无损检测技术在特种设备检验中的应用

2021-11-23杜崇磊

商品与质量 2021年34期

杜崇磊

内蒙古自治区特种设备检验研究院赤峰分院内蒙古赤峰 024000

尽管在生产的各个领域中都会使用承压特种设备，但是由于特种设备在运行时温度、压力等因素，会造成设备的不稳定，而且还会产生大量的有毒、有害等气体，特种设备运行时，需要工作人员按照流程科学操作，避免在运行时出现安全事故。目前，在对特种设备行业中的锅炉、压力容器、压力管道等承压设备进行检测时，一般会采用无损检测技术，该技术具有检测精度高、破坏性小等优势。但是在应用无损检测技术时，需要根据设备的实际情况，采用针对性的方法，才能提升检测的精度，保证在检测时准确查找设备存在的问题，以此制定解决方案。

1 无损检测技术在特种设备中应用的重要性

无损检测技术是在不损伤被检测物使用性能和形态的前提下，通过测量因物质内部缺陷或组织结构差异引起的物理量变化，了解和评价被检测材料、产品和设备构件的性质、状态、质量以及内部结构等的一种特殊检测技术。

它在检测过程中不但能检测出设备中存在的缺陷，还能保证不影响到特种设备的质量。随着科学技术水平的不断提升，人们对特种设备的要求越来越高。因此，特种生产企业应不断提升质量，在特种设备中充分发挥无损检测技术的无损伤、高灵敏等优势。此外，在高应力、高温以及高循环载荷等复杂恶劣条件下和恶劣环境中工作的零部件或构件等，仅利用一般的外观检查、尺寸检查和破坏性抽检等方式已经不能满足要求，需要充分应用无损检测技术全面检查材料的内外部。目前，特种设备的检测方法有很多，不同检测方法的用途也不同，应根据实际情况具体选择，以保证特种设备质量。

2 无损检测应用的目的

特种设备可以分为承压类和机电类两大类，前者更多主要应用在工业生产中，如：锅炉、压力容器、压力管道等，后者在日常生活中较为常见，如：电梯、客运索道、厂（场）内车辆以及大型游乐设施等。由此可见，特种设备在我们现代工业发展、生产生活中做出了巨大的贡献，并且得到了广泛应用，在实际应用过程中也难免会出现损伤或者缺陷，如果缺少系统的检测技术和检测体系，那么会在无形之中给设备使用者与使用环境下的周边人员带来危险。然而一些传统的检验检测方式有可能对受检设备造成二次伤害，甚至干扰到特种设备的正常运行。如硬度试验、金相检验等。而无损检测技术可以在不损伤被检对象的前提下完成检验，无疑是对特种设备检测的最佳选择[1]。无损检测的应用可以达到如下目的：

第一，保证产品质量。借助仪器和相关器材，可以发现目视无法发现的内外部宏观缺陷。无损检测可以对产品进行100%检验和逐件检测，为产品质量提供有效保障。

第二，保障使用安全。可以对在用设备和部件进行定期检验，保障使用过程的安全与稳定。

第三，改进工艺。在产品工艺试验中，对工艺试样进行无损检测，并根据检测结果改进工艺，确定理想的工艺。

第四，降低生产成本。在产品过程的适当环节正确地进行无损检测，防止以后的工序浪费，减少返工，降低废品率，从而降低成本。

3 无损检测技术的应用特点与方向

无损检测的应用特点：

（1）要与破坏性检测相结合。由于无损检测各项目具有的局限性，不是所有的需要测试的项目和性能都能进行无损检测，这种局限性可能来自方法本身，也可能来自被测试对象的形状、位置等客观条件的不允许，所以某些试验只能采用破坏性检验。

（2）正确选用无损检测的时机。必须根据无损检测的目的,正确选择无损检测的时机,从而顺利地完成检测预定目的,正确评价产品质量。

（3）正确选用合理的无损检测方法。每种无损检测方法都有局限性，不能适用于所有工件和缺陷。为了增加试验结果的可靠性，需要根据试样的特性（材料、结构、形状、尺寸、类型、形状、位置、取向等）选择合适的试验方法。所谓充分性，是指在考虑产品经济可行性的同时，保证足够的安全性，选择的检测方法是准确合理的，而不是单方面追求最高的检测灵敏度[2]。

