勞安所研究報告勞安所研究報告

壓力容器不開放胴體線上檢測技術研究

IOSH102-S322

勞動部勞動及職業安全衛生研究所

102年度研究計畫 IOSH102-S322

壓力容器不開放胴體 線上檢測技術研究

GPN:1010300754定價：新台幣150元

On-line Monitoring and Diagnosis of Pressure Vessels

IOSH102-S322

壓力容器不開放胴體線上檢測技術研究

On-line Monitoring and Diagnosis of

Pressure Vessels

勞動部勞動及職業安全衛生研究所

IOSH102-S322

壓力容器不開放胴體線上檢測技術研究

On-line Monitoring and Diagnosis of

Pressure Vessels

研究主持人：高崇洋、劉天一

計畫主辦單位：行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所

研究日期：中華民國 102年 06月 5日 至 102年 12月 13日

勞動部勞動及職業安全衛生研究所

中華民國 102 年 3 月

i

摘 要

現階段壓力容器安全檢查，多以停機檢查為主。停機檢查常需停機數月，耗費大

量人力與費用，更有進者，無法立即掌握安全動態以即時採行風險控制對策。本計畫

的目標是針對在運行中的壓力容器開發一種新的智慧型在線上即時腐蝕缺陷檢測和

故障診斷的系統，亦即壓力容器不停機檢查系統。

首先，蒐集、分析壓力容器職業災害案例。然後，蒐集、分析壓力容器內部腐蝕

缺陷形成可能原因。第三，非破壞及線上檢測壓力容器內部完整性。在進行試驗時利

用音洩量測對壓力容器進行線上即時數據擷取，此技術具有快速檢測、早期破壞預

測、複雜形狀檢測、不能接近之惡劣環境下檢測等優點。對實驗數據先進行特徵提取，

然後，使用尤克里汀距離量測法以及連續前進尋根法進行特徵選擇，如此，可以極有

效地選擇最佳的一個或一組特徵。從音洩量測數據所選擇的特徵是類神經模糊系統的

輸入，壓力容器是否有腐蝕缺陷是此系統的輸出，兩者之間並無理論分析的關係，但

是，類神經模糊系統仍然可以建構輸入和輸出之間的關係。

此方法可最迅速、最可靠地判斷壓力容器是否真有腐蝕缺陷。而使用相位陣列式

超音波進行檢查可以最精確地將音洩技術在線上的檢測定性定量。此一系統具有極高

的可靠度和安全性，可以減少/消除停機檢查，增加效率，降低成本。另應擬定壓力

容器不開放即時檢測和故障診斷安全檢查指引。

關鍵詞: 壓力容器、音洩、相位陣列超音波

ii

Abstract

The current safety inspection of pressure vessels is the shut down inspection (SDI).

This method is time consuming, labor intensive, and extremely expensive. Furthermore, it

cannot indicate dynamic safety status for real time risk control. The objective of this project

is to develop a novel intelligent on-line real time corrosion defect inspection and diagnostic

system, which is on stream inspection (OSI).

First, cases of occupational accidents of pressure vessels will be collected and

analyzed. Secondly, internal corrosion defects of pressure vessels will be collected and

analyzed to find possible reasons. Thirdly, nondestructive and on stream inspection will be

conducted in order to assess internal integrity of pressure vessels. During the tests of two

pressure vessels, acoustic emission (AE) technique will be used for on-line real time data

acquisition. This technique has the merits of quick inspection, early alarm, and inspection

in the inaccessible and harsh environments. Feature extraction is used to extract essential

features from the experimental data. Then, Euclidean Distance Measure and Sequential

Forward Search Algorithm (SFS）will be utilized for feature selection in order to obtain the

optimal feature(s) effectively. The selected feature(s) will be the input to the neuro-fuzzy

system. Whether there is corrosion defect or not will be the output of this system.

Although there is no analytical relationship between the input and the output of the

neuro-fuzzy system, this system still can establish the input/output relationship. In other

words, this approach can most quickly and most reliably determine whether is a corrosion

defect or not for pressure vessels. With phase array ultrasonic system for inspection, the

most reliable and accurate verification of the OSI can be conducted.

Finally, the security check guidance of real time on stream inspection and fault

diagnosis of pressure vessels will be finalized. The developed intelligent on-line real time

system has very high reliability and safety. This OSI system can reduce/eliminate SDI,

increase efficiency, and reduce cost.

Keywords: Pressure Vessels, Acoustic emission, Phased array ultrasonics

iii

目 錄

摘 要 .................................................................................................................................... I

Abstract ............................................................................................................................... II

目 錄 ................................................................................................................................. III

圖目錄 .................................................................................................................................. V

表目錄 ............................................................................................................................... VII

第一章 計畫概述 ................................................................................................................. 1

第一節 前言 ......................................................................................................................... 1

第二節 目的 ......................................................................................................................... 2

第二章 壓力容器職業災害案例 ......................................................................................... 4

第一節 壓力容器職業災害案例概述及腐蝕種類介紹 ..................................................... 4

第二節 美國壓力容器職業災害案例 ................................................................................. 7

第三節 台灣壓力容器異常案例 ....................................................................................... 15

第四節 大陸壓力容器職業災害案例 ............................................................................... 19

第三章 分析壓力容器腐蝕缺陷形成可能原因 .............................................................. 21

第一節 壓力容器腐蝕缺陷形成可能原因-美國案例 ...................................................... 21

第二節 壓力容器腐蝕缺陷形成可能原因-台灣案例 ...................................................... 21

第三節 壓力容器腐蝕缺陷形成可能原因-大陸案例 ...................................................... 22

第四章 使用音洩技術非破壞及不開放檢測壓力容器內部完整性 ............................ 24

第一節 音洩技術及其他非破壞檢測簡介 ....................................................................... 24

第二節 音洩檢測技術優劣分析 ....................................................................................... 26

第三節 壓力容器音洩實驗之步驟與儀器...................................................................... 27

第四節 壓力容器音洩技術線上檢測實驗 ....................................................................... 28

第五節 利用類神經模糊系統開發新型壓力容器的在線診斷技術 ............................... 32

第五章 使用陣列式超音波非破壞及不開放檢測壓力容器內部完整性 ...................... 39

第一節 感測器融合 (SENSOR FUSION) .............................................................................. 39

第二節 相位陣列式超音波檢測 ....................................................................................... 39

iv

第三節 相位陣列式超音波之掃描型式 ........................................................................... 41

第四節 相位陣列式超音波之掃描結果 ........................................................................... 43

第六章 結論與建議 ......................................................................................................... 47

第一節 結論: ...................................................................................................................... 47

第二節 建議: ...................................................................................................................... 47

誌謝 ..................................................................................................................................... 49

參考文獻 ............................................................................................................................. 50

附件一 壓力容器規格 ....................................................................................................... 52

附件二 實驗數據 ............................................................................................................. 53

附件三 期中審查意見回覆表 ......................................................................................... 57

v

圖目錄

圖 1 奧什科甚(oshkosh)公司典型的壓力容器 ................................................................. 8

圖 2 Potsko 先生焊接維修的壓力容器 .............................................................................. 9

圖 3 .損壞之準球形封頭 (Torisphenical Head) ............................................................... 10

圖 4 .無蓋之氣缸 ............................................................................................................... 11

圖 5 損壞開始之處 ........................................................................................................... 12

圖 6 壓力容器示意圖 ....................................................................................................... 13

圖 7. 壓力容器破裂的相鄰補焊圓環 1 和圓環 2 ........................................................... 14

圖 8 壓力容器內部受蒸氣腐蝕減薄 ............................................................................... 15

圖 9 本體外部腐蝕 ........................................................................................................... 15

圖 10 貯槽底部胴體板外部腐蝕 ..................................................................................... 16

圖 11 瓦斯槽體底部銹蝕 ................................................................................................. 16

圖 12 端板底部外部腐蝕，實測厚度低於最小厚度 ..................................................... 17

圖 13 管側胴體有一處局部腐蝕 ..................................................................................... 17

圖 14 管板管側出口下半部腐蝕嚴重 ............................................................................. 18

圖 15 端板外部點蝕深度 3mm ........................................................................................ 18

圖 16 典型的閃蒸裝置 [24] ............................................................................................ 20

圖 17 音洩檢測原理方框圖 ............................................................................................. 25

圖 18 典型音洩訊號 ......................................................................................................... 25

圖 19 高速音洩系統(接受器/放大器/音洩探頭/機箱) ................................................... 27

圖 20 實驗裝置 ................................................................................................................. 28

圖 21 第一台壓力容器之孔洞 ......................................................................................... 29

圖 22 第二台壓力容器之孔洞 ......................................................................................... 29

圖 23 第一台無缺陷壓力容器時域訊號 (µs) .................................................................. 30

圖 24 第一台無缺陷壓力容器頻域訊號 (kHz) .............................................................. 30

