無損檢測技術(shù)在壓力容器檢測中的應(yīng)用研究

陳映余

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院順德檢測院，廣東 佛山 528300）

壓力容器的使用遍及我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個領(lǐng)域，特別是機(jī)械、石油、化工等工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)。因為壓力容器介質(zhì)一般具有高壓高溫等特征，壓力容器具有爆炸風(fēng)險性，對其造成破壞容易導(dǎo)致災(zāi)難發(fā)生。壓力容器所受到的應(yīng)力、本體材質(zhì)的力學(xué)性能及存在的缺陷是決定壓力容器失效與否的三個基本因素。在相當(dāng)一部分壓力容器安全事故當(dāng)中，壓力容器的焊接質(zhì)量問題是最直接最根本的原因之一。在壓力容器的制造和使用中，迫切需要一種可靠、安全的方法。采用無損檢測方法對焊縫進(jìn)行檢測和監(jiān)測，以檢查焊縫氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，防止惡性事故的發(fā)生。

無損檢測(nondestructive testing，NDT)，是在現(xiàn)代化儀器設(shè)備幫助下，能可靠靈敏地檢測出被檢測對象內(nèi)外的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)及其是否存在缺陷等等性能指標(biāo)的不會對被檢測對象造成物理傷害和化學(xué)改變的先進(jìn)技術(shù)。當(dāng)下傳統(tǒng)的NDT 技術(shù)主要包括超聲波、射線、磁粉、滲透、渦流等，這些技術(shù)各有所長，同時也存在它的局限性和短板。

超聲探傷法適合檢測表面與內(nèi)部缺陷，具有速度快、平面型缺陷靈敏高的特點；射線探傷法適用于內(nèi)部缺陷，檢測直觀，對體積型缺陷靈敏度高；磁粉探傷法適用于表面缺陷的檢測，且僅適用于磁鐵材料的構(gòu)件；滲透探傷法適用于表面開口缺陷，操作簡單；渦流探傷法適用于表面缺陷，適用于導(dǎo)體材料的構(gòu)件。

1 常用的無損檢測技術(shù)

1.1 超聲探傷法

超聲波作為一種無損檢測方法來探測物體內(nèi)部的缺陷和結(jié)構(gòu)出現(xiàn)于20 世紀(jì)20 年代后期。F.A.Firestone 的超聲脈沖檢測法的提出標(biāo)志著超聲用于探傷檢測的開始。1964 年，Krautkramer 公司成功研制出小型超聲探傷儀，其主要性能指標(biāo)取得了突破性進(jìn)展，標(biāo)志著近代超聲檢測技術(shù)的誕生。我國于1981 年12 月31 日，由第一機(jī)械工業(yè)部、化學(xué)工業(yè)部、石油工業(yè)部共同發(fā)布三部聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)《鍋爐與鋼制壓力容器對接焊縫超聲探傷》，此后，多個版本的新標(biāo)準(zhǔn)相繼面世，目前，該技術(shù)已成為一項成熟、經(jīng)典的基本技術(shù)。

目前，該技術(shù)的突破主要體現(xiàn)在自動化和信息化兩方面。自動化是指超聲探傷工業(yè)檢測機(jī)器人的研制，在容器內(nèi)部、管道內(nèi)部等檢測中發(fā)揮優(yōu)勢，具備驅(qū)動、數(shù)據(jù)存儲、檢測及控制等功能。李東升等通過實驗，首次引入掃描帶重疊系數(shù)的概念,建立了多探頭陣列式、多探頭旋轉(zhuǎn)式和單探頭旋轉(zhuǎn)反射鏡式檢測頭的不漏檢條件，設(shè)計了超聲智能爬機(jī)并對其測試技術(shù)進(jìn)行研究。信息化主要是對超聲數(shù)字信號處理軟件等信息化處理，莊圣賢等對超聲數(shù)字信號處理軟件固化進(jìn)行研究，為超聲數(shù)字化信號研發(fā)提出新方向。

1.2 射線探傷法

射線檢測，是利用射線在穿透物體時因被物質(zhì)粒子相互作用而產(chǎn)生強(qiáng)度衰減程度不同，對物體內(nèi)部宏觀情況進(jìn)行記錄的一種檢測方法。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)、安保等領(lǐng)域，是一種宏觀上無損的基礎(chǔ)檢測方法。壓力容器檢測中多使用X 或者γ 射線，由于穿透后射線強(qiáng)度衰減程度的不同，膠片感光的程度產(chǎn)生差異，即可對缺陷進(jìn)行分辨和判斷。

射線探傷技術(shù)在國內(nèi)起步較晚，1959 年上海探傷機(jī)廠成功研發(fā)中國的第一臺工業(yè)的探傷機(jī)；中國的X 射線特別是實時成像檢測系統(tǒng)、工業(yè)CT 等方面在進(jìn)入21 世紀(jì)后有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從而此檢測設(shè)備使用較為普遍，其中在X 射線機(jī)和r 射線機(jī)的性能及結(jié)構(gòu)方面都有較大的變化。

但是X 線探傷機(jī)具有輻射及泄漏的危險，故目前的研究除了致力于X 線檢測輔助裝置、實時檢測系統(tǒng)等方面外，對其安全性的研究更為重要。中北大學(xué)的索丹分析研究了建立便攜式X 射線機(jī)硬件環(huán)境中特別是無線遠(yuǎn)程系統(tǒng)設(shè)計中遇到的關(guān)系到對人身是否安全、控制和檢測是否及時以及所得結(jié)果是否可靠等問題，為X 線探傷機(jī)的安全性研究提供了思路。

