壓力容器定期檢驗中超聲檢測方法的組合應用

陳劉輝

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院三明分院，福建三明 365000）

1 壓力容器定期檢驗

壓力容器定期檢驗作為保障容器安全運行的關鍵措施，發揮了非常重要的作用。容器的定期檢驗中，容器本體的檢驗一般采用宏觀檢查、壁厚測量和表面缺陷檢測的方法進行。但是對于盛裝有毒、有害介質的容器，埋藏缺陷的檢測和監控對于容器安全狀況的評定必不可少。超聲波檢測作為一種高靈敏度、高效率的檢測方法以及其不斷發展成熟的新方法、新工藝，在容器的定期檢驗中得到了廣泛應用。本文主要介紹壓力容器定期檢驗中，脈沖反射式超聲檢測和衍射時差法超聲檢測的組合應用。

2 超聲檢測方法的介紹

超聲檢測方法分類方式有多種。按原理分類，可分為脈沖反射法、衍射時差法、穿透法和共振法；按顯示方式分類，可分為A 型顯示和超聲成像顯示（細分為B、C、D、S、P 型顯示）；按波形分類可分為橫波法、縱波法、表面波法、爬波法和板波法等。每個具體的檢測方法都是不同分類方式的組合，每種檢測方法都有其優點和局限性，根據檢測對象的特性選擇不同的檢測方法，或者利用兩種以上方法的組合應用，來實現優勢互補。

超聲檢測方法很多，應用比較多的有脈沖反射式超聲波檢測方法、衍射時差法超聲檢測、超聲相控陣檢測技術等。各種檢測方法都有優缺點。脈沖反射式超聲檢測方法無法直觀地顯示缺陷的位置和記錄缺陷，其檢測結果受人為因素的影響較大，大多時候對缺陷的危害性判斷需要非常豐富的檢測經驗。但是這種方法的檢測效率很高，檢測成本較低，檢測盲區較小。衍射時差法超聲檢測技術的局限性在于檢測面和底面存在較大的盲區，對橫向缺陷的檢測不可靠。這種不可靠的產生主要是由于橫向條形缺陷或面狀缺陷在衍射時差法超聲檢測非平行掃查圖像中的顯示很容易被誤判為點狀缺陷。當然衍射時差法超聲檢測有其獨特的優越性，主要表現在檢測結果可以形成圖像記錄并保存、檢測靈敏度高、對缺陷高度和深度的測量精度高。

3 超聲檢測技術在容器定期檢驗中的應用現狀

壓力容器大都是將金屬材料通過焊接的方法制成的，而焊接質量對容器的制造質量起到關鍵性作用，所以對焊縫的無損檢測尤為重要。目前對埋藏缺陷檢測用得較多的方法有射線檢測、脈沖反射式超聲檢測、衍射時差法超聲檢測等。衍射時差法超聲檢測技術近年來在我國得到了迅速的發展，國家能源局于2010年8月27日發布了NB/T47013.10-2010《承壓設備無損檢測》第10部分：衍射時差法超聲檢測，該標準于 2010年12月15日實施。TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》中規定壓力容器的對接接頭應當采用射線檢測或者超聲檢測，超聲檢測包括衍射時差法超聲檢測（TOFD）、可記錄的脈沖反射法超聲檢測和不可記錄的脈沖反射法超聲檢測；當采用不可記錄的脈沖反射法超聲檢測時，應當采用射線檢測或者衍射時差法超聲檢測作為附加局部檢測。

4 容器定期檢驗中超聲檢測方法組合應用

盛裝有毒、有害介質的壓力容器，出于對成本和安全考慮以及一些生產中無法停機檢驗的容器，在定期檢驗中埋藏性缺陷的檢測可以通過采用衍射時差法超聲檢測和脈沖反射式超聲檢測技術的組合應用來實現。

在對一臺厚度為22mm 的150m3氮氣儲罐的檢驗中，由于生產需要，使用單位無法停機檢驗，查閱了生產資料后，發現制造時對焊縫進行了100%的射線檢測，射線檢測記錄顯示存在部分氣孔和一處條形夾渣缺陷，夾渣的長度為5mm，缺陷的高度沒有體現。針對這一結果，該設備的檢驗，除了常規的檢驗項目外，還應該關注制造時存在缺陷的部位，制造缺陷是否在運行過程中產生了擴展對評定該設備的安全狀況十分重要。

采用衍射時差法超聲檢測和脈沖反射法超聲檢測組合應用，對有缺陷部位和應力集中部位進行埋藏性缺陷的檢測，衍射時差法超聲檢測布置如圖1所示，檢測圖譜如圖2所示。

圖1 衍射時差法超聲檢測布置示意圖

圖2 缺陷圖譜示意圖

檢測結果中點狀顯示數量略多于射線檢測，條形缺陷深度為17.2mm，長度為5.9mm，高度為1.5mm。將衍射時差法超聲檢測結果與射線檢測記錄對比，檢測結果基本吻合。但是由于衍射時差法是通過傳播時間來判斷缺陷的深度和高度的，經過衍射時差法超聲檢測發現的條形缺陷只能初步判定是射線底片上的條形夾渣，并不能完全確定，主要是因為以下2點。

