壓力容器接管角焊縫超聲波檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備

田金元

摘要：壓力容器是一種密閉設(shè)備，其內(nèi)部因裝有液體或氣體而具有一定的壓力。按TSG R0004-2009 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定，壓力容器的分類先按介質(zhì)的毒性和爆炸程度劃分，再按照壓力和容積劃分。

關(guān)鍵詞：壓力容器；接管角；焊縫；超聲波；檢測(cè)技術(shù)；設(shè)備

制造出的壓力容器經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的使用（承受交變應(yīng)力，低溫，腐蝕等環(huán)境影響），在局部產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)變化。在很多情況下會(huì)影響壓力容器的正常使用和使用壽命。在優(yōu)化壓力容器的設(shè)計(jì)和制造工藝的同時(shí)，我們必須對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的檢測(cè)，以確保生產(chǎn)的完全和高效。

1.超聲波檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備

超聲波是頻率高于20000Hz的機(jī)械波，其實(shí)質(zhì)為彈性介質(zhì)中一系列相關(guān)質(zhì)點(diǎn)的機(jī)械振動(dòng)。研究者用波長(zhǎng)λ，周期T，頻率f和波速v這些物理量來對(duì)機(jī)械波進(jìn)行描述。它們之間的關(guān)系可用式1表示：λ=v*T= v/f 。

因?yàn)槌暡ǖ念l率較高，而能量E與頻率f的平方成正比，所以其能量相當(dāng)大。超聲波在金屬材料中的穿透力強(qiáng)，傳播速度相當(dāng)快，衰減小。此外，超聲波還具有與光波相似性質(zhì)，如沿直線傳播（波長(zhǎng)短），干涉，衍射，在界面上的反射，折射等。

超聲波可以分為橫波，縱波，表面波和板波等。質(zhì)點(diǎn)受到交變拉壓應(yīng)力，相互之間產(chǎn)生伸縮變形，振動(dòng)方向與波的傳播方向相一致，產(chǎn)生了縱波；質(zhì)點(diǎn)受到剪切應(yīng)力的作用，振動(dòng)方向與波的傳播方向相垂直，產(chǎn)生了橫波。介質(zhì)的表面質(zhì)點(diǎn)受到交變應(yīng)力作用后做橢圓運(yùn)動(dòng)，波沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィa(chǎn)生了表面波。

超聲波檢測(cè)設(shè)備一般由試塊，探頭和超聲波檢測(cè)儀組成。

以下我們稍作介紹：不同溫度下，不同波形（橫波，縱波等）的波速v不同，在不同的介質(zhì)（密度，尺寸，彈性模量等）中也不同；超聲波在界面處會(huì)產(chǎn)生不同類型的反射與折射波，但始終遵循反射與折射定律，這種現(xiàn)象稱為波形轉(zhuǎn)換。當(dāng)?shù)谝唤橘|(zhì)的入射角小于第一臨界角時(shí)，在第二介質(zhì)中存在折射縱波和折射橫波，探傷不采用這一現(xiàn)象規(guī)律；當(dāng)入射角大于第一臨界角而小于第二臨界角時(shí)，在第二介質(zhì)中只存在折射橫波，這是設(shè)計(jì)斜探頭的理論依據(jù)，也是橫波檢測(cè)的基本條件；當(dāng)入射角大于第二臨界角時(shí)，第二介質(zhì)中既無折射縱波也無折射橫波，而存在表面波，這是設(shè)計(jì)表面波探頭的理論依據(jù)。

2.壓力容器接管角的超聲波檢測(cè)技術(shù)及相應(yīng)設(shè)備

在制造壓力容器的過程中，往往會(huì)涉及到接管與外殼的焊接。隨之產(chǎn)生的角焊縫狀態(tài)成為了判斷容器穩(wěn)定性的一項(xiàng)指標(biāo)。然其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使之成為檢測(cè)過程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。相比于縱環(huán)縫，更容易產(chǎn)生未焊透，條狀?yuàn)A渣等缺陷；容器開口處應(yīng)力集中，其峰值通常為基本應(yīng)力的數(shù)倍；工作過程中所受的熱疲勞和損傷較其他焊接部位嚴(yán)重。