3.1.4 综合应用各种无损检测方法

每种无损检测方法均有其自身的优缺点，不能适用于所有工件和缺陷。因此，在对某试件确定无损检测方案时，在综合考虑经济性和效率的前提下应尽可能采用多种无损检测方法，以保证方法间的互补，从而获得更多的产品数据和缺陷信息。

除应用无损检测方法获得产品信息外，还应充分利用其它有关产品的材料、焊接等加工工艺和产品结构等多方面的信息，这类似于医学的会诊，交叉学科进行综合分析判断。这一点对于大型和重要工件的无损检测尤为重要。

4 无损检测技术在特种设备检验中的应用

4.1 射线检测技术

射线检测技术是应用在起重机械的常见检测技术，在检测过程中需要利用x射线穿透被检测的起重设备，然后根据穿透时间的长短来具体判断设备的运行情况。在起重机械中，焊接材料占有十分重要的地位，所以为了保证起重机械的稳定性，就一定要严格保证焊接材料质量，确保所使用的材料符合设备的使用要求。而且焊接材料本身也要具备均匀性与一致性的优势，并且保证焊接材料的技术参数达到国家规定标准。在此基础上方可利用x射线进行穿透检测。具体的检测方式为判断在特定时间内设备同等材料所产生的穿透时间是否一致，如果时间一致，则代表设备内部稳定合格；如果时间数值不等，则代表在起重机械内部存在着质量问题。但射线检测技术的应用范围相对有限，在焊接缺陷的检测中如电弧焊、电渣焊、气焊、气体保护焊上应用准确性较高，但在锻件、钎焊、钢板、钢管、摩擦焊上应用准确性较弱，并不适合。在实际应用过程中，射线检测技术能够让检测人员直观地发现其中存在的问题，确认缺陷的性质、尺寸甚至数量及相对位置，尤其是在缺陷较大、具有局部厚度差的情况下，检测较为容易，而如果是对裂纹、裂缝类面积性缺陷，射线透照方向选择不当时（成90°夹角垂直透照），效果明显减弱，甚至难以检出。在这里须说明的是，射线检测使用的射线种类主要是X射线、γ射线、中子射线等，其特点的是不可见光，具有超强穿透力同时有电离辐射作用。所以对工件和无机物来说，它是“无损检测”，然而对有机物和人体来说，它并非“无损”：它能杀伤生物细胞，造成电离辐射伤害。这一点很大程度上限制了它的应用。尽管如此在我国20世纪工业生产中，无损检测广泛应用了射线照相法。其射线探伤方法除照相法（包括层析照相）外，还有透视法（荧屏显示）和工业射线电视法等。

两种新型检测技术或将取代传统射线胶片技术的趋势：

①计算机射线照相（CR）是指将射线透过工件后的信息记录在成像板上，经扫描装置读取，再由计算机生出数字化图像的技术。②数字平板射线检测（DR），则是以数字化的面阵探测器（非晶硅X射线探测器）作为射线信号检测器，吸收射线光子经晶体转换屏转换成可见光，其信号再由非晶硅光电二极管转换成电荷，形成的电荷不断累积由薄膜晶体管TFT集成电路读出，并完成模拟信号向数字信号的转换，最终显示于数字显示器上[3]。

4.2 超声波检测技术

超声检测（UT）是一种基于超声波，通过两种介质界面之间的反射以及折射进行检测，能够有效地识别工件的缺陷、几何形状以及对应的力学性能等等。通常借助发射超声波实现对压力容器无损检测。超声波检测具有安全可靠、快速、成本低等优点，广泛地应用在复合材料、金属以及非金属检测。但超声波操作复杂，对检测对象具有一定的要求，因此具有一定的局限性。

超声波在介质中的传播方式随振源在介质中振动方向与声波传播方向不同分为纵波、横波和表面波。A型脉冲反射法超声波探伤原理是利用超声波通过两种介质的界面时发生反射和折射的特性来探测零件内部的缺陷。超声波探伤方法按波的传播方式分为脉冲反射波法和透射波法。脉冲反射波方法使用来自脉冲发生器的电脉冲来激发探针晶体以产生超声波脉冲。超声波以特定的速率传播到零件中。遇到缺陷的波被反射得到一个缺陷波，剩余的波继续传播到零件的底面，然后被反射得到一个底波[4]。探头接收发射波、缺陷波和底波，放大后显示在荧光屏上。

