压力容器接管角焊缝超声波检测技术和设备

2015-05-30田金元

中国机械 2015年9期

关键词：压力容器检测技术超声波

田金元

摘要：压力容器是一种密闭设备，其内部因装有液体或气体而具有一定的压力。按TSG R0004-2009 《固定式压力容器安全技术监察规程》的规定，压力容器的分类先按介质的毒性和爆炸程度划分，再按照压力和容积划分。

关键词：压力容器；接管角；焊缝；超声波；检测技术；设备

制造出的压力容器经过较长时间的使用（承受交变应力，低温，腐蚀等环境影响），在局部产生了结构变化。在很多情况下会影响压力容器的正常使用和使用寿命。在优化压力容器的设计和制造工藝的同时，我们必须对其进行结构上的检测，以确保生产的完全和高效。

1.超声波检测技术与设备

超声波是频率高于20000Hz的机械波，其实质为弹性介质中一系列相关质点的机械振动。研究者用波长λ，周期T，频率f和波速v这些物理量来对机械波进行描述。它们之间的关系可用式1表示：λ=v*T= v/f 。

因为超声波的频率较高，而能量E与频率f的平方成正比，所以其能量相当大。超声波在金属材料中的穿透力强，传播速度相当快，衰减小。此外，超声波还具有与光波相似性质，如沿直线传播（波长短），干涉，衍射，在界面上的反射，折射等。

超声波可以分为横波，纵波，表面波和板波等。质点受到交变拉压应力，相互之间产生伸缩变形，振动方向与波的传播方向相一致，产生了纵波；质点受到剪切应力的作用，振动方向与波的传播方向相垂直，产生了横波。介质的表面质点受到交变应力作用后做椭圆运动，波沿介质表面传播，产生了表面波。

超声波检测设备一般由试块，探头和超声波检测仪组成。

以下我们稍作介绍：不同温度下，不同波形（横波，纵波等）的波速v不同，在不同的介质（密度，尺寸，弹性模量等）中也不同；超声波在界面处会产生不同类型的反射与折射波，但始终遵循反射与折射定律，这种现象称为波形转换。当第一介质的入射角小于第一临界角时，在第二介质中存在折射纵波和折射横波，探伤不采用这一现象规律；当入射角大于第一临界角而小于第二临界角时，在第二介质中只存在折射横波，这是设计斜探头的理论依据，也是横波检测的基本条件；当入射角大于第二临界角时，第二介质中既无折射纵波也无折射横波，而存在表面波，这是设计表面波探头的理论依据。

2.压力容器接管角的超声波检测技术及相应设备

在制造压力容器的过程中，往往会涉及到接管与外壳的焊接。随之产生的角焊缝状态成为了判断容器稳定性的一项指标。然其复杂的结构使之成为检测过程中的重点与难点。相比于纵环缝，更容易产生未焊透，条状夹渣等缺陷；容器开口处应力集中，其峰值通常为基本应力的数倍；工作过程中所受的热疲劳和损伤较其他焊接部位严重。

愈来愈多的技术人员与科学家利用超声波技术对压力容器接管角的焊缝进行系统全面的检测，得到了大量的实验数据，总结出了相关的规律，为确立标准的探测方案奠定了较好的理论基础。这里，参考邹晶等人的研究，将其相关的检测思路，现象规律和设备的部分工作过程作一个介绍。

超声波检测一般包括检测前的准备，实际检测，缺陷评定，检测结果的分级，记录与报告等过程。

2.1利用横波对接管角外壁（变曲率面）进行检测

从整体上看是一个变曲率面。探头分别沿容器轴线，圆周面进行扫查，这两个过程可以类比于平板焊缝，容器纵缝的检测。过渡区则比较复杂，我们需要界定属于平面还是曲面。

相应地，各个国家有不同的标准。根据GB-11345，若压力容器外圆半径D/2≤W2/4，则为大曲率检测区域；若D/2>W2/4，则为中等曲率检测区，若声程修正系数μ≤1.0时，则近似为平板检测区。（总结）下面分别对前两种区域的检测进行分析。

2.1.1大曲率检测

通过CDK-1型或1B型试块调整仪器扫波线，进行探头磨弧，随后测量折射角与入射点。

然后用作图法或曲线图法对大曲率面内可能存在的缺陷进行定位检测。

2.1.2中等曲率检测

可以采用平板焊缝检测的方法。但对于位于较厚焊缝深处的缺陷，依然需要用大曲率检测的步骤（用试块调整探测仪），或是在修正缺陷位置，按反射体深度h校准扫波线的的条件下，沿用平板焊缝检测的方法。