉压力容器检验检测院、河北省锅炉压力容器监督检验院

获奖者：申功田、李邦贤、戴光、刘世峰、林树清、李光海、黄毅、胡志、张健、段庆儒、王勇、严和、刘德宇、景伟科、周玉峰

作者简介：沉功田(1963~)，男，博士，研究员，从事特种设备无损检测新技术研究。