圖 25 第一台缺陷 5mm 大小之孔洞的壓力容器時域訊號 (µs) .................................. 30

圖 26 第一台缺陷 5mm 大小之孔洞的壓力容器頻域訊號(kHz) .................................. 31

vi

圖 27 第二台無缺陷壓力容器時域訊號(µs) ................................................................... 31

圖 28 第二台無缺陷壓力容器頻域訊號 (kHz) .............................................................. 31

圖 29 第二台缺陷 5mm 大小之孔洞的壓力容器時域訊號 (µs) .................................. 31

圖 30 第二台缺陷 5mm 大小之孔洞的壓力容器頻域訊號 (kHz) ................................ 32

圖 31 通用鐘形會員函數 .................................................................................................. 35

圖 32 ANFIS 推算第一台壓力容器的訊號中有多少百分比指出有孔蝕缺陷 .............. 37

圖 33 ANFIS 推算第二台壓力容器的訊號中有多少百分比指出有孔蝕缺陷 .............. 37

圖 34 3x(2x3x2) ANFIS 之結構圖 .................................................................................... 38

圖 35 陣列式探頭依惠更思原理產生波前示意圖 ......................................................... 40

圖 36 陣列式超音波儀器 ................................................................................................. 42

圖 37 各音洩感測器所接收到的撞擊數 ......................................................................... 43

圖 38 音洩系統的 3D 定位 .............................................................................................. 43

圖 39 扇形掃秒無訊號 ..................................................................................................... 44

圖 40 壓力容器鋼壁之扇形掃描訊號 ............................................................................. 44

圖 41 壓力容器無缺陷處之訊號 ..................................................................................... 45

圖 42 無缺陷量測訊號之示意圖 ..................................................................................... 45

圖 43 壓力容器缺陷處之訊號 ......................................................................................... 46

圖 44 有缺陷量測訊號示意圖 ......................................................................................... 46

vii

表目錄

表 1 各國壓力容器及高壓氣體特定設備內部開放檢查之年限 ..................................... 2

表 2 案例分析統計表 ....................................................................................................... 23

表 3 音洩檢測方法和其他常規非破壞檢測方法的特點對比 ....................................... 26

表 4 特徵名稱 ................................................................................................................... 32

表 5 特徵選擇的結果 ....................................................................................................... 34

表 6 為使用兩種特徵-音洩幅度、音洩能量 ANFIS 之結果 ........................................ 36

表 7 為使用三種特徵-音洩幅度、音洩計數、音洩能量 .............................................. 36

1

第一章 計畫概述

第一節 前言

壓力容器及高壓氣體特定設備等危險性設備所具有的高溫、高壓、高儲存量特

性，及鑑於處置不當而發生的重大災難事件，促使各國政府對於危險性設備訂定嚴格

的安全標準，並透過勞動檢查機構的檢查手段，以確保其安全性能。這是普世的安全

規範，中外皆然 [1, 2]。

然而，隨著科技的進步，檢測技術的提升、材料性質的更加了解及管理系統的日

趨健全，不論日本或美國，甚至新加坡等國家，均已由固定週期開放檢查的方式，逐

步同意事業單位可以根據設備與設備的安全狀況，實施延長設備定期檢查。事實證

明，這種檢查方式對事業單位的安全自主管理、生產能力都起了激勵與提升作用。

因應此趨勢政府遂在危險性機械設備安全檢查規則中，增列針對連續性生產之鍋

爐及第一種壓力容器，可每兩年開放內部檢查一次之規定（危險性機械設備安全檢查

規則第 84 條，108 條），而高壓氣體特定設備則針對不同材料之設備，訂定 3~15

年不等之開放內部檢查週期規定（危險性機械設備安全檢查規則第 132 條）；另針

對第一種壓力容器及高壓氣體特定設備實施內部檢查有困難者，雇主可提出替代檢查

方案，報請檢查機構核可後實施替代檢查（危險性機械設備安全檢查規則第 109 條，

133 條）。然而相較於歐美亞各國，國內內部開放檢查的管制相對保守如表 1 所示，

隨著壓力容器使用年限逐年增加，其損壞頻率相對提高，如何提高運轉之安全性，並

同時兼顧可靠度和產能效益下，壓力容器線上即時腐蝕缺陷檢測和故障診斷的系統是

目前急需解決的課題。

2

表 1 各國壓力容器及高壓氣體特定設備內部開放檢查之年限

國家 年限 備註

台灣 2-3 年 高壓特 3 年，依替代檢查指引，可申請延長開放

日本 3-12 年 2005 年保安檢查放寬期限

新加坡 2-4 年 可依審核指南延長到 4-5 年

中國大陸 3-6 年 依檢查結果的管理狀況來判定 3-6 年級數

美國 10 年 可延長年限

比利時 5-10 年 接受以風險評估可為延長開放申請參考

法國 5-10 年 接受以風險評估可為延長開放申請參考

挪威 5 年 接受以風險評估可為延長開放申請參考

荷蘭 4-6 年 接受以風險評估可為延長開放申請參考

德國 5 年 可接受當地審核機構審核延長

義大利 10 年 接受以風險評估可為延長開放申請參考

本計畫是為了發展可在運行中的壓力容器線上即時缺陷檢測和故障診斷的系

統。進行實驗對壓力容器進行數據擷取。具體來說，本計畫的目標是利用 AE 音洩技

術和類神經模糊系統以及相位陣列超音波針對壓力容器開發一種新的在線監測與診

斷系統。這個系統具有高度的可靠度和安全性，可以減少/消除為了測試需將運行中

的壓力容器停止運轉的問題，這對職業安全領域及成本減少是非常重要的課題。

第二節 目的

現階段壓力容器安全檢查，多以停機檢查為主。停機檢查常需停機數月，耗費

大量人力與費用，更有進者，無法立即掌握安全動態以即時採行風險控制對策。本

計畫的目標是針對在運行中的壓力容器開發一種新的智慧型在線上即時腐蝕缺陷檢

測和故障診斷的系統，亦即壓力容器不停機檢查系統[3-16]。

本計畫的分項目標如下:

一、 蒐集、分析壓力容器職業災害案例。

蒐集、分析職災案例及壓力容器檢測技術使用現況，掌握壓力容器相關檢測

3

技術及安全設施等相關管理缺失等問題。

二、 蒐集、分析壓力容器內部腐蝕缺陷形成可能原因。

蒐集、分析壓力容器內部腐蝕缺陷形成可能原因，評估其可能影響，提出預

防對策。

三、 非破壞及不開放檢測壓力容器內部完整性。

四、 利用音洩非破壞檢測 2 部現有壓力容器，評估其內部完整性。

五、 利用陣列式超音波非破壞檢測 2 部現有壓力容器，評估其內部完整性。

六、 在進行試驗時利用音洩量測對壓力容器進行在線上即時數據擷取，此技術具

有整體快速檢測、早期破壞預測、複雜形狀檢測、不能接近之惡劣環境下的

檢測等優點。對實驗數據先進行特徵提取，然後，使用尤克里汀距離量測法

以及連續前進尋根法進行特徵選擇，如此，可以極有效地選擇最佳的一個或

一組特徵。從音洩量測數據所選擇的特徵是類神經模糊系統的輸入，壓力容

器是否有腐蝕缺陷是此系統的輸出，兩者之間並無理論分析的關係，但是，

類神經模糊系統仍然可以建構輸入和輸出之間的關係。換言之，此方法可以

最精凖、最迅速、最可靠地判斷壓力容器是否真有腐蝕缺陷。而使用相位陣

列式超音波進行檢查可以最精確地將音洩技術在線上的檢測定性定量。此一

系統具有極高的可靠度和安全性，可以減少/消除停機檢查，增加效率，降

低成本。

七、 辦理專家座談會 2 場，擬定壓力容器不開放即時檢測和故障診斷安全檢查指

引。採用專家座談法。與有實務經驗的專家進行專家座談 2 場，邀請業界及

學界專家，針對實驗數據與研究過程，做出改善及增加實用性質，以擬定壓

力容器不開放即時檢測和故障診斷安全檢查指引。

4

第二章 壓力容器職業災害案例

第一節 壓力容器職業災害案例概述及腐蝕種類介紹

一、美國壓力容器職業災害案例概述

由於歷史性原因，鍋爐、壓力容器的安全性能始終依靠監管機構來保證。美國各

州通用的鍋爐、壓力容器標準使用 ASME 鍋爐與壓力容器規範，ASME 規範包含了

控制鍋爐與壓力容器在設計、製造、檢查等方面安全標準。

美國鍋爐、壓力容器事故統計是從 1991 年開始進行的。美國國家鍋爐壓力容器

檢查協會在每年夏季公報上公布上一年度事故統計報告。這些數據是從各成員的監管

機構以及製造檢查機構填報的鍋爐、壓力容器事故報告中統計整理得到的。根據事故

產生的原因，從設計、製造、安裝、修理、使用、維護保養各環節到設備的安全閥、

控制裝置、鍋爐燃燒器等主要附件原因進行分類。

從 1992 至 2002 年的 11 年時間，美國鍋爐、壓力容器事故總計發生了 25001 起。

平均每年大約 2273 起。鍋爐、壓力容器事故中的死亡人數共 132 人，平均每年 12 人；

受傷人數共 739 人，平均每年大約 67 人。這 11 年的事故統計中，不管是從事故發生

宗數，還是從鍋爐、壓力容器事故受傷或死亡的人數來看，2002 年都是最少的，共

死亡 5 人，受傷 22 人，事故 1663 起。發生鍋爐、壓力容器事故宗數最多的一年是

2000 年，共發生鍋爐、壓力容器事故 2686 宗，鍋爐、壓力容器事故中死亡人數最多

的一年是 1999 年，死亡 21 人。美國壓力容器職業災害案例敘述如第二節。

二、台灣壓力容器異常案例概述

為蒐集壓力容器異常案例，前往行政院勞工委員會勞工檢查處訪談，並至中華民

國工業安全衛生協會訪談，以蒐集資料。

台灣對於壓力容器訂定完善而嚴格之安全標準，並且進行停機檢查，以確保工業

安全，行之有效。但是，尚未進行智慧型在線上即時腐蝕缺陷檢測和故障診斷，耗費

大量人力與費用，更有進者，無法立即掌握安全動態以即時採行風險控制對策。因此，

針對在運行中的壓力容器開發一種新的智慧型在線上即時腐蝕缺陷檢測和故障診斷

的系統是本計劃的目的。目前勞動檢查機構所檢出之異常案例敘述如第三節。

三、中國大陸壓力容器職業災害案例概述

5

中國大陸於 1999 年頒布並實施「壓力容器安全技術監察規程」，於 2004 年頒布

並實施「壓力容器定期檢驗規則」，2004 年 12 月頒布「在用含缺陷壓力容器安全評

定」，規範壓力容器安全評定的技術方法，提高了壓力容器的安全性和經濟性。但是，

壓力容器職業災害仍然發生，大陸壓力容器與鍋爐災害案例敘述如第四節。

四、腐蝕種類介紹

腐蝕是壓力容器在使用過程中最容易產生的一種缺陷。從產生部位來說，可以分

為均勻腐蝕和局部腐蝕。均勻腐蝕比較均勻地產生于部件表面的各個部位，它比較均

勻地減薄部件的壁厚，降低部件的承載能力，可以在設計中給出附加壁厚或採用耐腐

蝕性材料進行防範。局部腐蝕產生在部件的局部區域，危害極大為恐蝕。

腐蝕可以分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩大類。由於金屬與所接觸的氣體或液體介

質發生化學反應所造成的腐蝕，即化學腐蝕。金屬與電解質相互作用使金屬部位溶解

損傷的現象，叫電化學腐蝕，即伴有微電流現象的化學腐蝕。根據引起腐蝕介質的不

同，又可以將腐蝕分成許多種，如氧腐蝕、酸腐蝕、鹼腐蝕、蒸氣腐蝕等。

壓力容器運行中經常產生的腐蝕有由腐蝕性介質引起的均勻腐蝕和局部腐蝕、應

力腐蝕、疲勞腐蝕、氫脆腐蝕等。

五、大氣腐蝕

大氣腐蝕是濕氣腐蝕，即在空氣潮濕及器壁不潔的條件下，空氣中的氧通過器壁

上的水膜與金屬產生的電化學腐蝕。乾燥的空氣對碳鋼等鐵合金一般是沒有腐蝕作用

的，而潮濕到一定程度的空氣才有腐蝕器壁的現象。

壓力容器的大氣腐蝕多產生于經常處於潮濕場合的部件及易於積存水分或溼氣的部

位，並與季節、地區及部件在大氣中的裸露程度有關。地面潮濕造成的腐蝕多產生于

壓力容器接近地面的部位。

六、氧腐蝕

氧腐蝕指溶入水中的氧與盛水容器金屬壁面作用所發生的電化學腐蝕。盛水容

器，經過水壓試驗而未完全放掉水的容器，可能產生嚴重的氧腐蝕。

氧腐蝕是局部腐蝕，被腐蝕處呈點狀，嚴重時形成深恐或穿孔，危及壓力容器的正常

運行。

七、酸鹼等腐蝕性介質引起的腐蝕

6

工作介質具有明顯腐蝕作用的容器，設計時都採用防腐蝕措施，如選用耐腐蝕的

材料，進行表面處理。這些容器內壁的腐蝕常常是因為防腐蝕措施失效而造成的。

塗層或鍍層是壓力容器常見的一種防腐蝕措施，但有些容器常因局部防腐蝕層破壞而

遭到腐蝕。

八、應力腐蝕

應力腐蝕是在腐蝕介質和拉伸應力共同作用下金屬產生的腐蝕，屬於電化學腐

蝕。應力腐蝕常常導致突發性的脆性破壞，造成嚴重後果，因而值得重視。

九、疲勞腐蝕

疲勞腐蝕是拉伸應力與腐蝕性介質共同作用引起的腐蝕。疲勞腐蝕與應力腐蝕的

主要區別在於應力是否呈週期性變化。疲勞腐蝕產生于承受交變載荷與盛裝腐蝕性介

質的容器中，產生部位也是焊縫、開孔及結構不連續等高應力部位。

十、氫脆和氫腐蝕

氫在鋼中聚集而使鋼材變脆的現象稱為氫脆。氫脆及氫腐蝕是一種鋼材內部性能

及組織變化的缺陷，難以檢查發現，對設備安全運行具有很大的威脅，因而石油化工

工業中臨氫的高溫高壓容器，工作介質中含有氫元素的容器及其他有可能導致氫脆的

容器，在運行監督中必須充分注意。

7

第二節 美國壓力容器職業災害案例

案例一：

2006 年 12 月 28 日在美國賓夕法尼亞州一位焊接工人在維修壓力容器後，要確保焊

縫不漏氣，在加壓的時候後發生爆炸，造成焊接工人死亡；爆炸原因為壓力容器本身

設

計有缺陷，而腐蝕使得壓力容器變薄，不符合 ASME 的壓力容器規範，因而發

生爆炸。此一壓力容器職業災害案例如圖 1 至圖 5 所示 [17]。

8

圖 1 奧什科甚(oshkosh)公司典型的壓力容器

9

圖 2 Potsko 先生焊接維修的壓力容器

10

圖 3.損壞之準球形封頭 (Torisphenical Head)

11

圖 4.無蓋之氣缸

12

圖 5損壞開始之處

13

案例二：

1984 年 7 月 23 日在美國芝加哥的一座煉油廠發生爆炸，造成 17 人死亡，爆炸的原

因為腐蝕產生裂縫，因而發生爆炸。該容器已在 1970 年投入服務，並經歷了多次維

修和改裝。事後故障調查發現，容器斷裂明顯沿著一條修理焊接的路徑。此一案例如

圖 6 和圖 7 所示 [18] 。

圖 6壓力容器示意圖

(丙烷出口)

14

圖 7.壓力容器破裂的相鄰補焊圓環 1 和圓環 2

圓環 1

圓環 2

圓環 3

15

第三節 台灣壓力容器異常案例

案例一：

圖 8 為台灣壓力容器異常案例壓力容器腐蝕 [19]

