谈压力容器测厚值异常的原因

邢国强 张广兴

作者通联：河北省电力研究院 河北石家庄市 050021

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容器壁厚在使用一定年限以后必然会减薄，当壁厚减薄到一定程度时，就会给安全生产造成威胁。如果是盛装易燃、易爆或者是有毒介质的压力容器，其危害性就更大。因此，厚度测量是在用压力容器检验中最常见的检测项目。

超声波测厚仪是最常用的厚度测量仪器，其示值是判断压力容器壁厚腐蚀状态的主要依据。在实际检验中，厚度测量值波动较大，经常出现异常值，造成错误的结论和处理。所以，测厚异常值的判断及处理，对在用压力容器使用状况的正确诊断意义重大。

一、超声测厚值异常显示现象

（1）一次对某电厂低压加热器安装前的测厚检验中，发现一个筒体短节有大面积厚度减薄现象。该容器壁厚设计值为30mm，但绝大多数测点示值为14～15mm。由于该容器还未投入运行，排除了腐蚀和冲刷等因素，用双晶片探头进行了超声波探伤复核，未发现有较大面积夹层的存在。

（2）某电厂A级检修对低压加热器进行壁厚检验时，发现容器气室封头有一面积为500mm×300mm的厚度减薄区。该容器的设计厚度为12mm，实测最小壁厚3.45mm，小于最小理论计算壁厚，不能满足该容器的安全运行要求。用双晶片探头进行超声波探伤复核，确定该处壁厚确实减薄。割开封头（图1）进一步观察，发现减薄处内壁平滑均匀，经查阅图纸知，该封头壁厚减薄区正对疏水口，减薄为长时间疏水冲刷所致。

图1 汽室封头沿壁厚剖开照片

（3）在对某电厂除氧头进行测厚检验时，发现容器壁厚普遍小于设计壁厚值。容器的设计厚度为30mm，而测点示值均为20mm左右。查看资料后发现，该容器为复合材料制作，由于声波在不同材料中的传播速度不一样，从而对测厚示值产生了影响。

二、测厚示值异常原因分析

超声测厚的工作原理是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。

容器中的宏观、微观缺陷一旦达到一定面积（尺寸），足以使反射信号被仪器接受并显示时，就会反映出缺陷所在部位的厚度（深度）。由于超声波在传播过程中路径发生变化，如折射或产生波形变换，有时就会产生“增值”或其他变化，从而引起失真。因此，在排除因仪器本身、探头和工件表面接触以及使用操作等因素的影响外，示值异常的直接原因就是被测工件本身了。

（1）材料传播声速的不同会产生不同的结果。声波在不同的材料中传播速度是不一样的，根据超声波测厚原理可知，其显示的结果必然不一样。因此，在测量前一定要查清被测物是哪种材料，从而选择合适的声速进行测量。

（2）晶粒各向异性对声波传播的影响。正常结晶状态下，金属材料具有统计性的各向同性。由于结晶时的条件不同，也有可能使结晶方向有序和定向，或在压延拉伸时使晶粒变形，从而使声波的传播速度、路径及方向发生变化，产生散射、折射、绕射及波形转换等，这些变化被仪器接收并放大，即产生示值的变化和异常显示。

（3）材料中的夹杂物对超声波传播的影响。被测材料中的夹杂物、非金属也会使声波传播路径、方向和速度发生变化。如硫化物、氮化物或其他类型夹渣等，这些夹杂物在钢材轧制时被碾平，极易使声波产生反射和折射，从而使测厚示值发生变化。

（4）铸件、奥氏体钢因组织不均匀或晶粒粗大，超声波在其中穿过时产生严重的散射衰减，被散射的超声波沿着复杂的路径传播，有可能使回波淹没，造成不显示或异常显示。因此，可选用频率较低的粗晶专用探头（2.5MHz）。

（5）金属表面氧化物或油漆覆盖层的影响。金属表面产生的致密氧化物或油漆防腐层，虽与基体材料结合紧密，无明显界面，但声速在两种物质中的传播速度是不同的，从而造成误差，且随覆盖物厚度不同，误差大小也不同。

（6）温度的影响。一般固体材料中的声速随其温度升高而降低，有试验数据表明，热态材料每增加100℃，声速下降1%。对于高温在役设备常常碰到这种情况。

（7）层叠材料、复合（非均质）材料。要测量未经耦合的层叠材料是不可能的，因超声波无法穿透未经耦合的空间，而且不能在复合（非均质）材料中匀速传播。对于由复合材料包扎制成的设备（如除氧头），测厚时要特别注意，测厚仪的示值仅表示与探头接触的那层材料厚度。

（8）被测压力容器内有沉积物，当沉积物与容器声阻抗相差不大时，测厚仪显示值为壁厚加沉积物厚度。

（9）材料合金成分的偏析对超声波性能的影响。液态金属结晶时所产生的化学成分和非金属夹杂物的不均匀现象统称为偏析，如区域偏析、晶内偏析等。而所有偏析均会使声波在材料中的传播发生变化，从而使测厚示值发生变化。

（10）耦合剂的影响。耦合剂是用来排除探头和被测物体之间的空气，使超声波能有效地穿入工件达到检测目的。如果选择种类或使用方法不当，将造成误差或耦合标志闪烁，无法测量。应根据使用情况选择合适的种类，当使用在光滑材料表面时，可以使用低黏度的耦合剂；当使用在粗糙表面、垂直表面及顶表面时，应使用黏度高的耦合剂。高温工件应选用高温耦合剂。其次，耦合剂应适量使用，涂抹均匀，一般应将耦合剂涂在被测材料的表面，但当测量温度较高时，耦合剂应涂在探头上。

（11）工件内部有氢腐蚀。在测定临氢介质的压力容器壁厚时，如果发现壁厚“增值”，应考虑氢腐蚀的可能性。氢腐蚀是指高温下氢和钢中的渗碳体发生还原反应生成甲烷而导致沿晶界的腐蚀。甲烷的形成使晶界产生大量的微裂纹，并相应地有明显的脱碳，使超声波的衰减、声速受到影响，晶粒与晶粒间的缝隙会迫使超声波的传播路线改变、声程加大，从而使测厚仪上的显示值大于实际厚度。

（12）被测物背面有大量腐蚀坑。由于被测物另一面有锈斑、腐蚀凹坑，造成声波衰减，导致读数无规则变化，在极端情况下甚至无读数。因此应增加测点数量或者观察被测物背面的腐蚀状况。

（13）测厚仪性能对超声波在某些材料中传播的影响。当测厚仪的灵敏度较高或探测频率较高时，内应力较大、冷变形硬化及未经回火的淬火钢，都会引起超声波的异常反射，影响示值。这类似于超声波探伤时的簇射波、鳞状波、应力波等。

（14）某些缺陷对超声波传播的影响。材料中的其他缺陷，如微裂、疏松等，也会产生超声波的异常反射或波形转换，影响声波的传播。

以上分析只是超声波测厚中引起异常显示原因的粗浅分析。在实际检验中，情况千变万化，声波在介质中的传播理论也比较复杂。只有结合实际情况分析原因，才能得到正确可靠的测厚数据。