大型壓力容器的超聲波無損檢測

徐麗潔 高小青 徐時恩

【摘 要】在對壓力容器缺陷類型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對壓力容器的超聲波檢測原理和方法進(jìn)行了介紹，詳細(xì)探討了壓力容器不同缺陷產(chǎn)生的回波波形和波幅。在對焊接過程中造成壓力容器缺陷的主要因素及回波形式加以介紹的基礎(chǔ)上，對超聲波檢測壓力容器缺陷時進(jìn)行定位和定量測量的影響因素加以分析，以便同行工作者能夠在今后的工作中加以借鑒，提高超聲波檢測壓力容器的測量精度。

【關(guān)鍵詞】壓力容器 超聲波 缺陷

隨著技術(shù)水平和的進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，大體積壓力容器使用越來越多。一旦壓力容器發(fā)生泄露，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和無法彌補(bǔ)的災(zāi)難性危害，還極有可能帶來嚴(yán)重的環(huán)境危害。因此，《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》強(qiáng)制規(guī)定：“壓力容器應(yīng)當(dāng)在投入使用前或滿3年時停機(jī)進(jìn)行全面檢驗(yàn)；下次的全面檢驗(yàn)周期，由檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)根據(jù)本次全面檢驗(yàn)結(jié)果按照有關(guān)規(guī)定確定”。無損檢測不會對被檢試件造成破壞，利用試件材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)異常或缺陷所引起的聲、光、電、磁等反應(yīng)來判斷被測試件的材料、零部件、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等是否發(fā)生或出現(xiàn)缺陷，并對產(chǎn)生的缺陷類型、數(shù)量、性狀、位置、尺寸等做出評價。隨著壓力容器使用的日益廣泛，無損檢測技術(shù)在壓力容器檢測中所起的作用也越來越重要。超聲波檢測是最常用的一種無損檢測手段，具有設(shè)備體積小、對操作人員無傷害、對容器缺陷可以進(jìn)行定性和定量分析以及方位判斷、對于大體積的厚壁的容器可以靈活的進(jìn)行等特點(diǎn)，本研究針對大體積壓力容器尺寸大、焊縫長、一般容器器壁較厚的特點(diǎn)，對使用超聲波技術(shù)對壓力容器各部位缺陷進(jìn)行無損檢測方法做一介紹。

1 壓力容器缺陷類型

壓力容器的缺陷包括表面缺陷和內(nèi)部缺陷兩大類，表面缺陷可以直接觀察到，內(nèi)部缺陷主要是焊接缺陷和材料本身的雜質(zhì)缺陷。壓力容器缺陷類型和產(chǎn)生原因如表1所示。

2 壓力容器超聲波檢測方法

超聲波檢測壓力容器過程中，主要有三種方法：一種是脈沖反射法，另一種是穿透法，還有一種是衍射時差法，各自原理如下。

2.1 脈沖反射法

脈沖反射法的檢測原理如圖1所示。

1-超聲波探頭；2-被檢工件；3-缺陷；4-顯示器

圖1 脈沖反射法原理圖

將脈沖振蕩器發(fā)生的電壓加到芯片上時，芯片發(fā)生振動，產(chǎn)生了脈沖超聲波，超聲波以5900m/s的速度在容器器壁內(nèi)部傳播，如果遇到缺陷，超聲波被部分反射，未遇到缺陷的聲波則直到器壁底面才發(fā)生反射，依據(jù)晶面接收到的反射回來的超聲波的先后時間以及強(qiáng)弱大小，可以對壓力容器器壁是否存在缺陷以及缺陷的大小、部位進(jìn)行判斷。

2.2 脈沖穿透法法

脈沖穿透法檢測原理如圖2所示。

1-超聲波探頭；2-被檢工件；3-缺陷；4-顯示器

此方法是將被檢工件兩側(cè)各放置一個超聲波探頭，一個用來發(fā)射超聲波信號，一個用來接收超聲波信號，依據(jù)接收到的超聲波信號的強(qiáng)弱，可以對是否存在缺陷以及缺陷的大小進(jìn)行判斷，不過該方法僅能進(jìn)行缺陷識別，不能進(jìn)行位置的判斷。

2.3 衍射時差法

衍射時差法的檢測原理如圖3所示。

當(dāng)超聲波在傳輸過程中遇到不同介質(zhì)時（如裂紋上），在裂紋尖端會出現(xiàn)超聲波振動效果，從而產(chǎn)生衍射波，采用合理的手段接收衍射波，利用幾何學(xué)原理和傳播時間就可以對裂紋尖端的位置和深度進(jìn)行測定。