圖 8壓力容器內部受蒸氣腐蝕減薄

案例二：

高壓氣體特定設備腐蝕 [19]如圖 9 所示

圖 9本體外部腐蝕

16

案例三：

貯槽底部胴體板外部腐蝕(腐蝕面積約 50cm x 39cm)經超音波測厚結果最小殘餘

厚度約為 7mm，已小於必要最小厚度，應即予修繕 [20]，如圖 10。

圖 10貯槽底部胴體板外部腐蝕

案例四：

瓦斯槽體底部銹蝕 [20]，如圖 11。

圖 11瓦斯槽體底部銹蝕

17

案例五：

端板底部外部腐蝕，實測厚度低於最小厚度 [20]，如圖 12。

圖 12端板底部外部腐蝕，實測厚度低於最小厚度

案例六：

管側胴體有一處局部腐蝕,腐蝕面積約 16cm x 14cm,腐蝕最深處殘厚約為 4.9mm,

已小於必要最小厚度,應予修繕 [20]，如圖 13。

圖 13管側胴體有一處局部腐蝕

18

案例七：

管板管側出口下半部腐蝕嚴重 [20]，如圖 14。

圖 14 管板管側出口下半部腐蝕嚴重

案例八：

外部檢查，端板外部點蝕深度 3mm [21]，如圖 15。

圖 15端板外部點蝕深度 3mm

19

第四節 大陸壓力容器職業災害案例

案例一：

1975 年 6 月 3 日，內蒙古某電廠發生鍋爐爆炸事故。該鍋爐是英國製造，設計

參數蒸發量為 7 噸／時，工作壓力為 1.03 兆帕。運行 40 餘年後拆遷安裝到該廠，進

行了改造，加大了受熱面，使鍋爐蒸發量提高到 12 噸／時，最高使用壓力改為 1.37

兆帕。改造後使用 2368 小時，鍋爐在運行中突然發生爆炸，右側鍋筒飛出 45 公尺遠，

全部過熱器管子及部分排管砸彎變形，鍋爐鋼架及鍋筒橫梁全部變形彎曲，鍋爐車間

廠房大部分倒塌，附近一些廠房及辦公室也遭爆炸衝擊波破壞。經濟損失 800,000 人

民幣，幸運的是未造成人員傷亡。

鍋筒由三段筒體加兩個封頭鉚接而成，爆炸後發現鍋筒前段有一個貫穿性爆破口，全

長 1571 毫米，鍋筒前封頭落在廠房內，它與筒體的連接鉚釘前部被切斷。鍋筒鉚釘

孔因剪切擠壓有塑性變形，孔變成橢圓形，橢圓度達 1．17％，並有束狀裂紋，主爆

破口的鉚縫搭接結合面上有白色鹽垢，積垢區佔爆口總長的 71．9％。主爆破口區的

鉚釘孔有裂紋、在半個孔週上裂紋數量有的多達 7 條，最長的裂紋可達 44 毫米，主

爆破口處的鉚釘斷口陳舊、呈赤褐色，屬無塑性變形的平齊斷口，筒體壁厚未發現有

減薄現象，基本上可定為脆性斷口，在斷口上還可看到白色鹽垢 [22]。

案例二：

2003 年 2 月 5 日凌晨 1 時 55 分，山西某化工廠閃蒸器發生爆炸事故，典型的閃

蒸器如圖 16 所示。樓上當班職工柴某因操作室坍塌墜落至地面死亡。

2003 年 2 月 4 日 9 時 15 分左右，當班操作工將排水閥關閉。設備在停用期間，本應

切斷進水閥打開排水閥，使其處於常壓狀態。排水閥被關閉，無法卸壓，這是導致超

壓爆炸的重要原因。從爆炸後設備筒體的斷口來看，絕大部分破口表面較為規則平

整，且與母材成 30°~45°夾角，屬韌性斷裂。設備爆炸時，內部壓力在瞬間降為零，

飽和水迅速汽化，體積急劇膨脹，產生巨大的二次壓力，爆炸時的超壓與二次壓力形

成合力，強大的合力將上段拋起砸壞車間橫樑和部分管道，使筒體頂部的出汽管拔出

飛落造成現場的慘景 [23]。

20

圖 16 典型的閃蒸裝置 [24]

21

第三章 分析壓力容器腐蝕缺陷形成可能原因

第一節 壓力容器腐蝕缺陷形成可能原因-美國案例

案例一：

壓力容器爆炸的主要原因是設計和製造錯誤以及腐蝕缺陷，準球型封頭用的材料

比圓筒外殼還脆弱，因為準球型封頭的強度要高於圓筒外殼，壓力容器設計的壓力遠

低於註明上的壓力，壓力容器註明 60psi，但是經由計算出來的答案，壓力容器將在

48psi 的情況下會發生爆炸。然而，壓力容器是由鋁製成，水會腐蝕鋁，腐蝕的餘裕

量不滿足 ASME 壓力容器的規範。

案例二：

該壓力容器在 1970 年開始運作，並經歷了多次維修和改裝。1984 年 7 月的事件，

職業安全健康管理局(OSHA)故障調查確定，壓力容器斷裂明顯沿著一條修理焊接的

路徑，相臨著修理焊接的部分裂開，這些裂縫已經存在的區域是明顯受到腐蝕。發生

氫應力裂開，氫脆裂使壓力容器的韌性減少。

壓力容器的氫脆是指它的器壁受到氫的侵蝕，造成材料塑性和強度降低，並因此而導

致的開裂或延遲性的脆性破壞。高溫高壓的氫對鋼的損傷主要是因為氫以原子狀態滲

入金屬內，並在金屬內部再結合成分子，產生很高的壓力，嚴重時會導致表面鼓包或

皺摺；氫與鋼中的碳結合，使鋼脫碳，或使鋼中的硫化物與氧化物還原。造成壓力容

器氫脆破壞的氫，可能是設備中原來就存在的。

第二節 壓力容器腐蝕缺陷形成可能原因-台灣案例

案例一：

蒸氣與壓力容器金屬壁面作用所發生的電化學腐蝕。蒸氣腐蝕是局部腐蝕，被腐

蝕處呈點狀，嚴重時形成深恐或穿孔，危及壓力容器的正常運行。

案例二：

因為壓力容器表面積存水分，空氣中的氧通過器壁上的水膜與金屬產生的電化學

腐蝕，即為大氣腐蝕。

案例三：

因為腐蝕區域發生在壓力容器的表面，並且接近地面的部位，所以推測為大氣腐

22

蝕。

案例四：

因為腐蝕區域發生在壓力容器的表面，並且接近地面的部位，所以推測為大氣腐

蝕。

案例五：

因為腐蝕區域發生在壓力容器的表面，並且接近地面的部位，所以推測為大氣腐

蝕。

案例六：

因為腐蝕區域發生在表面，並且為局部腐蝕，所以推測為空氣潮濕及器壁不潔的

條件下，所發生的大氣腐蝕。

案例七：

因為腐蝕發生在表面，並且下半部腐蝕嚴重，所以推測為積水造成的大氣腐蝕。

案例八：

因為腐蝕發生在表面，並且為點蝕，所以推測為空氣潮濕及器壁不潔的條件下，

所發生的大氣腐蝕。

第三節 壓力容器腐蝕缺陷形成可能原因-大陸案例

案例一：

爐水相對鹼度過高。該鍋爐移裝投入運行後，對爐水相對鹼度要求不嚴，經化

驗，爐水相對鹼度高達 43％左右，超過標準一倍以上，為鍋爐鉚縫產生苛性腐蝕脆

化提供了必要條件。私自提高鍋爐工作壓力，未經校核就將工作壓力從 1．03 兆帕提

高到 1．37 兆帕，事故發生後，經應力測試，當工作壓力提高到 1．37 兆帕時，鍋筒

內應力提高了 35％，筒體應力接近材料的屈服點，也是造成苛性應力腐蝕脆化的一

個原因。違章操作，運行不正常，由於個別操作人員責任心差，常使汽壓在 1．27 兆

帕到 1．47 兆帕範圍內波動，有時甚至波動到 1．57 兆帕以上，當鍋爐遇到故障時，

汽壓又突然降到 0．196 兆帕，鍋爐急降快升，壓力升降太快，加之缺水事故經常發

生，處理又往往不當，致使鍋筒溫差變化太快，應力變動頻繁。

案例二：

設備在停用期間，本應切斷進水閥打開排水閥，使其處於常壓狀態。而三個進水

23

閥經常壓試水一個滲漏，一個洩漏，一個不漏，雖關仍漏為設備的帶壓、增壓直至超

壓提供了壓力源。排水閥被關閉，無法卸壓，這是導致超壓爆炸的重要原因。管理工

作存在漏洞，白班職工違章關閉排水閥，而運行記錄未註明，交接班時也未向接班職

工說明，致使排水閥一直處於關閉狀態。從爆炸後設備筒體的斷口來看，絕大部分破

口表面較為規則平整，且與母材成 30°~45°夾角，屬韌性斷裂。這說明鋼板是由於超

壓而撕裂的。

茲將所搜集的案例分析統計如下表 2

表 2 案例分析統計表

案例數量 發生原因 損傷機制 預防措施

1 人為疏失 爆炸 加強人員訓練

8 腐蝕 無法使用 定期檢查

2 製造規範不符合 爆炸 嚴謹把關

1 腐蝕 爆炸 維修部分需加強檢查

24

第四章 使用音洩技術非破壞及不開放檢測壓力

容器內部完整性

第一節 音洩技術及其他非破壞檢測簡介

非破壞檢測法包括音洩檢測法、超音波檢測法、射線檢測法、磁粒檢測法等等，

茲簡述如下。射線檢測法的基本原理就是以具有穿透能力的射線(如X射線.γ射線等)

穿透試件，在達於底片或螢幕等介質，以生成影像紀錄，然後研判影像以了解試件品

質。磁粒檢測的原理為係藉由磁力在物件內分佈的情形吸引表面磁粒形成顯示，能迅

速、有效地檢驗物件表面及次表面的瑕疵。 超音波檢測法將於第五章敘述。

目前被廣泛使用壓力容器的線上監測及檢測技術為音洩技術，在材料中局部區域

源快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象稱為音洩(Acoustic Emission, AE) ，也稱為聲

