壓力容器無損檢測技術(shù)的研究

李欣燃

摘要：無損檢測主要用于檢查材料及焊接接頭的表面及內(nèi)部質(zhì)量，可在不損壞材料完整性的前提下，檢測出受檢部位存在的缺陷。本文對(duì)壓力容器檢驗(yàn)中常用的射線檢測、超聲波檢測、磁粉檢測、滲透檢測等進(jìn)行了分析和研究。無論是鍋爐壓力容器的制造檢驗(yàn)，還是定期檢驗(yàn)，無損檢測都是必不可少的檢測手段。

關(guān)鍵詞：壓力容器;無損檢測;磁粉檢測;滲透檢測;射線檢測;超聲檢測

1.引言

當(dāng)前壓力容器的應(yīng)用非常普遍，涉及到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，并且都與人們的日常生活有關(guān)密切的關(guān)系。壓力容器是一種具有爆炸危險(xiǎn)的特種設(shè)備，它承受著高溫、易燃、易爆、劇毒或腐蝕介質(zhì)的高壓力[1]，一旦發(fā)生事故，將使社會(huì)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)遭受嚴(yán)重破壞，人民生命財(cái)產(chǎn)遭受巨大的損失，直接影響社會(huì)的安定，因此，應(yīng)對(duì)壓力容器實(shí)施檢驗(yàn)。

對(duì)壓力容器進(jìn)行檢驗(yàn)，其目的就是防止壓力容器發(fā)生失效事故，尤其是對(duì)預(yù)防破裂事故的發(fā)生。無損檢測就是在不損壞被檢對(duì)象材料的前提下，利用科學(xué)手段，借助先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，對(duì)被檢對(duì)象的內(nèi)部及表面缺陷進(jìn)行檢查和測試的方法。壓力容器的檢驗(yàn)常采用的無損檢測技術(shù)主要有磁粉檢測、滲透檢測、射線檢測和超聲波檢測等[2]，這些檢測方法都是壓力容器檢驗(yàn)中必不可少的檢驗(yàn)手段。

2.壓力容器的無損檢測技術(shù)

壓力容器的無損檢測技術(shù)按照物質(zhì)的物理特性可分為滲透特性、輻射特性、聲學(xué)特性、電磁特性以及熱學(xué)特性等五大類。

2.1滲透檢測技術(shù)

滲透檢測技術(shù)是利用毛細(xì)管作用原理檢查表面開口性缺陷的無損檢測方法。其簡單原理是將滲透性很強(qiáng)的滲透劑滲進(jìn)材料表面缺陷內(nèi)，然后用一種特殊方法或介質(zhì)再將其吸附到表面上來，以顯示出缺陷的形狀和部位。滲透檢測的優(yōu)點(diǎn)是可檢查非材料，如奧氏體不銹鋼、銅和鋁等，以及非金屬材料的各種表面缺陷，可發(fā)現(xiàn)表面裂紋、分層、氣孔、疏松等缺陷，不受缺陷形狀和尺寸的影響，不受材料組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的限制。但是滲透檢測在檢測表面太粗糙的材料時(shí)易造成假象，降低檢測效果，而且粉末冶金零件或其他多孔材料不宜采用。

滲透檢測在檢測表面微細(xì)裂紋時(shí)，其靈敏度要比射線檢測高，還可用于檢測非鐵磁性材料等磁粉法無法應(yīng)用到的部位。

2.2射線檢測技術(shù)

射線檢測是較準(zhǔn)確而又可靠的無損檢測方法之一，它可檢驗(yàn)焊縫內(nèi)部缺陷，并直接顯示內(nèi)部缺陷的形狀、大小和性質(zhì)，便于缺陷的定性、定量和定位，并可檢查幾乎所有的材料。射線照相底片還可留作永久性記錄。常用的射線檢測方法有X射線和γ射線、中子射線照相法、X射線熒光屏觀察法、X光工業(yè)電視探傷和高能加速器X射線照相法。

射線對(duì)物質(zhì)具有較強(qiáng)的穿透能力，射線在貫穿物質(zhì)的過程中由于與物質(zhì)相互作用，強(qiáng)度逐漸減小，即引起衰減。當(dāng)射線貫穿不同厚度、不同物質(zhì)的材料時(shí)衰減的程度不同。當(dāng)焊縫內(nèi)部有氣孔、夾渣、裂紋等缺陷時(shí)，缺陷內(nèi)的氣體或非金屬夾物等對(duì)射線的吸收能力要比鋼材小得多，所以引起射線強(qiáng)度衰減的程度與無缺陷部位不同，從而使膠片燭光程度不同，反映在照相底片或熒光屏上的影像黑度也不同，而顯現(xiàn)出較黑的缺陷圖像。當(dāng)焊縫中存在夾鎢缺陷時(shí)，由于鎢對(duì)射線的吸收能力比鋼強(qiáng)，所以照相底片感光程度比鋼板部分弱，幫夾鎢缺陷呈白色。因此通過對(duì)射線檢測底片的觀察，便可發(fā)現(xiàn)并判斷缺陷的大小、性質(zhì)及分布情況。