愈來愈多的技術(shù)人員與科學(xué)家利用超聲波技術(shù)對(duì)壓力容器接管角的焊縫進(jìn)行系統(tǒng)全面的檢測(cè)，得到了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)出了相關(guān)的規(guī)律，為確立標(biāo)準(zhǔn)的探測(cè)方案奠定了較好的理論基礎(chǔ)。這里，參考鄒晶等人的研究，將其相關(guān)的檢測(cè)思路，現(xiàn)象規(guī)律和設(shè)備的部分工作過程作一個(gè)介紹。

超聲波檢測(cè)一般包括檢測(cè)前的準(zhǔn)備，實(shí)際檢測(cè)，缺陷評(píng)定，檢測(cè)結(jié)果的分級(jí)，記錄與報(bào)告等過程。

2.1利用橫波對(duì)接管角外壁（變曲率面）進(jìn)行檢測(cè)

從整體上看是一個(gè)變曲率面。探頭分別沿容器軸線，圓周面進(jìn)行掃查，這兩個(gè)過程可以類比于平板焊縫，容器縱縫的檢測(cè)。過渡區(qū)則比較復(fù)雜，我們需要界定屬于平面還是曲面。

相應(yīng)地，各個(gè)國(guó)家有不同的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)GB-11345，若壓力容器外圓半徑D/2≤W2/4，則為大曲率檢測(cè)區(qū)域；若D/2>W2/4，則為中等曲率檢測(cè)區(qū)，若聲程修正系數(shù)μ≤1.0時(shí)，則近似為平板檢測(cè)區(qū)。（總結(jié)）下面分別對(duì)前兩種區(qū)域的檢測(cè)進(jìn)行分析。

2.1.1大曲率檢測(cè)

通過CDK-1型或1B型試塊調(diào)整儀器掃波線，進(jìn)行探頭磨弧，隨后測(cè)量折射角與入射點(diǎn)。

然后用作圖法或曲線圖法對(duì)大曲率面內(nèi)可能存在的缺陷進(jìn)行定位檢測(cè)。

2.1.2中等曲率檢測(cè)

可以采用平板焊縫檢測(cè)的方法。但對(duì)于位于較厚焊縫深處的缺陷，依然需要用大曲率檢測(cè)的步驟（用試塊調(diào)整探測(cè)儀），或是在修正缺陷位置，按反射體深度h校準(zhǔn)掃波線的的條件下，沿用平板焊縫檢測(cè)的方法。

2.1.3接管內(nèi)部檢測(cè)

鄒晶等人研究了內(nèi)徑為80—200mm的馬鞍形角焊縫的管內(nèi)檢測(cè)。由于內(nèi)徑較小，無法進(jìn)行人工檢測(cè)。對(duì)此他們研制出了相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備。下面對(duì)該設(shè)備的一些工作過程進(jìn)行介紹。

①探頭的掃描過程由PC1500型計(jì)算機(jī)控制，內(nèi)部程序包含了所檢測(cè)容器以及接管角部位的尺寸參數(shù)，并設(shè)有探傷精確度的指標(biāo)，從而完成了全面，精確的探測(cè)任務(wù)。

②用三爪卡盤對(duì)掃查器進(jìn)行定心加緊，克服了粗糙、曲率與圓度誤差大內(nèi)壁環(huán)境劣勢(shì)。

③使用小直徑晶片的高頻鏡頭，滿足小焦點(diǎn)長(zhǎng)焦距聲場(chǎng)的要求。

④PC1500型計(jì)算機(jī)自動(dòng)獲取并儲(chǔ)存包含缺陷信息的信號(hào)（缺陷的位置和尺寸），自動(dòng)打印缺陷的俯視圖，側(cè)視圖和波幅圖。

2.1.4回波的評(píng)定和靈敏度的確定

根據(jù)GB11345-89中直探頭檢驗(yàn)等級(jí)及靈敏度，采用絕對(duì)靈敏度法設(shè)置采集的門檻值。

2.1.5 缺陷評(píng)定

利用該設(shè)備，可以通過兩種渠道來評(píng)定壓力容器的缺陷情況。一方面可以觀察熒光屏上顯示的檢測(cè)圖像；一方面可以根據(jù)上述的三幅圖進(jìn)行判斷。

3.結(jié)語

愈來愈多的技術(shù)人員與科學(xué)家利用超聲波技術(shù)對(duì)壓力容器接管角的焊縫進(jìn)行系統(tǒng)全面的檢測(cè)，得到了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)出了相關(guān)的規(guī)律，為確立標(biāo)準(zhǔn)的探測(cè)方案奠定了較好的理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄒晶，李錞，李生田.壓力容器接管角焊縫超聲波探傷.《焊接》1992（3）.