承压设备监理过程中无损检测灵敏度的控制

(江苏天达燃气监理有限公司， 南京 210037)

在承压设备的制造过程中，焊接施工占有重要的地位，焊接质量在很大程度上决定了承压设备的质量。焊接质量的检查主要依靠专业的无损检测。应用最广泛的无损检测方法有目视检测、射线检测、超声检测、磁粉检测和渗透检测等。这些无损检测方法专业性很强，对检测操作的规范性要求很高，对检测人员的技能水平和责任心要求也很高。只有符合相关检测标准要求的合格的无损检测才能满足焊接质量检查的要求。

近年来，国家对承压设备的安全性要求越来越高,规范和标准对无损检测的要求也越来越高。随之而来的是用于无损检测的成本支出也逐年提高。如何在控制好无损检测质量，确保承压设备安全运行的前提下，控制好无损检测的造价,是设备监理工程师必须关注的问题。故,合理地制定无损检测的质量控制要求是解决此问题的关键。

1 无损检测的质量控制

监理想要做好无损检测的质量控制，首先应明确无损检测监理的质量控制要求。无损检测是利用专业技术手段对金属结构中的缺陷进行探测的过程，其目的是检测出超过标准或规范规定的缺陷。无损检测监理是对无损检测单位进行的无损检测过程实施的监督检查，以保证超标缺陷的检出率在合理的可接受范围内。所谓“检出率”就是已检出的超标缺陷和实际存在的超标缺陷数量之比。这样说比较容易理解，但是这仅仅是一个理想化的质量控制指标，因为实际存在的超标缺陷究竟有多少，只有对构件进行完全解剖或者进行精确地断层扫描才能确认，而解剖会破坏构件的完整性，金属结构的断层扫描技术又尚未完全成熟。

因此在得不到准确“检出率”的情况下，是无法使用“检出率”来对检测过程进行有效度量的，所以“检出率”这个控制指标并没有实际的意义。检测过程所能达到的效果只能用检测灵敏度来度量，也就是检测过程所能发现的最小缺陷的尺寸——此处所提及的缺陷本应该是实际缺陷，但实际缺陷种类繁多、形状复杂，用于度量检测灵敏度并不方便，所以只能用形状简单、易于标准化的人工缺陷来模拟实际缺陷，从而对检测灵敏度进行度量。即，渗透检测和磁粉检测使用的是带有压裂痕的灵敏度试块和试片，超声检测使用的是试块中的横孔、平底孔和槽，射线检测使用的是像质计的金属丝。但人工缺陷和实际缺陷有明显差别，用人工缺陷来度量实际缺陷的检测灵敏度，可能会发生偏差。

2 实际焊接缺陷检测灵敏度和人工缺陷检测灵敏度

无损检测质量控制指标应该是实际缺陷的检测灵敏度。人工缺陷检测灵敏度可以在一定程度上反应实际缺陷的检测灵敏度，但不能完全代替实际缺陷检测灵敏度。NB/T 47013-2015《承压设备无损检测》(以下简称NB/T 47013)标准中除了规定人工缺陷检测灵敏度的具体要求外，还规定了与常规无损检测方法相关的检测程序、步骤、工艺参数和操作细节的要求，这些检测要求对于实际焊接缺陷的检测灵敏度也是十分重要的。

2.1 射线检测

射线检测中使用较多的人工缺陷是金属丝像质计。就形态上来讲，金属丝和焊接缺陷有很大的差异。射线穿过像质计的金属丝和穿过焊接缺陷的衰减量相差很大，其影像在底片上产生的黑度差也很大。 一般焊接缺陷的黑度大于母材的黑度，而像质计金属丝的黑度比母材的要小，造成人工缺陷检测灵敏度和实际焊接缺陷检测灵敏度的对比效果不直观，对焊接缺陷在厚度方向上的尺寸估计没有参考作用。