1）衍射時差法有兩種掃查方式，即平行掃查和非平行掃查。由于平行掃查需要將焊縫磨平，本次檢測采用非平行掃查方式，這種掃查方式一般是在對焊縫整體掃查時使用的，非平行掃查采用偏置和對中掃查，圖2為對中掃查發現的缺陷圖譜，圖3為向上偏置掃查圖譜，圖4為向下偏置掃查圖譜，雖然理論上可以通過偏置掃查來初步確定缺陷的橫向位置，但是受到探頭參數、偏置距離以及缺陷位置的影響，有些缺陷的具體位置難以確定，如圖3和圖4所示缺陷的位置基本沒有變化，可以初步判斷缺陷可能位于焊縫的中心附近，但是要確定缺陷的準確位置還需要通過缺陷的深度等信息來綜合判斷。如果采用脈沖反射式超聲檢測，可以很快確定該缺陷在焊縫上的橫向位置和深度。

圖3 向上偏置掃查圖譜示意圖

圖4 向下偏置掃查圖譜示意圖

（2）由于衍射時差法存在一個等時橢圓線的關系（圖5），如果缺陷在焊縫中心則測量的深度是比較準確的，但是如果缺陷不在焊縫中心，此時測量缺陷的深度就存在一定的偏差，這也增加了對缺陷定位的難度。

圖5 衍射時差法存在一個等時橢圓線的關系示意圖

衍射時差法超聲檢測技術的檢測面和底面存在較大的盲區，本次檢驗所用參數試塊上實測得到檢測面盲區高度約為2mm，底面盲區高度理論計算值3.9mm，當然檢測面盲區高度是在偏置掃查的情況下得到的，試塊表面耦合情況較好，現場檢測時檢測面的耦合條件較差。加之其對橫向缺陷顯示的局限性，所以需要通過脈沖反射式超聲檢測方法來彌補這些局限性，從而提高檢測結果的可靠性。本次脈沖反射式超聲檢測采用一次反射法和斜掃查2種掃查方法，探頭型號：2.5P9×9K2，檢測結果顯示缺陷位于焊縫中心，且缺陷的深度與衍射時差法測量所得到的深度基本相同，最終確定了該缺陷與射線檢測得到的缺陷是同一個。結合脈沖反射式超聲檢測法的應用，不僅減小了底面檢測盲區，而且運用斜平行掃查進一步對焊縫的橫向裂紋進行了檢測，從而提高了檢測可靠性。

容器定期檢驗中采用衍射時差法超聲檢測技術一個很重要的意義是對焊縫已經存在的內部缺陷進行檢測，通過檢測結果來判斷缺陷的危害性，了解缺陷是否在運行過程中產生了擴展。當然缺陷的擴展必然是朝裂紋方向發展，所以了解裂紋的顯示特征非常重要。裂紋是面積型缺陷，圖像顯示最明顯的特征是有上下端點衍射信號且信號的相位相反，上端點信號相位與直通波相反，下端點信號相位與直通波相同。當然信號相位的觀察是在信號波幅相差不大的情況下。制造時焊接產生的裂紋上下端點一般都不太規則，在深度平面上很少是一條直線，但也有一些焊接過程中產生的裂紋，上端點被后面的焊接所熔化，因此看上去上端點可能比較平直。對于脈沖反射式超聲檢測而言，定性是個難點，需要非常豐富的經驗。一般情況下裂紋的波幅較高且波形不平滑有時成雙波峰狀，探頭轉動時波幅逐漸降低。超聲檢測對于焊接缺陷的定性較為復雜，需要結合焊接工藝、檢測工藝、缺陷位置、圖像或波形特征等各方面因素綜合評定。

5 組合應用的優點和局限性

兩種方法組合應用的優點如下。

（1）靈敏度高，提高了缺陷檢出率。

（2）可以精確計算出缺陷的高度，為后期擴展的監測提供依據。

（3）檢測結果可以直接生成圖像，直觀且可以永久保存。

（4）減小上下表面盲區。

（5）準確定位缺陷位置，為缺陷的定性提供參考。

當然兩種方法的組合應用也存在局限性，主要表現在以下2點。

（1）對晶粒較粗和各向異性的材料檢測難度大。

（2）對缺陷定性較困難，檢測人員的技術水平要求較高。

6 結語

壓力容器定期檢驗主要是在使用一定時間后對容器的安全狀況進行檢查，所以對制造時焊縫埋藏缺陷的高度進行監控就顯得尤為重要。射線檢測對缺陷高度的測量誤差較大，影響因素較多。衍射時差法超聲檢測對缺陷高度的測量精度很高，而且可以實現檢測結果的長期保存。所以衍射時差法超聲檢測技術對埋藏性缺陷的監控是有效的。通過與上次定期檢驗中缺陷高度的比較，可以判斷缺陷的擴展及危害。這為容器的安全狀況評定和監控使用情況提供了參考和依據。而脈沖反射式超聲檢測方法的補充，很大程度上減少了衍射時差法超聲檢測的盲區，確定了缺陷的位置，結合衍射時差法超聲檢測圖譜為缺陷的定性提供了參考。衍射時差法超聲檢測和脈沖反射法超聲檢測的組合應用，為埋藏缺陷的檢測提供了可靠的方法。