在現(xiàn)場，X射線檢測技術(shù)主要用于板厚較小的壓力容器對(duì)接焊縫內(nèi)部埋藏缺陷的檢測，因?yàn)楸“宀捎贸暀z測有一定難度，而采用射線檢測不需要太高的管電壓。射線檢測也常用于在用壓力容器檢驗(yàn)中對(duì)超聲檢測發(fā)現(xiàn)缺陷的復(fù)驗(yàn)，以進(jìn)一步確定這些缺陷的性質(zhì)，為缺陷返修提供依據(jù)[3]。

2.3超聲檢測技術(shù)

超聲檢測也是壓力容器檢驗(yàn)中廣泛使用的無損檢測方法之一，它不僅可以檢測焊縫內(nèi)部的質(zhì)量，而且還可檢驗(yàn)鋼板、鍛件和鋼管等的內(nèi)部質(zhì)量。

超聲波是超出人聽覺范圍的高頻率機(jī)械振動(dòng)波，超聲波是頻率很高，波長很短的機(jī)械波，其方向性很強(qiáng)，有類似光一樣的良好方向性。超聲波在同一均勻介質(zhì)中傳播時(shí)速度不變，傳播方向不變，如果傳播過程中遇到另一種介質(zhì)，就會(huì)發(fā)生反射、折射、繞射的現(xiàn)象[4]。該方法具有檢測靈敏度高，穿透能力強(qiáng)，缺陷定位比較準(zhǔn)確，缺陷檢出率高，檢測速度快，成本低的優(yōu)點(diǎn)。

超聲波檢測方法按原理可分為脈沖反射法、穿透法和共振法。脈沖反射法是以極短的持續(xù)時(shí)間發(fā)射脈沖超聲波到被檢工件內(nèi)，根據(jù)反射波的情況來檢測工件缺陷的方法。穿透法是根據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透工件之后的能量變化來判斷缺陷情況的檢測方法。共振法常用于工件測厚。此外，根據(jù)超聲波類型，還分為縱波法、橫波法、表面波法和板波檢測法。

2.4磁粉檢測技術(shù)

磁粉檢測是檢查鐵磁性材料（例如鐵、鎳及其合金）表面或接近表面缺陷的一種檢驗(yàn)方法。檢測時(shí)，將待檢的焊件磁化后，磁力線就形成均勻的平行直線形式分布。如果焊件表面或淺層存在缺陷，如裂紋、夾渣、氣孔等，磁力線就將繞過磁導(dǎo)率低的空穴發(fā)生磁力線的彎曲，部分磁力線還會(huì)泄漏到外部空間形成漏磁通。在材料表面撒上一層磁粉或磁粉懸浮液，則在缺陷部位漏磁場處的鐵粉被吸引而發(fā)生聚集。根據(jù)鐵粉聚集的部位，大小和形狀可直接判斷缺陷的部位和大小。如果是線性缺陷且與磁力線平行，漏磁現(xiàn)象不明顯，磁粉堆積也不多，缺陷不易被發(fā)現(xiàn)。只有磁力線與缺陷的方向垂直，才產(chǎn)生最大漏磁現(xiàn)象，此時(shí)檢測的靈敏度最高。

為檢測出各種不同方向的線性缺陷，在探傷時(shí)至少要對(duì)被測表面進(jìn)行兩個(gè)相互垂直方向的磁化。利用旋轉(zhuǎn)磁場探傷機(jī)，一次磁化可發(fā)現(xiàn)各個(gè)方向上的缺陷，能顯著提高探傷效率。

磁粉檢測技術(shù)按磁化方法不同主要可分為通電法、支桿法、穿棒法、線圈法、磁軛法、感應(yīng)電流法、復(fù)合磁化法。主要應(yīng)用于對(duì)鐵磁性材料表面及近表面缺陷的檢測，包括鋼管表面、高壓緊固件、焊縫表面、焊縫坡口表面及其熱影響區(qū)等。它的特點(diǎn)是相比其它探傷方法，對(duì)表面缺陷的靈敏度最大，而且操作簡便，結(jié)果可靠。

2.5渦流檢測

渦流檢測是無損檢測方法之一，利用導(dǎo)電材料的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，通過測量感應(yīng)量的變化進(jìn)行無損檢測的方法。渦流檢測速度快，特別適合管、棒材的檢測，對(duì)于表面和近表面缺陷有較高的靈敏度，可對(duì)大小不同的缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)，能在高溫狀態(tài)下進(jìn)行探傷，可用于異形材和小零件的檢測，不僅適用于導(dǎo)電材料的缺陷檢測，而且可檢測材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、熱處理狀況、硬度和幾何尺寸等。