3 脈沖反射法超聲波檢驗(yàn)的常見波形及缺陷類型

利用脈沖反射法對壓力容器進(jìn)行檢驗(yàn)是目前使用最多的一種超聲波檢驗(yàn)方法[5]，因此對脈沖反射法超聲波檢驗(yàn)的常見波形及缺陷類型進(jìn)行簡單介紹，以便檢測人員能夠根據(jù)波形特征對壓力容器的缺陷類型有一個初步了解。

3.1 單個小缺陷

如果容器內(nèi)部有一個單個的直徑較小小缺陷，則在顯示儀上表現(xiàn)出一個尖銳的單個回波，當(dāng)移動探頭的時候，波幅會經(jīng)歷一個逐漸增大并減小至零的過程。波幅變化如圖4所示。

3.2 單個大缺陷（表面光滑）

如果容器內(nèi)部有一個單個的具有一定長度和寬度的缺陷，則在顯示儀上表現(xiàn)出一個單獨(dú)尖銳回波，且當(dāng)探頭移動時，波幅會平穩(wěn)的由零增至最大值，出現(xiàn)一個穩(wěn)定平臺，然后又逐漸減小至零。波幅變化如圖5所示。

3.3 單個大缺陷（表面粗糙）

如果缺陷具有一定的長度和寬度，且表面粗糙不平，則在顯示儀上表現(xiàn)出一個鋸齒峰，且移動探頭時，波幅變化幅度較大；還有可能出現(xiàn)的一種形式是顯示儀上出現(xiàn)一個鐘形脈沖包絡(luò)形狀，表現(xiàn)為出現(xiàn)很多波峰，探頭移動時，每個波峰在脈沖包絡(luò)中移動，波幅由零增長至最大值，又逐漸減弱至零，且波幅變化較大。波幅變化如圖6和圖7所示。

3.4 密集型缺陷

當(dāng)有密集型缺陷的時候，顯示儀上出現(xiàn)一組密集缺陷回波，像多個單獨(dú)缺陷的集合，移動探頭時，波幅此起彼伏，高低不平。密集型缺陷的波幅變化圖如圖8所示。

4 焊縫的典型缺陷及其判斷

焊接質(zhì)量對壓力容器的質(zhì)量和安全影響很大，因此對焊縫中缺陷的類型和產(chǎn)生原因做一介紹，以便檢驗(yàn)工作者在今后工作中做出有效準(zhǔn)確判斷。

4.1 氣孔

焊接過程中吸收或反應(yīng)產(chǎn)生了氣體，在金屬冷卻前未及時逸出，從而殘留在焊縫中形成氣孔，是體積型缺陷，危害較小。其在超聲波檢驗(yàn)中表現(xiàn)為反射率高，波形陡直尖銳，如果是一群氣孔密集出現(xiàn)，則表現(xiàn)為一簇信號，波幅高低不平。如果大型容器是采用單面焊雙面成型工藝時，有可能出現(xiàn)的情況是密集氣孔呈鏈狀分布，形似“八”字，也就是我們常說的八字孔。在檢查過程中，要注意探頭應(yīng)與焊縫成一定夾角，以避免漏檢。

4.2 夾渣

夾渣表面粗糙，且有一定棱角，顯示儀上會出現(xiàn)寬度大且?guī)т忼X狀波形，波峰較圓潤，移動探頭時，信號滾動明顯，當(dāng)探頭旋轉(zhuǎn)時，波幅此起彼伏，從不同方向探測，波幅不同，平移探頭時，波幅有一定變化。

4.3 未焊透

如果在焊接過程中，由于操作不當(dāng)，發(fā)生未焊透的情況時，當(dāng)用超聲波檢測時會出現(xiàn)回波出現(xiàn)時間很快，形成矩形波形，且在焊縫兩側(cè)進(jìn)行檢測時，情況大致相同；沿著焊道移動探頭時，波幅變化不大，而當(dāng)探頭垂直焊縫轉(zhuǎn)動時，波形消失很快。

4.4 未熔合

當(dāng)未熔合發(fā)生在根部時，波形與單個氣孔的波形相似，不過為一連續(xù)波形。當(dāng)從焊縫兩側(cè)對未熔合部分進(jìn)行檢測時，兩側(cè)的波形各不相同，甚至僅能在一側(cè)檢測出異常現(xiàn)象。由于其方向性很強(qiáng)，因此選用不同K值的探頭，回波波幅相差較大。