發射。材料在腐蝕/應力作用下的變形與裂紋擴展，是結構失效的重要機制，這種直

接與變形和斷裂機制有關的音洩，亦稱為聲發射源。近年來，流體洩漏、摩擦、撞擊、

燃燒等與變形和斷裂機制無直接關係的彈性波源，也被稱為音洩 [25]。

音洩是一種常見的物理現象，各種材料聲發射信號的頻率範圍很寬，從幾 Hz 的

次聲頻、20 Hz～20K Hz 的聲頻到數 MHz 的超聲頻；聲發射信號幅度的變化範圍也

很大。如果聲發射釋放的應變能足夠大，就可產生人耳聽得見的聲音。大多數材料變

形和斷裂時有音洩發生，但許多材料的聲發射信號強度很弱，人耳不能直接聽見，需

要藉助靈敏的電子儀器才能檢測出來。用儀器探測、記錄、分析聲發射信號和利用聲

發射信號推斷聲發射源的技術稱為音洩技術，人們將音洩發射儀器形象地稱為材料的

聽診器。

音洩檢測的原理 [26]如圖 17 所示，從聲發射源發射的彈性波最終傳播到達材料

的表面，引起可以用聲發射感測器探測的表面位移，這些探測器將材料的機械振動轉

換為電信號，然後再被放大、處理和記錄。固體材料中腐蝕/應力的變化產生音洩信

號, 在材料加工、處理和使用過程中有很多因素能引起內應力的變化，如位錯運動、

孿生、裂紋萌生與擴展、斷裂、無擴散型相變、磁疇壁運動、熱脹冷縮、外加負荷的

變化等等。人們根據觀察到的音洩信號進行分析與推斷以瞭解材料產生音洩的機制。

音洩檢測的主要目的是根據音洩的性質進行壓力容器非破壞及不開放檢

25

測。典型音洩訊號如圖 18 所示。

圖 17音洩檢測原理方框圖

圖 18典型音洩訊號

26

第二節 音洩檢測技術優劣分析

音洩檢測方法在許多方面不同於其他常規非破壞檢測方法，其優點主要表現為：

音洩是一種動態檢驗方法，音洩探測到的能量來自被測試物體本身，而不是像超音波

或射線探傷方法一樣由非破壞檢測儀器提供；音洩檢測方法對線性缺陷較為敏感，它

能探測到在外加結構應力下這些缺陷的活動情況，穩定的缺陷不產生音洩信號；在一

次試驗過程中，音洩檢驗能夠整體探測和判斷整個結構中腐蝕/缺陷的狀態；可提供

腐蝕缺陷隨載荷、時間、溫度等外變數而變化的即時或連續資訊，因而適用於工業過

程線上監控及早期或臨近破壞預報；由於對被檢件的接近要求不高，而適用於其他方

法難於或不能接近環境下的檢測，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及極毒等環境；對

於在役壓力容器的定期檢驗，音洩檢驗方法可以縮短檢驗的停產時間或者不需要停

產；對於壓力容器的耐壓試驗，音洩檢驗方法可以預防由未知不連續缺陷引起系統的

災難性失效和限定系統的最高工作壓力； 由於對構件的幾何形狀不敏感，而適用於

檢測其他方法受到限制的形狀複雜的構件。

由於音洩檢測是一種動態檢測方法，而且探測的是機械波，因此具有如下的限制:

音洩特性對材料甚為敏感，又易受到機電雜訊的干擾，因而，對資料的正確解釋

要有更為豐富的資料庫和現場檢測經驗；音洩檢測，一般需要適當的載入程式。多數

情況下，可利用現成的載入條件，但有時還需要特作準備；音洩檢測目前只能給出聲

發射源的部位、活性和強度，不能給出聲發射源內缺陷的性質和大小，仍需依賴於其

他無損檢測方法進行複驗。表 3 列出了音洩檢測方法和其他常規無損檢測方法(含超

音波檢測)的特點對比。

表 3 音洩檢測方法和其他常規非破壞檢測方法的特點對比

音洩檢測方法 其他常規無損檢測方法

缺陷的增長／活動 缺陷的存在

與作用應力有關 與缺陷的形狀有關

對材料的敏感性較高 對材料的敏感性較差

對幾何形狀的敏感性較差 對幾何形狀的敏感性較高

需要進入被檢物件的要求較 需要進入被檢物件的要求較

27

少 多

進行整體監測 進行局部掃描

主要問題：雜訊、解釋 主要問題：接近、幾何形狀

第三節 壓力容器音洩實驗之步驟與儀器

壓力容器音洩檢測的步驟一般包括[27-29]:

音洩感測器的覆蓋率是基於波的傳播衰減，通常佈置於金屬壓力容器的感測器間

距約為 1 - 6 公尺。壓力容器檢測的高速音洩系統如圖 19 所示。

儀器說明

藉由高速音洩系統即可對壓力容器內部及結

構缺陷之動態監測與檢測上，包括缺陷或裂縫起

始與傳播之偵知、材料內部狀態改變、結構件之

洩漏偵測與定位、破壞力學研究上和材料科學之

研究。

圖 19高速音洩系統(接受器/放大器/音洩探頭/機箱)

1.對被檢容器進行資料審查

2.現場勘查

3.檢驗方法的制定

4. 音洩探頭的安裝

5. 音洩儀器的工作參數調整與校正

6. 音洩監測和信號擷取

7.擷取資料的分析和檢驗報告的編制

28

高速音洩系統規格：

德國 Vallen AMSY-6 聲發射儀

連接/USB2.0

聲發射傳感器 VS150-M 中心頻率 150KHz

聲發射前置放大器 AEP4H 頻帶範圍為 20-2000KHz

獨立雙通道聲發射採集卡 ASIP-2

第四節 壓力容器音洩技術線上檢測實驗

使用 45L 之壓力容器進行水壓實驗，為加速腐蝕，使用氯化鐵溶液，其濃度為

2.2 g/L，水壓壓力為 5kg/cm2。壓力容器之材料為超音波衰減極為嚴重的 304 不鏽鋼，

因此本實驗具有極大的涵蓋性。

使用音洩傳感器做監測，其訊號由放大器加以放大，然後輸入訊號分析儀器。音

洩實驗設定之門檻值為 40dB，靈敏度適當。頻率區間為 95 KHz – 850 KHz，取樣頻

率為 10 MHz，因此成功地避免波形扭曲。頻率區間為高頻，因此有效地避免被四週

環境噪音干擾。音洩實驗之裝置如圖 20 所示。

實驗使用兩台相同壓力容器皆進行腐蝕實驗，壓力容器規格如附件一所示。在數

據取得足夠之後，兩台分別在相同地方鑽 5mm 大小的圓錐形孔洞，以模擬危害性極

大的孔蝕 (pitting corrosion) ，再以相同的參數做實驗。圓錐形孔洞是最難以超音波

探測的幾何形狀之一，因此本實驗具有極大的涵蓋性。更有進者，因係 5mm 的小孔，

可以進行先期預警。兩台壓力容器的孔洞照片如圖 21 及 22 所示。

圖 20 實驗裝置

29

圖 21 第一台壓力容器之孔洞

圖 22 第二台壓力容器之孔洞

壓力容器加壓進行腐蝕，第一台無缺陷壓力容器之傳感器所量測之時域及頻域訊

號如圖 23 及 24 所示。

30

圖 23第一台無缺陷壓力容器時域訊號 (µs)

圖 24 第一台無缺陷壓力容器頻域訊號 (kHz)

壓力容器加壓進行腐蝕，第一台缺陷 5mm 大小之孔洞的壓力容器之傳感器所量

測之時域及頻域訊號如圖 25 及 26 所示。

圖 25 第一台缺陷 5mm 大小之孔洞的壓力容器時域訊號 (µs)

31

圖 26 第一台缺陷 5mm 大小之孔洞的壓力容器頻域訊號(kHz)

壓力容器加壓進行腐蝕，第二台無缺陷壓力容器之傳感器所量測之時域及頻域

訊號如圖 27 及 28 所示。

圖 27 第二台無缺陷壓力容器時域訊號(µs)

圖 28 第二台無缺陷壓力容器頻域訊號 (kHz)

壓力容器加壓進行腐蝕，第二台缺陷 5mm 大小之孔洞的壓力容器之傳感器所量

測之時域及頻域訊號如圖 29 及 30 所示。

圖 29 第二台缺陷 5mm 大小之孔洞的壓力容器時域訊號 (µs)

32

圖 30 第二台缺陷 5mm 大小之孔洞的壓力容器頻域訊號 (kHz)

仔細觀察以上的實驗數據，有無孔蝕的時域波形明顯不同。無孔蝕時祇有一次波

動，而很明顯地，有孔蝕時不斷地波動，明確指出有音洩釋放。很明顯地，這是由於

孔蝕的緣故。

綜合上述，已經發現第一個探測腐蝕缺陷的有效指引，亦即音洩的時域波形是否

由於孔蝕的緣故連續波動。

第五節 利用類神經模糊系統開發新型壓力容器的在線診斷技

術

一、 特徵提取和選擇 (Feature Extraction and Selection) [30,31]\

(一)特徵提取 (Feature Extraction)