标准NB/T 47013中的射线检测部分，对像质计灵敏度的判定是这样规定的：如果底片黑度均匀部位(一般是指临近焊缝的母材金属区)能够清晰地看到长度不小于10 mm的连续金属丝影像时，则认为该金属丝是可以识别的。也就是说像质计灵敏度所指的需识别的金属丝在临近焊缝的母材金属区内可识别，就可以满足检测标准的要求。对于在焊缝金属区内是否可识别没有要求，而实际焊接缺陷大部分都是在焊缝金属内的。母材区厚度相同、表面平整，底片上母材区的黑度相同，金属丝的影像识别不受干扰。而焊缝金属区厚度不同、表面有波纹和沟槽，焊缝金属区在底片上面的影像黑度时常会存在较大的梯度，焊缝缺陷的识别受到的干扰大。特别是在焊缝的中部，当焊缝的余高比较高时，黑度往往不达标或接近标准规定的下限，这就使缺陷的识别更加困难；也就是说当母材较薄，焊缝余高较高时，像质计灵敏度和焊接缺陷检测灵敏度的关联比较差。所以，完全依赖像质计灵敏度来判断透照工艺是否合适是不全面的，还应当根据其选取的透照工艺参数(如底片的黑度、透照的厚度比、焦距、曝光电压、底片的颗粒度等)的恰当程度来判断，并且参照底片上焊缝影像的细节(焊缝表面的沟槽波纹等)的清晰程度作出判断。像质计灵敏度和实际缺陷灵敏度同步形成，直接验证实际缺陷的检测过程。

2.2 超声检测

影响超声波实际缺陷检测灵敏度的因素主要有以下3个方面。

(1) 标准反射体检测灵敏度。标准反射体检测灵敏度是指在确定的探测范围内，最大声程处发现规定大小和形状的标准反射体(也就是在试块中预先加工的标准尺寸和形状的人工缺陷)的能力。标准反射体灵敏度是在实际焊接缺陷检测开始之前在标准规定的试块上进行调整的，对实际缺陷的检测过程没有同步的直接验证作用。试块内的标准反射体的大小、形状、位置都是已知的，其反射波很容易被发现，也很容易识别。

超声波标准反射体灵敏度在相关标准中有明确的规定。过高的检测灵敏度会使显示屏上杂波增加，反而会对实际缺陷检测灵敏度有不利影响。

(2) 检测的完善程度。实际焊接缺陷比试块中的标准反射体要复杂得多，其位置不确定，形状不规则，性质也不确定，对声波的反射有很大的差异。对于一些危险性较大的面状缺陷，只有当声束以接近垂直的方向入射时，才能获得较高的反射波。发现实际焊接缺陷必须经过一个搜索过程，搜索的彻底程度取决于检测的完善程度，其主要包括扫查声束是否覆盖了整个检测区域，声速的入射角度是否满足各类方向性强的缺陷检出要求。其取决于检“面”和“侧”的数量，使用不同K值探头的多少，是否检测横向缺陷，焊缝余高是否磨平，扫查区修模后达到的粗糙度，扫查方式是否完全，扫查速度及耦合条件等诸多因素。实际上也就是使满足声能要求的声束以利于各类实际缺陷检出角度的方向穿过整个被检测区域的完全程度。

(3) 对实际焊接缺陷波的识别与解读。在实际焊接缺陷检测中发生的边角反射、表面沟槽反射、根部焊瘤反射等类非缺陷反射波比试块中边角反射波要复杂，容易发生误判，或者造成缺陷漏检。在扫查过程中，缺陷波往往是稍纵即逝的，如何能及时捕捉到缺陷波，随即变化扫查方式或更换不同入射角的探头，反复探测，使反射波高达到最大，正确地对缺陷定位、定量、甚至定性，是对操作者责任心和技能水平的较大考验。NB/T 47013的第3部分6.3.14.1 明确要求对“超过评定线的信号，应注意其是否具有裂纹、未熔合、未焊透等类缺陷特征，如有怀疑时，应采取改变探头折射角(K值)，增加检测面，观察动态波形并结合工艺特征做出判定，如对波形不能判断时，应辅以其他检测方法做综合判定。”这需要检测人员具有比较丰富的操作经验和较高的技术水平，才能正确地解读缺陷波的动态波形并结合结构工艺特征做出判断。