基于常规超声检测，借助计算机及信息技术与新材料研究的技术进步，最近20年不断研发成熟应用的几种超声检测新技术如相控阵超声检测技术——PAUT（相控阵超声波检测Phased Array Ultrasonic Testing）与AUT(全自动超声波检测Automated Ultrasonic Testing)、TOFD（衍射时差法超声检测技术Diffraction time difference ultrasonic testing technology）、导波检测技术、异种金属焊缝的超声检测技术等被不断应用于石油化工的长输管道集输、军工、核能设备生产中，代表了目前超声检测新技术的发展方向。

4.3 磁粉探伤技术

磁粉检测借助工件缺陷以及相应的材料进行探伤。正常工件与存在缺陷的工件之间表现的漏磁效应不同，磁粉聚集较多的位置说明该位置存在缺陷，从而形成对比度相对较高以及磁粉明显的痕迹，可以有效地判断检测对象的情况。在磁粉探伤技术的应用过程中，需要仔细检测卷扬机对侧和近侧之间的裂纹，裂纹检测在卷扬机的检测过程中起着非常重要的作用。磁粉检测技术的应用，不仅可以有效检测起重机各部位的焊接质量，还可以有效检测起重机钢结构的质量。某些检验工序要求检验面干燥并彻底清洁，以去除附着在检验面上的铁锈、油污和水垢等杂质。这时，可以通过研磨进行一定的清洗操作。需要注意的是，在清洗过程中应减少研磨对设备零件的影响。彻底清洁后，可以用磁粉技术测试卷扬机。可以使用高灵敏度的荧光磁粉进一步提高测试精度。

4.4 渗透检测技术

渗透检测是一种基于液体的毛细作用（或叫毛细现象）和固体染料在一定条件下的发光现象的原理为基础的检查材料表面开口缺陷的无损检测方法。将溶有着色染料或荧光染料的渗透剂施加于工件表面，由于毛细管作用渗透剂渗入到开口至表面的缺陷中，当去除附着于工件表面上多余的渗透剂，干燥后再施加显像剂，缺陷中的渗透剂又回渗到显像剂中，在一定光源下（白光或黑光）观察，缺陷处的渗透剂被显示（呈红色或黄绿色荧光），从而探测出缺陷的形貌及分布状态。

渗透检测在不破坏工件，运用物理、化学、材料科学和工程学理论，评价工程材料、零部件和产品的完整性、连续性及安全可靠性。也是实现质量管理，节约原材料，改进工艺，提高劳动生产率的重要手段，是产品制造维修不可或缺的组成部分。在过去的两个世纪被广泛应用于航空航天、国防、电力、铁路、汽车、化工等工业生产中，为特种设备等行业控制产品质量，防患于未然作出了重要贡献。其优点是：可检查非多孔性材料的表面开口缺陷，如裂纹、折叠、气孔、冷隔和疏松等。它不受材料组织结构限制，不仅可以检测有色金属，还可以检测塑料、陶瓷及玻璃等检测灵敏度高，可发现微米级缺陷显示。着色法检测可以在没有电源的场合工作，使用喷罐设备，操作简单，成本低廉，显示直观，一次操作可检测任何方向的表面开口缺陷。但其局限性只能检测表面开口缺陷，对被污染物堵塞或经喷丸、研磨等机械处理的工件表面，不能有效进行检验被封闭开口的缺陷。也不适用于检查多孔性或疏松材料或表面过于粗糙的工件，因这样的工件表面易形成过度背景，掩盖缺陷显示。渗透检测只能检出缺陷表面分布，不能确定缺陷深度。

4.5 声发射检测（AE）

声发射检测技术应用在起重机械的检测过程中，其检测的重点主要放在起重机械的关键部位，特别是对一些容易出现裂纹的位置、容易出现腐蚀的位置以及受应力比较大的位置进行重点检测，所有的检测工作主要利用传感器来完成。通过合理使用传感器，然后对起重机械施加静载和动载，如果起重设备内部存在质量缺陷，那么就会反射出相应的声发射信号，根据这些声发射信号，技术人员就能够详细判断设备内部的具体情况，计算出详细的数据信息，然后科学判断缺陷位置并对缺陷位置进行妥善处理。在具体应用过程中，虽然声发射检测技术具有极高的检测精度，但是此项检测技术在实施过程中这有一定难度，具有十分复杂的操作步骤，同时也要求工作人员必须具备极高的技术素质，因此为了促进声发射检测技术的最大应用，相关企业一定要不断提高技术人员的业务能力，对他们进行系统的培训，促进声发射技术的具体落实，从而有效发挥出声发射检测技术的巨大价值，确保起重机械的正常运行[5]。