特徵提取是基於對實驗結果之觀察以及參考研究者以往使用音洩量測之經驗。在

本研究計畫中，提取之特徵為：音洩幅度 (Peak Amplitude)、音洩計數 (AE Count)、

音洩能量 (AE Energy)，如表 4 所示。 茲敘述提取之特徵如下：

表 4 特徵名稱

特徵號碼 物理量

1 音洩幅度

2 音洩計數

3 音洩能量

音洩幅度：在音洩檢測中，為排除背景噪音和干擾信號，要設置閥值電壓，低於

閥值電壓的信號均被剔除，幅度是指時域波形中超過門檻值的峰值電壓，也稱峰值幅

度。

33

音洩計數：一個音洩信號的時域波形，通過包絡檢波後，波形超過預設的閥值電

壓，形成一個脈衝，該脈衝就是一個事件計數。如果將時域波形中超過門檻值的音洩

次數形成矩形脈衝，則計數這音洩脈衝就是音洩計數。

音洩能量：能量測量的方法，一個瞬態信號的能量可以定義為

式中 R-電壓測量線路的輸入阻抗，V(t)與時間有關的電壓

(二)特徵選擇 (Feature Selection)

特徵選擇是極其重要的，它是用於挑選所提取的特徵中具有「最高靈敏度」之一

個或一組特徵。所謂「最高靈敏度」是指具有極大之訉號與雜音比（Signal to Noise

Ratio）。 在本計畫中預定使用尤克里汀距離量測法（Euclidean Distance Measure）以

及連續前進尋根法 （Sequential Forward Search Algorithm，SFS），如此一來，特徵

選擇可以有效地得到最佳解答，因而，音洩量測可以最迅速、最可靠地判斷壓力容器

是否真有有腐蝕缺陷。

在訓練類神經模糊系統時，所需最小數量的數據如下式所述：

N = 2(d+1) (1)

在上式中，N 是所需最小數量的數據，d 是特徵的數量。使用最小數量的特徵針

對壓力容器在線上缺陷的即時檢測和故障診斷是最有效、最迅速、最經濟的。

使用尤克里汀距離量測法的公式如下所述：

J = trace (Sw-1

Sb ) (2)

在上式中，Sw是同一類型分佈矩陣(within class scatter matrix)而 Sb是不同類型分

佈矩陣(between class scatter matrix)。Sw量測在同一類型中數據羣的分佈，而 Sb量測

不同類型數據羣之間在 d 維數據空間的尤克里汀距離。很明顯的，J 代表訉號與雜音

比。

使用連續前進尋根法以決定最佳之 d 個特徵之運算法則(algorithm)如下：

從量測向量(measurement vector)之 D 個特徵中，使用尤克里汀距離量測法以選擇一個

可以使 J 極大化之特徵，此一特徵稱為 X1。下一步，將所剩下的（D-1)個特徵與 X1

配對同時計算每一對之 J。然後，選擇使 J 極大化之一對特徵。將以上步驟一直繼續

34

下去，直到選取 d 個特徵為止。使用連續前進尋根法可以極有效地決定最佳之 d 個特

徵。原則上，使用的特徵越少越好。

使用上述方法，代入實驗數據如附件二，本計劃特徵選擇的結果如下: 單一最好的特

徵為音洩能量；兩種最好的特徵為：音洩幅度及音洩能量，如表 5 所示。

表 5 特徵選擇的結果

特徵數目 特徵名稱

1 音洩能量

2 音洩幅度，音洩能量

3 音洩幅度，音洩計數，音洩能量

二、類神經模糊系統 (Neuro-Fuzzy System) [30 – 32]

類神經模糊系統已成功地應用於機械及製程之安全檢查，它是類神經網路

(artificial neural networks)和模糊邏輯 (fuzzy logic) 的複合系統（hybrid system)，因

此，它綜合兩者之優點。它具有類神經網路之優良系統結構，也和類神經網路一樣，

可以有效地運用實驗數據加以訓練後成功地投入實際應用。它也具有模糊邏輯之模糊

推理(fuzzy reasoning) 與模糊數學 (fuzzy mathematics) 之能力。更有進者，它具有普

遍化的能力 (capability of generalization)。因此，它能有效地完成傳統上無法解決的困

難問題。

類神經模糊系統包括輸入層、輸出層、會員函數層（membership function layer)、

以及模糊規則層（fuzzy rule layer)。即使輸入 (input) 和輸出 (output) 之間的關係為

非線性，甚至沒有理論分析的關係，類神經模糊系統仍然可以建構對此系統之輸入和

輸出之間的關係。模糊規則的形式為「如果 A，則為 B」。A 和 B 皆可用會員函數來

表示。會員函數有各種各樣，因此，解決難題的方式極多因而彈性極大。最常用的會

員函數之一為通用鐘形會員函數如下式所述：

b

ij

a

cxM

2

1

1

(3)

35

此一函數由以下三個參數確定，如圖 31 所示。參數 a 控制鐘形會員函數的寛度，參

數 c 調整此函數的中心點，而參數 b 決定其轉折點的斜率。Mij 表示第 i 個輸入的第

j 個會員函數而 x 為輸入之特徵。

表 7 為使用單一特徵-音洩能量 ANFIS 之結果

圖 31通用鐘形會員函數

類神經模糊系統的訓練是根據其實際輸出與實驗數據之誤差。其訓練採用倒傳遞

（back propagation)和最小平方和(sum of least squares)之複合法。經由訓練可使其誤差

極小化。

使用第一台壓力容器的音洩量測數據訓練不同結構之 ANFIS，訓練 200 循環

(epoch) 後使用 ANFIS 推算出第一台壓力容器(無孔蝕缺陷及有孔蝕缺陷)和第二台壓

力容器(無孔蝕缺陷及有孔蝕缺陷)訊號中有多少百分比指出有孔蝕缺陷，使用的特徵

從一到三，其結果列於表 6 至表 7.

Slope= b/2a

c

a

Mem

bersh

ip

Fu

nctio

n

x

36

表 6 為使用兩種特徵-音洩幅度、音洩能量 ANFIS 之結果

輸入 x MF 第一台壓

力容器(無

缺陷)

第一台壓

力容器(有

缺陷)

增加值 第二台壓

力容器(無

缺陷)

第二台壓

力容器(有

缺陷)

增加值

2x(2x2) 20.33% 55.33% 35% 59.69% 98.61% 38.92%

2x(2x3) 22% 63.67% 41.67% 69.63% 98.61% 28.98%

2x(3x2) 15.33% 55.33% 40% 59.69% 98.61% 38.92%

2x(3x3) 21% 63.67% 42.67% 67.54% 95.83% 28.31%

表 7 為使用三種特徵-音洩幅度、音洩計數、音洩能量

輸入 x MF 第一台壓

力容器

(無缺陷)

第一台壓

力容器

(有缺陷)

增加值 第二台壓

力容器(無

缺陷)

第二台壓

力容器(有

缺陷)

增加值

3x(2x2x2) 19.33% 60% 40.67% 59.69% 98.61% 38.92%

3x(2x2x3) 22% 65% 43% 71.2% 95.83% 24.63%

3x(2x3x2) 14.67% 59.67% 45% 56.54% 95.83% 39.29%

3x(2x3x3) 80.33% 93.33% 13% 98.43% 98.61% 0.18%

3x(3x2x2) 15.33% 59.33% 44% 63.35% 100% 36.65%

3x(3x2x3) 19.67% 65.33% 45.66% 68.59% 100% 31.41%

3x(3x3x3) 19.33% 67.33% 48% 63.35% 97.22% 33.87%

輸入 x MF

第一台壓

力容器(無

缺陷)

第一台壓

力容器(有

缺陷)

增加值

第二台壓

力容器(無

缺陷)

第二台壓

力容器(有

缺陷)