2.3 磁粉检测和渗透检测

磁粉检测中使用带有人工刻槽的标准试片是非常重要的，其可以检验磁粉检测设备、磁粉和磁悬液的综合性能，了解被检工件表面有效磁场强度和方向，有效检测区是否完全覆盖焊缝缺陷发生区域，以及磁化方向是否正确。但标准试片灵敏度和实际缺陷检测灵敏度还是有明显区别：灵敏度试片表面平整光滑，刻痕的显示容易被观察到，而焊缝表面粗糙且常带有沟槽，虽然按照要求进行了修磨，但粗糙度很难达到标准试片的水平。实际缺陷形态复杂，有时隐藏在焊缝表面沟槽的底部不易观察，标准试片灵敏度不能反映被测焊缝表面预处理的质量，这对于磁粉检测实际缺陷检测灵敏度是十分重要的。另一方面标准试片检测和焊缝实际缺陷检测不是完全实时同步的。标准试片的检测条件和实际焊缝的检测条件是否完全一致，存在不确定性。

渗透检测人工缺陷标准试块(试片)灵敏度也存在类似的局限性。此外渗透检测的实际缺陷检测灵敏度对被检测表面的污垢、氧化皮、金属屑十分敏感，这些东西很容易阻塞缺陷的开口，严重影响检测效果。而渗透检测灵敏度试块(试片)表面是洁净的。渗透检测人工缺陷灵敏度无法反映实际缺陷检测预清洗的质量。通过以上分析可以看出用人工缺陷确定检测灵敏度，尚存在诸多不足之处，实际缺陷检测灵敏度完全依赖人工缺陷检测灵敏度作出判断是不全面的。

3 无损检测技术等级的选择

为了适应各类承压设备对无损检测灵敏度的不同要求，NB/T 47013对各种常规无损检测方法规定了不同的技术等级。

3.1 射线检测

对射线检测技术分为3级，即A级(低灵敏度技术)，AB级(中灵敏度技术)，B级(高灵敏度技术)；并明确承压设备焊接接头的射线检测，一般应采用AB级射线检测技术进行检测。对重要的设备、结构、特殊材料和特殊焊接工艺制作的焊接接头可采用B级技术进行检测，射线检测技术等级在相应的法规、规范、标准中有要求。采用B级技术进行检测，会显著增加检测投入。设计人员在没有充分依据的情况下，是不会要求用B级技术进行检测的；在承压设备标准中明确要求采用B级技术进行射线检测的也很少见。所以，实际上对于绝大多数承压设备焊接接头的射线检测，几乎只有一个技术等级可以选择，也就是AB级。

3.2 对接接头超声检测

对接接头的超声检测，NB/T 47013中也规定了A，B，C 3个检测技术等级。就标准反射体灵敏度而言，3个技术级别都是一样的，但在检测的完全程度上存在很大的不同。B级技术要求检测的“面”或“侧”比A级技术的多，而且要求进行横向缺陷检查。C级比B级要求使用不同K值的探头数多，且要求把焊缝余高磨平等。关于超声检测技术等级的选择，NB/T 47013除了要求满足制造、安装标准、规范的规定和设计图样的规定外，明确规定承压设备焊接接头的制造、安装时的超声检测，一般应采用B级技术等级进行。对于重要设备的焊接接头可采用C级技术等级进行检测。超声检测技术等级在相应的法规、规范、标准中有要求。绝大多数承压设备，包括一些高强度钢制造的高压设备的制造、安装规范和标准中都没有明确要求采用C级超声检测技术等级进行检测。