對(duì)于在用壓力容器，渦流檢測主要用于換熱器、換熱管的腐蝕狀態(tài)檢測和焊縫表面裂紋檢測。檢測采用內(nèi)穿過式探頭，非鐵磁性換熱管采用常規(guī)渦流檢測技術(shù)，鐵磁性換熱管采用遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)，以檢測換熱管內(nèi)外部腐蝕引起的穿孔、蝕坑以及壁厚均勻減薄等缺陷。

2.6聲發(fā)射

材料或結(jié)構(gòu)受外力和內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。發(fā)射彈性波的位置（缺陷）稱為聲發(fā)射源。聲發(fā)射檢測是一種動(dòng)態(tài)無損檢測方法，而且，聲發(fā)射信號(hào)來自缺陷本身，因此，用聲發(fā)射法可以判斷缺陷的嚴(yán)重性。一個(gè)同樣大小、同樣性質(zhì)的缺陷，當(dāng)它所處的位置和所受的應(yīng)力狀態(tài)不同時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的操作程度也不同，所以它的聲發(fā)射特征也有差別。明確了來自缺陷的聲發(fā)射信號(hào)，就可以長期連續(xù)地監(jiān)視缺陷的安全性，這是其它無損檢測方法所不具有的。

聲發(fā)射技術(shù)用于檢測在用壓力容器可能存在的活動(dòng)性缺陷，也可用于對(duì)已知缺陷進(jìn)行活性評(píng)價(jià)。聲發(fā)射檢測特點(diǎn)是必須在檢測過程中對(duì)壓力容器進(jìn)行加載，常用的加載方法為壓力容器停止運(yùn)行后進(jìn)行的水壓或氣壓試驗(yàn)，也可直接用工作介質(zhì)進(jìn)行加載。對(duì)活動(dòng)性缺陷，在加載過程中用多個(gè)聲發(fā)射傳感器對(duì)壓力容器殼體進(jìn)行整體監(jiān)測，以發(fā)現(xiàn)活性聲發(fā)射源，然后通過活性聲發(fā)射源進(jìn)行表面和內(nèi)部缺陷檢測，排除干擾源，發(fā)現(xiàn)壓力容器上存在的缺陷。

2.7超聲波衍射時(shí)差法（TOFD）

衍射時(shí)差法是一種依靠從待檢試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)（主要是指缺陷）的“端角”和“端點(diǎn)”處得到的衍射能量來檢測缺陷的方法。目前國內(nèi)一些新建大型化工項(xiàng)目內(nèi)應(yīng)用有許多。TOFD檢測設(shè)備由于受到探頭行走裝置的限制，被檢設(shè)備焊道兩側(cè)150mm范圍內(nèi)需要打磨光滑，且需要耦合劑，一般需要兩人配合操作。

超聲波衍射時(shí)差法操作方便，作業(yè)時(shí)間不受限制，檢出缺陷效率高，容易檢出方向性不好的缺陷，可以檢測較厚設(shè)備焊接接頭，可以識(shí)別向表面延伸的缺陷。如果和脈沖反射法相結(jié)合時(shí)效果更好。但是在外表面附近有約3mm的盲區(qū)，而且內(nèi)表面附近也可能存在盲區(qū)，超聲波衍射時(shí)差法對(duì)噪聲敏感。

2.8紅外檢測

許多高溫壓力容器內(nèi)部有一層珍珠巖等保溫材料，以使壓力容器殼體的溫度低于材料的允許使用溫度，如果內(nèi)部保溫層出現(xiàn)裂紋或部分脫落，則會(huì)使壓力容器殼體超溫運(yùn)行而導(dǎo)致熱損傷采用常規(guī)紅外熱成像技術(shù)可以很容易發(fā)現(xiàn)壓力容器殼體的局部超溫現(xiàn)象。壓力容器上的高應(yīng)力集中部位在經(jīng)大量疲勞載荷后，如出現(xiàn)早期疲勞損傷，會(huì)出現(xiàn)熱斑跡圖象。壓力容器殼體上疲勞熱斑跡的紅外熱成像檢測可以及早發(fā)現(xiàn)壓力容器殼體上存在的薄弱部位，為以后的重點(diǎn)檢測提供依據(jù)。

3.總結(jié)

壓力容器是具有爆炸危險(xiǎn)的承壓設(shè)備，在運(yùn)行中一旦發(fā)生泄漏或爆炸，將發(fā)生災(zāi)難性的事故。為此，本文分析總結(jié)了壓力容器檢驗(yàn)中常用的無損檢測技術(shù)，并對(duì)各檢測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，針對(duì)不同的設(shè)備選擇不同的無損檢測技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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