增加值

1x2 34.33% 57.33% 23% 50.79% 84.72% 33.93%

1x3 36.67% 66% 29.33% 61.78% 94.44% 32.66%

37

3x(2x3x2) ANFIS 可達成最好的結果。訓練 3x(2x3x2) ANFIS 完成後之推算，第

一台壓力容器 (無缺陷) 訊號中有 14.67% 指出有孔蝕缺陷，第一台壓力容器 (有

5mm 缺陷) 訊號中有 59.67%指出有孔蝕缺陷，增加值為 45%。 第二台壓力容器 (無

缺陷) 訊號中有 56.54%指出有孔蝕缺陷，第二台壓力容器 (有 5 mm 缺陷) 訊號中有

95.83%指出有孔蝕缺陷，增加值為 39.29%。

使用第一台壓力容器的數據訓練 ANFIS 中的通用鐘形會員函數，圖 32 為訓練好

的 3x(2x3x2) ANFIS 推算第一台壓力容器的訊號中有多少百分比指出有孔蝕缺陷；圖

33 為訓練好的 ANFIS 推算第二台壓力容器的訊號中有多少百分比指出有孔蝕缺陷；

圖 34 為 3x(2x3x2) ANFIS 之結構。

圖 32ANFIS 推算第一台壓力容器的訊號中有多少百分比指出有孔蝕缺陷

圖 33ANFIS 推算第二台壓力容器的訊號中有多少百分比指出有孔蝕缺陷

38

圖 343x(2x3x2) ANFIS 之結構圖

綜合上述，已經發現第二個探測腐蝕缺陷的有效指引，亦即將音洩三個特徵(音

洩幅度、音洩計數、音洩能量) 輸入類神經模糊系統 ANFIS，如果訊號中指出有孔蝕

缺陷的百分比大幅增加(例如增加超過 20%)，則明確指出有孔蝕發生。

39

第五章 使用陣列式超音波非破壞及不開放

檢測壓力容器內部完整性

第一節 感測器融合 (Sensor Fusion)

本研究計畫之特點與強項之一為使用感測器融合，而此一方法已經成功地應用於

製造領域。

音洩與相位陣列式超音波皆為有效的非破壞檢測技術。如果使用感測器融合以整

合此兩種技術，應該可以獲得更多資訊。換言之，音洩技術具有快速檢測、早期破壞

預測、複雜形狀檢測、不能接近之惡劣環境下的檢測等優點，可最迅速、最可靠地判

斷壓力容器是否真有腐蝕缺陷，而使用相位陣列式超音波進行檢查可以最精確地將音

洩技術在線上的檢測定性定量。

簡而言之，本系統因使用感測器融合，具有極高的可靠度和安全性，可以減少、

消除停機檢查，增加效率，降低成本。

第二節 相位陣列式超音波檢測

相位陣列式超音波與傳統超音波(UT)單一晶片檢測法，其最主要差異為相位陣列

法使用多晶片，並以不同激發與接收之延遲時間，依據惠更斯原理(Huygen’s Principle)

產生不同波前(wave front)行進波式，因此音束可利用電子式操縱、掃描、與聚焦，如

圖 35 所示。由其多角度掃描特性，故對於各類型缺陷性質皆有某一適當角度能與方

向性成垂直，以獲得最佳反射信號與檢出能力。

相位陣列式超音波技術檢測速度較傳統超音波檢測快，波束操控可將缺陷檢出能

力達到最佳化，因此對於因現場工作環境或幾何形狀限制之檢測構件，波束操控特型

為一明顯有效解決之方法。同時由於相位陣列式超音波可電子式聚焦波束，故對於可

能存在缺陷之位置能更有效檢出[35]。

40

圖 35陣列式探頭依惠更思原理產生波前示意圖

41

近年相位陣列式超音波檢測技術已廣為流行，其相較於傳統超音波檢測具備以下

優點[36]：

一、 檢測速度快：相位陣列式超音波檢測技術對於銲道或腐蝕構件，其線性掃描

能力可增加檢測之速度。

二、 呈像能力佳：相位陣列式超音波檢測技術具備 S-scan、E-scan、2-D 及 3-D

呈像方式，可提供更佳缺陷評估之判斷資訊。

三、 方式較彈性：相位陣列式超音波檢測技術對於各不同構件之缺陷類型，可進

行多樣性掃瞄，以增加評估能力。

四、 資料儲存佳：相位陣列式超音波檢測技術可將相關檢測資訊，以全部或個別

檔案存取與顯示，可提供較佳缺陷判釋資訊，更有助於資料保存與查詢。

五、 訊號再現性佳：相位陣列式超音波檢測技術經試驗證明，對於相同設定與檢

測程序下，較傳統超音波檢測更具重覆性之結果。

第三節 相位陣列式超音波之掃描型式

相位陣列法利用晶片陣列排置方式，分別各自獨立激發與控制時間偏移，使用者

可自行設計激發延遲時間，以獲得各式音波特性。同時亦可經由檢測角度、焦距距離

及掃描型式等資料設定，並由系統自行運算結果。

相位陣列式超音波技術中，各晶片時間延遲值，係取決於探頭晶片驅動尺寸、音

波型式、折射角度及聚焦深度，其電腦控制波束之掃描型式主要有下列三種：

一、電子式掃描(Electronic Scanning)：

E-scan 藉由動作元件產生固定角度波束，並沿探頭長度方向進行掃描，其相

當於傳統超音波檢測移動掃描一段距離。

二、 動態深度聚焦(Dynamic Depth Focusing)：

相位陣列式超音波技術以不同聚焦深度進行掃描，實際檢測時係傳送單一焦

距脈波，於接收時再針對聚焦法決定深度，並進行重新聚焦。

三、 扇形掃描(Sectorial Scanning) [37]：

S-scan 針對特定聚焦深度產生音束，並掃描一扇形角度範圍。其範圍之起始

與終止視探頭設計、楔形塊與波式而定。

42

已經建立與測試陣列式超音波系統，以最精確地將音洩技術在線上的檢測定性定

量，評估腐蝕缺陷之類別和嚴重性之用。陣列式超音波儀器如圖 36 所示。

儀器說明

藉由陣列式超音波接受器/探頭，可進行點掃

描、線掃描和面掃描取得足夠資料，並藉由訊號處

理使得超音波影像視覺化，可更加直觀和快速得知

壓力容器內部缺陷分布情形、尺寸、外型和位置

圖 36 陣列式超音波儀器

陣列式超音波儀器規格：

Conventional UT connector：4 (LEMO® 00) (not available on 32:32 and 64:64 models)

Data acquisition rate ：4 MB/s

A/D converter：10-bit 100 MHz per channel

Real-time data compression：1 to 255 ratio

Filtering：Programmable digital FIR

Encoder：2-axis (quadrature, clock-direction, counter)

Network interface：100Base-T

Bandwidth：0.5 MHz–20 MHz

Acquisition speed：8000 A-scans/s (8-bit 512-point A-scans)

Number of beams：Up to 256

PRF：Up to 20 kHz

Real-time averaging：1, 2, 4, 8, 16

Number of gates：4 for detection; 1 for synchronization

43

Weight：5 kg

Size (W, H, D)： 31.3 cm x 11.4 cm x 37.7 cm

第四節 相位陣列式超音波之掃描結果

利用相位陣列式超音波掃描壓力容器，可以最精確地將音洩技術在線上的檢測定

性定量。本系統因使用感測器融合，信賴度可以成倍的提高。利用音洩系統所定位出

訊號發出撞擊數最多的位置，利用陣列式超音波掃描，圖 37 為音洩各感測器所接收

到的撞擊數，圖 38 為音洩系統所定位出的 3D 圖。

圖 37 各音洩感測器所接收到的撞擊數

圖 38 音洩系統的 3D 定位

圖 39 為利用扇形掃描無訊號之圖案，圖 40 為壓力容器鋼壁扇形掃描之訊號，因

為效果不佳，最後改用脈衝回波的形式得到較佳的訊號。

44

圖 39 扇形掃秒無訊號

圖 40 壓力容器鋼壁之扇形掃描訊號

圖 41 表示利用脈衝回波得到壓力容器無缺陷處之訊號，圖 42 表示無缺陷壓力容

器量測訊號之示意圖，圖 43 表示壓力容器缺陷處之訊號，圖 44 表示有缺陷壓力容器

量測示意圖，因為錐形槽會使超音波訊號發散，故無訊號處即為缺陷處；根據掃描結

果可以判斷出缺陷大小為 5mm。

45

圖 41 壓力容器無缺陷處之訊號

圖 42 無缺陷量測訊號之示意圖

46

圖 43 壓力容器缺陷處之訊號

圖 44 有缺陷量測訊號示意圖

47

第六章 結論與建議

第一節 結論:

一、 腐蝕缺陷是壓力容器發生職業災害的重要原因,國內學界業界都對此極為關心。

二、 已經發現第一個在線上檢測腐蝕缺陷的有效指引，亦即音洩的時域波形是否由於

孔蝕的緣故連續波動。

三、 音洩幅度 (Peak Amplitude)、音洩計數 (AE Count)、音洩能量 (AE Energy) 都是

在線上檢測腐蝕缺陷之重要指標。

四、 已經發現第二個在線上檢測腐蝕缺陷的有效指引，亦即將音洩三個特徵(音洩幅

度、音洩計數、音洩能量) 輸入類神經模糊系統 ANFIS，如果訊號中指出有孔蝕

缺陷的百分比大幅增加(例如增加超過 20%)，則明確指出有孔蝕發生。

五、 利用相位陣列式超音波可以最精確地將音洩技術在線上檢測的腐蝕缺陷定性定

量。

第二節 建議:

一、 利用超音波可以精密地不停機量測壓力容器由於均勻腐蝕(最普遍的腐蝕缺陷形

態)而剩餘的壁厚,從而推算其剩餘的壽命。此一方向值得進一步探討研究。

二、 為了增進不停機檢查系統探測出最可怕的腐蝕形態(孔蝕)之可靠度, 時域和頻域

之各種資訊都應加以利用。可以應用之特徵為: 時域音洩幅度之平均值, 時域音洩

幅度之尖峰值, 時域音洩幅度之 RMS, 時域音洩幅度之 Skewness, 時域音洩幅度

之 Kurtosis, 頻域音洩幅度之平均值, 頻域音洩幅度之尖峰值, 頻域音洩幅度之

RMS, 頻域音洩幅度之 Skewness, 頻域音洩幅度之 Kurtosis, 音洩計數,音洩能

量。此一方向值得進一步探討研究。

三、 然後，使用尤克里汀距離量測法以及連續前進尋根法在 l2 個特徵中進行特徵選

擇，如此，可以更有效地選擇最佳的一個或一組特徵。此一方向值得進一步探討

研究。

四、 從音洩量測數據所選擇的特徵是類神經模糊系統的輸入，壓力容器是否有孔蝕是

此系統的輸出，類神經模糊系統可以建構輸入和輸出之間的關係。換言之，使用

多至 l2 個特徵的輸入可以更加可靠地判斷壓力容器是否真有孔蝕。此一方向值得

48

進一步探討研究。

五、 很明顯地,此一系統可以極為有效地探測出壓力容器因為腐蝕而不斷劣化的情況,

因此,可以進行壓力容器腐蝕缺陷之預警感測。此一方向值得進一步探討研究。

49

誌謝

本研究計畫參與人員除本所高組長崇洋、助理研究員沈志陽等人，另包括國立台

北科技大學劉添一教授等人，謹此敬表謝忱。

50

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52

附件一 壓力容器規格

1. 電源：AC 110V，單相，60HZ.

2. 內部尺寸：Ø 355*450mm，內容量 45 公升（含以上）。

3. 本體為 SUS304 材質，厚度 8mm，內外經拋光處理。

4. 深碟型不銹鋼端板 SUS304 材質，厚度 6mm.

5. 10kg/cm2-12”不鏽鋼法蘭及盲板 SUS304 材質。

6. 試液流體進出不銹鋼管台 1/2”x3pcs.

7. 偵測檢查不銹鋼管台 1’x1pc.

8. 壓力顯示不銹鋼管台 3/8”x1pc.

9. 壓力表 1 只，最大刻度 20kg/cm2.

10. 加壓馬達 1Hpx1 組。

11. 加壓控制開關 x1 組。

12. 推車 1 台，4 只活動輪中需有 2 只煞車輪。

※品質認證：壓力容器之設計及製造依據 CNS 國家標準，檢附型式檢查合格證明。

※以上尺寸±5%皆可接受。

53

附件二 實驗數據

第一台壓力容器(無缺陷)

音洩幅度(dB) 音洩計數 音洩能量(eu)

41.1 1 1.52E+01

41.5 1 6.95E+00

43 3 1.87E+01

44.1 2 1.89E+01

40.4 1 2.04E+01

41.1 1 1.01E+01

41.1 1 6.27E+00

40.4 1 4.89E+00

42.2 2 1.25E+01

48.3 2 3.61E+01

42.6 1 1.10E+01

47.5 3 3.31E+01

46 3 2.54E+01

45.6 3 2.66E+01

42.6 2 1.09E+01

43.7 2 2.01E+01

44.9 5 4.12E+01

40.7 1 7.09E+00

41.1 1 7.87E+00

40.4 1 4.39E+01

41.5 3 2.69E+01

47.1 3 3.20E+01

40.4 1 3.59E+00

41.9 1 1.02E+01

45.2 3 3.27E+01

47.9 3 4.71E+01

54

音洩幅度(dB) 音洩計數 音洩能量(eu)

47.9 4 5.14E+01

47.9 2 4.38E+01

47.5 2 3.46E+01

41.1 1 2.41E+01

41.1 1 8.65E+00

41.1 2 4.71E+01

41.1 1 8.72E+00

43.4 2 1.37E+01

40.7 1 7.64E+00

47.5 3 4.70E+01

48.6 3 5.87E+01

47.1 3 4.96E+01

47.9 7 5.50E+01

44.9 5 3.88E+01

42.6 5 3.12E+01

40.7 1 1.17E+01

41.9 2 1.84E+01

42.6 1 9.71E+00

42.2 2 9.76E+00

41.1 1 4.75E+00

44.1 4 3.22E+01

44.1 3 2.77E+01

43 4 2.46E+01

42.6 2 1.23E+01

46.4 2 3.07E+01

41.9 1 1.19E+01

43.4 1 1.15E+01

43.4 2 1.51E+01

45.6 4 4.38E+01

55

音洩幅度(dB) 音洩計數 音洩能量(eu)

41.9 1 8.12E+00

41.5 1 8.50E+00

41.1 1 7.96E+00

42.6 2 9.88E+00

40.4 1 5.61E+00

41.1 1 1.23E+01

50.5 4 8.43E+01

40.4 1 4.55E+00

41.9 1 9.14E+00

41.1 1 1.14E+01

46.8 4 4.52E+01

44.1 2 2.38E+01

44.5 2 2.43E+01

46.8 3 3.15E+01

40.7 1 4.77E+00

54.3 8 1.97E+02

43.7 2 1.66E+01

46.4 2 2.61E+01

42.6 1 1.02E+01

41.1 1 4.77E+00

40.4 1 4.13E+00

43 2 1.41E+01

41.1 1 4.62E+00

40.7 1 4.30E+00

40.4 1 3.51E+00

41.5 1 6.21E+00

41.1 1 5.54E+00

41.1 1 5.10E+00

41.1 1 6.63E+00

56

音洩幅度(dB) 音洩計數 音洩能量(eu)

41.5 1 6.67E+00

42.2 1 7.09E+00

41.1 1 6.35E+00

41.1 1 6.10E+00

40.7 1 6.22E+00

41.9 1 6.83E+00

41.5 1 6.98E+00

41.9 1 7.56E+00

44.1 1 1.87E+01

41.5 1 7.17E+00

44.1 2 1.72E+01

57

附件三 期中審查意見回覆表

項次 審查意見 意見回覆

1 報告內容請補充壓力容器職災案

例分析，並將發生災害原因、損

傷機制、預防措施等適當分類討

論。

職災案例部分以於案例補充，災害發生

原因、損傷機制、預防措時已用表格討

論。

2 建議補充蒐集、分析有關壓力容

器檢測技術及安全設施等。

其他非破壞檢測技術已於第四章第一節

補充。

3 建議評估壓力容器尺寸對於實驗

結論是否相關，後續實驗限制應

說明清楚。

AE 對幾何形狀的敏感性較低，而且在美

國工業界應用 AE 時，常常使用數十個

AE 感測器，因此壓力容器尺寸不成問

題。

4 建議後續訊號分析，可嘗試使用

短時傅立葉轉換(Short Term

Fourier Transform)分析 AE 訊號，

根據研究經驗可較快速傅立葉

(FFT)提供更完整的時域訊號特

徵。

由於本研究計畫時間很短，因此使用主

持人熟悉而且精通的特徵提取、特徵選

擇、以及類神經模糊系統來分析並處理

AE 訊號，相信可以達成同樣良好的結

果。

5 建議 AE 實驗參數設計，可參考是

否符合法律規範標準?

由於目前尚無法律規範標準，本研究計

畫 AE 實驗參數按照需要來設計。

6 建議 AE 實驗規劃，應包含容器不

同內容物如水或無效腐蝕液的狀

態下，進行實驗比對，並詳述實

驗流程方法。

壓力容器內容物為水(無效腐蝕液) 時，

AE 實驗完全沒有訊號。由於本研究計畫

時間很短，因此決定使用氯化鐵溶液。

7 初步實驗結果發現時域及頻域訊

號，隨著腐蝕速率的大小變化，

已經發現有無孔蝕的時域波形明顯不

同。無孔蝕時祇有一次波動，而很明顯

58

建議後續期末報告中能詳述分析

說明關係。

地，有孔蝕時不斷地波動，明確指出有

音洩釋放。很明顯地，這是由於孔蝕的

緣故。

8 研究後續以 Neuro-Fuzzy 技術，分

析 AE 時域及頻域訊號，期待能針

對腐蝕缺陷的位置、分類、大小

或深度等，獲得分析結果。

已經以 AE 訊號定位，以 Neuro-Fuzzy 技

術分析 AE 訊號，可最迅速、最可靠地

判斷壓力容器是否真有腐蝕缺陷，而使

用超音波進行檢查可以最精確地將音洩

技術在線上的檢測定性定量。