3.3 磁粉检测

对磁粉检测，NB/T 47013中没有规定技术等级，但规定了不同规格的灵敏度试片，反映了检测的不同灵敏度要求，同时也规定了常用的灵敏度试片规格，从而也确定了一般检测的灵敏度要求。

3.4 渗透检测

NB/T 47013规定，渗透检测灵敏度等级分为A，B，C三级，其中A级最低，C级最高，但标准没有对灵敏度等级的选择做出说明。

4 实际缺陷检测灵敏度的控制

4.1 常用无损检测技术等级的最低要求和较高要求

(1) 射线检测。NB/T 47013第2部分《射线检测》中规定承压设备焊接接头的射线检测一般应采用AB级射线检测技术进行检测。根据原则，射线检测AB级灵敏度技术是承压设备焊缝检测的最低灵敏度要求。从满足AB级灵敏度的最低要求到达到B级灵敏度技术要求之间，有相当大的空间对检测灵敏度进行调控。例如，根据被检测设备的结构条件和环境条件适当降低曝光电压，降低固有不清晰度，适当加长焦距降低几何不清晰度，尽可能降低透照厚度比，控制黑度至更合适的范围，采取措施降低散射线对清晰度的影响，甚至可在施焊时对焊缝余高进行适当地控制等。

(2) 超声检测。NB/T 47013第3部分 《超声检测》 中明确规定承压设备焊接接头在制造、安装时的超声检测，对厚度在6～200 mm间的工件，一般应采用B级超声检测技术等级。同样在满足B级技术等级到满足C级技术等级之间,也有一定的调控空间。C级区别于B级的主要规定是：C级要求将焊缝余高磨平。这是一项很费时费工的工作，检测的投入大大增加，但对于横向缺陷的检出是很有效的。在不磨平焊缝余高的情况下，采用以下措施可以在一定程度上弥补横向缺陷的检测灵敏度：在焊缝两侧的斜平行扫查区，加大清理的力度以使扫查面更加光洁；增加多种K值、多种频率的探头的斜平行扫查；增加不同检测人员的复测等。

(3) 磁粉与渗透检测。NB/T 47013的第4部分《磁粉检测》 中没有灵敏度技术等级的规定，只明确要求磁粉检测一般应选用A1，30/100型标准试片。

NB/T 47013的第5部分 《渗透检测》 中对承压设备制造检测灵敏度等级如何选择没有具体的规定。

NB/T 47013.4中磁粉检测和渗透检测的适用范围不仅包括焊缝，还包括经过机械加工的法兰、高压螺栓等表面粗糙度较高的零件。焊缝表面粗糙时，缺陷显示的观察条件受到限制，过高的试块或试片灵敏度并不能明显提高实际缺陷检出灵敏度，却会大大增加检测成本。提高磁粉检测和渗透检测实际缺陷检测灵敏度的主要措施有：提高焊缝检测面的准备质量，在检测过程中严格保持与灵敏度试块(试片)试验时一致的检测工艺条件。焊缝表面状态对于磁粉检测和渗透检测的实际缺陷检测灵敏度都有显著的影响，被检测焊缝表面处理的质量控制空间很大。检测在这一环节的投入成本也可以有很大不同。此外还有很多措施可以提高检测灵敏度，比如：① 磁粉检测时选择高质量的磁粉，严格控制磁悬液的浓度和磁悬液的污染程度，注意检查电磁轭提升力，严格控制磁场强度和磁化范围，使用交叉磁轭时确保4个磁极面和被检测面之间接触良好，连续拖动时严格控制速度不高于标准规定，增加反复磁化的次数等；② 渗透检测时，选择后乳化型和荧光型灵敏度较高的检测方法，选择高质量的渗透剂和清洗剂，更严格地控制预清洗的质量，去除多余渗透剂，加强乳化处理、干燥处理、显像剂施加、缺陷观察等操作的规范性等。

