无损检测技术在压力容器检测中的应用研究

2019-01-16陈映余

中国设备工程 2019年13期

陈映余

（广东省特种设备检测研究院顺德检测院，广东佛山 528300）

压力容器的使用遍及我国经济建设的各个领域，特别是机械、石油、化工等工业生产行业。因为压力容器介质一般具有高压高温等特征，压力容器具有爆炸风险性，对其造成破坏容易导致灾难发生。压力容器所受到的应力、本体材质的力学性能及存在的缺陷是决定压力容器失效与否的三个基本因素。在相当一部分压力容器安全事故当中，压力容器的焊接质量问题是最直接最根本的原因之一。在压力容器的制造和使用中，迫切需要一种可靠、安全的方法。采用无损检测方法对焊缝进行检测和监测，以检查焊缝气孔、夹渣、裂纹等缺陷，防止恶性事故的发生。

无损检测(nondestructive testing，NDT)，是在现代化仪器设备帮助下，能可靠灵敏地检测出被检测对象内外的结构、性质、状态及其是否存在缺陷等等性能指标的不会对被检测对象造成物理伤害和化学改变的先进技术。当下传统的NDT 技术主要包括超声波、射线、磁粉、渗透、涡流等，这些技术各有所长，同时也存在它的局限性和短板。

超声探伤法适合检测表面与内部缺陷，具有速度快、平面型缺陷灵敏高的特点；射线探伤法适用于内部缺陷，检测直观，对体积型缺陷灵敏度高；磁粉探伤法适用于表面缺陷的检测，且仅适用于磁铁材料的构件；渗透探伤法适用于表面开口缺陷，操作简单；涡流探伤法适用于表面缺陷，适用于导体材料的构件。

1 常用的无损检测技术

1.1 超声探伤法

超声波作为一种无损检测方法来探测物体内部的缺陷和结构出现于20 世纪20 年代后期。F.A.Firestone 的超声脉冲检测法的提出标志着超声用于探伤检测的开始。1964 年，Krautkramer 公司成功研制出小型超声探伤仪，其主要性能指标取得了突破性进展，标志着近代超声检测技术的诞生。我国于1981 年12 月31 日，由第一机械工业部、化学工业部、石油工业部共同发布三部联合标准《锅炉与钢制压力容器对接焊缝超声探伤》，此后，多个版本的新标准相继面世，目前，该技术已成为一项成熟、经典的基本技术。

目前，该技术的突破主要体现在自动化和信息化两方面。自动化是指超声探伤工业检测机器人的研制，在容器内部、管道内部等检测中发挥优势，具备驱动、数据存储、检测及控制等功能。李东升等通过实验，首次引入扫描带重叠系数的概念,建立了多探头阵列式、多探头旋转式和单探头旋转反射镜式检测头的不漏检条件，设计了超声智能爬机并对其测试技术进行研究。信息化主要是对超声数字信号处理软件等信息化处理，庄圣贤等对超声数字信号处理软件固化进行研究，为超声数字化信号研发提出新方向。

1.2 射线探伤法

射线检测，是利用射线在穿透物体时因被物质粒子相互作用而产生强度衰减程度不同，对物体内部宏观情况进行记录的一种检测方法。该技术广泛应用于医学、工业、安保等领域，是一种宏观上无损的基础检测方法。压力容器检测中多使用X 或者γ 射线，由于穿透后射线强度衰减程度的不同，胶片感光的程度产生差异，即可对缺陷进行分辨和判断。

射线探伤技术在国内起步较晚，1959 年上海探伤机厂成功研发中国的第一台工业的探伤机；中国的X 射线特别是实时成像检测系统、工业CT 等方面在进入21 世纪后有了突飞猛进的发展，从而此检测设备使用较为普遍，其中在X 射线机和r 射线机的性能及结构方面都有较大的变化。