1.3 滲透探傷法

滲透檢測是一種以毛細(xì)作用原理為基礎(chǔ)的檢查被檢測對象表面開口缺陷的無損檢測方法。其原理就是在被檢測對象表面施涂含有熒光染料或著色染料的滲透劑后，經(jīng)過特定時間的毛細(xì)作用下，表面開口缺陷里面便存儲了足量的染料，在去除多余滲透劑并干燥后再施涂吸附介質(zhì)——顯像劑，使開口缺陷中殘留的滲透劑回滲到顯像劑中，這樣缺陷的形態(tài)就能在合格的光源下顯示出來。滲透檢測最早在19 世紀(jì)末期應(yīng)用于鐵道車軸、車輪、車鉤，所用的滲透劑是稀釋了重滑油的煤油。從20 世紀(jì)30 年代到40 年代初期，美國工程技術(shù)人員斯威策（R.C.Switzer）等人進(jìn)一步發(fā)明了熒光滲透劑，第二次世界大戰(zhàn)期間在軍工檢測中被廣泛運用。

中國在20 世紀(jì)前半世紀(jì)當(dāng)中主要使用以煤油+機(jī)油為滲透劑的主要載體，軍工領(lǐng)域和機(jī)械領(lǐng)域使用的滲透檢測材料主要從蘇聯(lián)引入應(yīng)用于產(chǎn)品的檢驗；直到60 年代初，熒光滲透檢測才被航空工業(yè)使用，染料基礎(chǔ)使用熒光黃，進(jìn)入21 世紀(jì)之后，國產(chǎn)滲透劑在質(zhì)量及靈敏度方面獲得大幅度的提高，主要應(yīng)用領(lǐng)域在壓力容器、航空航天、管道等。

滲透檢測不受被檢對象化學(xué)成分限制，不受被檢對象結(jié)構(gòu)限制，也不受缺陷形態(tài)大小的限制，只需一次滲透便能同時檢查開口于表面的所有缺陷。但它的短板也很明顯，首先，靈敏度相對于磁粉檢測來說比較低，并且檢測步驟多、檢測所需時間長。其次，所能檢測只有存在于被檢對象表面的開口缺陷，無法檢查多孔材料，耗材價格較高且易燃有毒，儲存與使用過程中須采取保護(hù)措施。所以滲透檢測使用的實用性不高。

1.4 磁粉探傷法

鐵磁性材料對象在強(qiáng)磁場中被磁化后，在表面或近表面的不連續(xù)處磁導(dǎo)率變化的影響下，磁感應(yīng)線溢出被檢對象形成漏磁場，吸附施加在被檢對象表面的磁粉后，能形成合格光照下肉眼能見的磁顯痕跡，就是磁粉檢測技術(shù)的原理。磁粉檢測是壓力容器檢測中最常用的無損檢測技術(shù)之一，可檢測出鐵磁性材料表面和近表面的缺陷并能很直觀的顯示出來，靈敏度高，可檢測微米級寬度的缺陷，耗材成本價格低廉，單個工件檢測速度快，工藝簡單。但是局限性在于它只適用于鐵磁性材料，受被檢對象幾何形狀的影響容易產(chǎn)生偽缺陷，無法檢測內(nèi)部缺陷。

導(dǎo)線通電能產(chǎn)生磁效應(yīng)在1820 年由丹麥的奧斯特（H.C.Oersted）發(fā)現(xiàn)，而磁粉檢測是1918 年在美國第一次被使用；磁粉檢測引入到工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域是在1930 年由德國的福斯特完成的；1933 年至1947 年間，隨著科技的發(fā)展，漏磁檢測的理論及技術(shù)被研究成功。我國磁粉檢測技術(shù)在60年代開始發(fā)展，第一臺磁粉探傷機(jī)就是這個時期開始仿制，進(jìn)入到70 年代，我國開始對磁粉檢測半自動化及其輔助裝置方面進(jìn)行優(yōu)化，并同時大量運用于工業(yè)領(lǐng)域；上世紀(jì)90年代初，北京航空材料研究所鄭文研發(fā)制造出了國產(chǎn)熒光磁粉并迅速推廣帶航空機(jī)械領(lǐng)域；到了21 世紀(jì)以后，我國在半自動化、自動化磁粉探傷設(shè)備方面的研發(fā)快速發(fā)展，例如采用CCD 攝像記錄及自動爬行器等，配套的輔助配件也有了較快的更替于發(fā)展，例如黑光燈、標(biāo)準(zhǔn)試塊、靈敏度試片等。

目前國內(nèi)常規(guī)磁粉檢測是最常用的表面檢測之一，能直觀的顯示缺陷，但由于工藝關(guān)系無法自動化與批量化，導(dǎo)致工作效率較低，同時人為觀察漏檢可能性較大。

2 結(jié)語

綜上，應(yīng)用于壓力容器檢測中的常規(guī)無損檢測技術(shù)基礎(chǔ)原理已經(jīng)基本成熟，未來新技術(shù)的發(fā)展在于傳感精度的提升及計算分析技術(shù)的發(fā)展，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能的發(fā)展、第五代移動通訊及大數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用等。