4.2 小结

综上所述，4种常规无损检测方法在满足最低灵敏度要求的基础上，都有相当大的空间对实际缺陷的检测灵敏度进行调控。实际缺陷检测灵敏度越高，缺陷的检出率就越高，承压设备的安全性就越有保障。但另一方面检测灵敏度越高，检测的投入就越大，检测成本就越高。作为监理工程师既要控制好无损检测的质量，又必须控制好造价，片面追求高检测灵敏度是不可取的。

4.3 讨论

无损检测实际缺陷检测灵敏度，应根据承压设备的具体情况分别确定。

例如，对于低碳钢强度级别在42 g·mm-2以下，壁厚在14 mm以下的，使用条件一般的中低压容器和压力管道，可以适用较低的检测灵敏度。注意，这里的“较低”指必须满足NB/T 47013规定的最低灵敏度要求。承压设备在以下几种情况下，适用于较低灵敏度要求：① 该类材料焊接性能好， 不会出现淬硬组织，危险缺陷发生率低；② 低碳钢有明显的屈服平台，塑性变形能力强，对应力集中不敏感；③ 壁厚薄，材料变形在壁厚方向受到的约束小，持续变形使应力集中钝化，塑性区加大，应力分布趋于均匀化；④ 材料的塑性、韧性都比较好，导致承压设备失效的缺陷临界尺寸比较大；⑤ 低碳钢屈强比低，设计许用应力低，该类承压设备具有较充裕的强度储备。

对于强度级别在60 kg·mm-2以上的低合金高强度钢制造的壁厚在30 mm以上的高压容器和高压管道的无损检测，应选择较高的检测灵敏度，这主要是因为：① 该类材料碳当量高，焊接性能较差，有可能出现马氏体类淬硬组织，危险缺陷的发生率高；② 高强度钢没有明显的屈服平台，塑性变形能力差，对应力集中敏感，低应力脆断风险高；③ 壁厚较厚，材料变形在壁厚方向受到较强的约束，持续加载不能使缺陷前部的塑性变形区持续扩大而只会使应力持续升高，达到材料的强度极限后即启裂，引发裂纹扩展；④ 材料的塑性较差，导致裂纹失稳扩展的面状缺陷的临界尺寸小，常常是开口很小的冷裂纹，具有很大的危险性且不易检出；⑤ 高强度钢屈强比高，设计许用应力高， 材料应变强化空间小，强度储备低，安全裕量小；⑥ 承压设备工作压力高，运行风险大，一旦设备失效后果严重。

前一例涉及的中低压容器和压力管道的无损检测费用，完全可以控制在无损检测造价定额之内；而后一例涉及的高压容器和高压管道的无损检测费用，有可能超出无损检测造价定额。因为不少地方的无损检测造价定额只考虑板厚的影响，没有考虑材料和使用条件的影响，而为了确保承压设备的安全性，无损检测不能完全受制于造价定额。但另一方面，提高检测灵敏度应优先选取成效显著、成本低的技术措施，尽量降低造价。

5 结语

无损检测的质量控制指标是实际缺陷检测灵敏度，人工缺陷检测灵敏度可以帮助检测人员对实际缺陷检测灵敏度做出判断，但不应是判断的全部依据。无损检测监理人员应当对那些人工缺陷检测灵敏度不能反映的，但对实际缺陷检测灵敏度有显著影响的操作因素给予充分的关注。

NB/T 47013标准适用于在制和在用的金属材料制承压设备的无损检测，而金属材料制承压设备种类繁多，从材料、结构、制造工艺到使用条件和安全运行风险都存在巨大差异。对于某一特定的承压设备的无损检测质量控制要求，应充分体现区别对待的原则，就是根据承压设备的材料性能，如强度级别、塑性、韧性和可焊性，承压设备的壁厚，对应力集中的敏感程度，主要失效模式，承压设备的工作介质，压力等级等情况，来制定不同的质量控制要求，切不可不分对象等同对待。无损检测质量控制要求的确定，首先应满足安全性要求，但也必须兼顾经济性要求。