但是X 线探伤机具有辐射及泄漏的危险，故目前的研究除了致力于X 线检测辅助装置、实时检测系统等方面外，对其安全性的研究更为重要。中北大学的索丹分析研究了建立便携式X 射线机硬件环境中特别是无线远程系统设计中遇到的关系到对人身是否安全、控制和检测是否及时以及所得结果是否可靠等问题，为X 线探伤机的安全性研究提供了思路。

1.3 渗透探伤法

渗透检测是一种以毛细作用原理为基础的检查被检测对象表面开口缺陷的无损检测方法。其原理就是在被检测对象表面施涂含有荧光染料或着色染料的渗透剂后，经过特定时间的毛细作用下，表面开口缺陷里面便存储了足量的染料，在去除多余渗透剂并干燥后再施涂吸附介质——显像剂，使开口缺陷中残留的渗透剂回渗到显像剂中，这样缺陷的形态就能在合格的光源下显示出来。渗透检测最早在19 世纪末期应用于铁道车轴、车轮、车钩，所用的渗透剂是稀释了重滑油的煤油。从20 世纪30 年代到40 年代初期，美国工程技术人员斯威策（R.C.Switzer）等人进一步发明了荧光渗透剂，第二次世界大战期间在军工检测中被广泛运用。

中国在20 世纪前半世纪当中主要使用以煤油+机油为渗透剂的主要载体，军工领域和机械领域使用的渗透检测材料主要从苏联引入应用于产品的检验；直到60 年代初，荧光渗透检测才被航空工业使用，染料基础使用荧光黄，进入21 世纪之后，国产渗透剂在质量及灵敏度方面获得大幅度的提高，主要应用领域在压力容器、航空航天、管道等。

渗透检测不受被检对象化学成分限制，不受被检对象结构限制，也不受缺陷形态大小的限制，只需一次渗透便能同时检查开口于表面的所有缺陷。但它的短板也很明显，首先，灵敏度相对于磁粉检测来说比较低，并且检测步骤多、检测所需时间长。其次，所能检测只有存在于被检对象表面的开口缺陷，无法检查多孔材料，耗材价格较高且易燃有毒，储存与使用过程中须采取保护措施。所以渗透检测使用的实用性不高。

1.4 磁粉探伤法

铁磁性材料对象在强磁场中被磁化后，在表面或近表面的不连续处磁导率变化的影响下，磁感应线溢出被检对象形成漏磁场，吸附施加在被检对象表面的磁粉后，能形成合格光照下肉眼能见的磁显痕迹，就是磁粉检测技术的原理。磁粉检测是压力容器检测中最常用的无损检测技术之一，可检测出铁磁性材料表面和近表面的缺陷并能很直观的显示出来，灵敏度高，可检测微米级宽度的缺陷，耗材成本价格低廉，单个工件检测速度快，工艺简单。但是局限性在于它只适用于铁磁性材料，受被检对象几何形状的影响容易产生伪缺陷，无法检测内部缺陷。

导线通电能产生磁效应在1820 年由丹麦的奥斯特（H.C.Oersted）发现，而磁粉检测是1918 年在美国第一次被使用；磁粉检测引入到工业技术领域是在1930 年由德国的福斯特完成的；1933 年至1947 年间，随着科技的发展，漏磁检测的理论及技术被研究成功。我国磁粉检测技术在60年代开始发展，第一台磁粉探伤机就是这个时期开始仿制，进入到70 年代，我国开始对磁粉检测半自动化及其辅助装置方面进行优化，并同时大量运用于工业领域；上世纪90年代初，北京航空材料研究所郑文研发制造出了国产荧光磁粉并迅速推广带航空机械领域；到了21 世纪以后，我国在半自动化、自动化磁粉探伤设备方面的研发快速发展，例如采用CCD 摄像记录及自动爬行器等，配套的辅助配件也有了较快的更替于发展，例如黑光灯、标准试块、灵敏度试片等。

目前国内常规磁粉检测是最常用的表面检测之一，能直观的显示缺陷，但由于工艺关系无法自动化与批量化，导致工作效率较低，同时人为观察漏检可能性较大。