4.5 裂紋

如果焊接過程中出現(xiàn)裂紋，則在超聲波檢測過程中的回波波幅寬且強(qiáng)，有多峰現(xiàn)象出現(xiàn)，探頭平移時，連續(xù)出峰，且波幅有一定變化；探頭轉(zhuǎn)動時，波峰出現(xiàn)位錯現(xiàn)象。

5 影響超聲波檢驗(yàn)的因素

在超聲波檢驗(yàn)過程中，有許多因素影響到檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此對這些因素做一個分析，以便檢驗(yàn)工作者提高定位、定量測量精度。

5.1 影響定位測量的因素

5.1.1 儀器的影響

主要是儀器水平線對缺陷定位影響較大，當(dāng)顯示儀水平線精度不準(zhǔn)時，缺陷定位的誤差較大；當(dāng)儀器水平線性不準(zhǔn)時，缺陷的定位誤差也較大。因此在進(jìn)行缺陷檢測時，首先要確保使用的超聲波儀器的精確度達(dá)到要求[7]。

5.1.2 探頭的影響

如果探頭性能不佳，有兩個主聲束被發(fā)出，則儀器自然無法檢測出缺陷是由那個聲束發(fā)現(xiàn)的，定位不可能準(zhǔn)確；如果聲束發(fā)聲后與中心線偏離，則缺陷定位無法做到精確；如果在操作過程中，探頭斜楔由于用力不當(dāng)出現(xiàn)磨損，當(dāng)斜楔前面磨損，則K值增大，反之，斜楔后面磨損，K值減少，都會影響到缺陷定位；探頭的半擴(kuò)角大小也會影響到缺陷定位，半擴(kuò)角越大，缺陷定位越不準(zhǔn)確。

5.1.3 工件影響

工件表面粗糙度、工件的材質(zhì)、表面形狀等都會影響到缺陷定位。表面越粗糙、曲率半徑越大，缺陷定位越難精確。

5.1.4 操作人員影響

由于操作人員的讀數(shù)誤差不完全相同，自然影響到缺陷定位準(zhǔn)確程度，此外，尤其需要注意針對不同的容器形狀需要選擇不同的缺陷定位方法，避免操作方法失誤，造成缺陷無法定位。

5.2 影響缺陷定量的因素

5.2.1 儀器和探頭性能的影響

超聲波儀器和探頭對缺陷定量影響很大，主要包括探頭形式、晶片尺寸、折射角大小和儀器的垂直線性、衰減器的精密程度、超聲波頻率等方面。因此在進(jìn)行超聲波無損檢測時，應(yīng)注意選擇適合的儀器和探頭。

5.2.2 試件幾何形狀的影響

如果試件的底面是凹曲面，則會使聲波聚集，回波波幅升高，如果試件底面是凸曲面，則會使回波發(fā)散，回波波幅減小，如果試件是圓柱實(shí)心體，從圓柱外表面向內(nèi)表面檢測時，由于圓柱面耦合性差于平面，因此雖然理論上應(yīng)該與平面回波相同，實(shí)際中往往是較平面回波弱。而如果試件的底面與探測面不能保證平行、有污物、粗糙時，往往也會造成底波下降，從而導(dǎo)致底波調(diào)節(jié)偏高，定量誤差變大[8]。

5.2.3 耦合與衰減的影響

如果試件晶粒度較大，尺寸較大時，應(yīng)測量試件的半衰期，以免由于聲波衰減過快造成定量分析不準(zhǔn)確；當(dāng)探頭與靈敏調(diào)節(jié)試塊與被探工件表面耦合不同時，測量精度下降；耦合劑的耦合層也會對缺陷定量分析有影響。

6 結(jié)語

（1）對大型壓力容器的超聲波檢測技術(shù)原理進(jìn)行了介紹，并對檢測過程中常見的缺陷類型和缺陷產(chǎn)生波形加以描述，以便超聲波檢測工作者更好的對壓力容器的缺陷狀態(tài)有一個了解；

（2）針對焊接過程中引起的缺陷類型和判斷方法進(jìn)行了介紹，并對檢測過程中的缺陷定位和定量影響因素加以分析，以便同行能更好的對壓力容器進(jìn)行準(zhǔn)確的檢驗(yàn)，保證生產(chǎn)安全。