无损检测技术在承压类特种设备检验中的应用与发展

蒋剑超，边 缘

（西安特种设备检验检测院，陕西西安 710000）

0 引言

作为与现代产业发展息息相关的特种设备，一方面是国民经济的重要支撑，另一方面也是经济发展不可忽视的推动力。特种设备目前的发展特点表现为发展规模全球领先、创新步伐不断加快、安全绿色协同发展、国产特种设备国际市场占有率日益剧增和法治机制不断完善。作为特种设备的分支，承压类特种设备主要包括有压力容器、压力管道和锅炉等[1]，并广泛应用于食品、医药、石油、天然气和化工等领域，一旦发生安全事故，便会对生命安全和财产安全造成不可估量的损害。

为了确保特种设备的安全运行，需要对特种设备的设计、制造、安装和使用阶段进行监管和检测。检测技术是保障承压类特种设备安全有效生产和运行的关键因素[2]，近些年检测技术的发展趋向于绿色环保、高效便利和经济可行，应运而生的各种新技术和新设备助力检验检测技术实现质的飞跃。其中，无损检测技术应用最为广泛，具有检测速度快、精度高和无破坏性的特点。

1 无损检测技术的特性和优势

1.1 非破坏性

通过声、光、电、磁等因素与被检测对象相互作用，因材料内部结构异常或缺陷存在导致产生的变化，可以实现在不损害或不影响被检测对象使用性能，不伤害被检测对象内部组织的前提下，获得检测结果，包括对缺陷的类型、数量、位置、深度、尺寸等进行检测。这一特性使得无损检测具有灵活性和可靠性，并不影响最终的检测结果。

1.2 互容性

互容性是指不同的检测方法可以相互兼容，同一被检测部位可以同时或者依次使用不同的方法进行检验，最终获得可靠性更强的检测结果，无损检测所具备的互容性也是基于非破坏性。实际上，不同的无损检测方法可以检测到不同类型的缺陷，目前还没有一种全能的无损检测方法可以覆盖所有的缺陷类型。

1.3 严格性

无损检测的过程由无损检测设备和无损检测人员协同完成。因此，在特种设备的无损检测环节中，无损检测设备确保在有效的基础上，严格按照相关规程和标准进行操作。除此之外，无损检测人员需要严格地执行相关培训，考核合格后方可进行无损检测。这两部分的严格执行，确保检测结果的准确性和可靠性。

1.4 循证性

对于同一处被检测部位，可能因为检验人员的不同，导致最终检测结果产生变化，此外，对同一被检测部位使用不同的检测方法也可能会导致不同的检测结果。针对不同检测结果可能产生的分歧，需要进一步对同一被检测部位，采用特定方法，由多个检验员进行检测，并对最终检测结果进行比较分析，以达到提升最终无损检测结果的精确度。

1.5 全程性

在制造和安装阶段，主要验证铸造、锻造、焊接和加工成型等工艺的可行性，实现改进和监督制造工艺，降低废品率。在使用阶段，无损检测可以有效地发现使用过程中产生的因材质劣化、腐蚀开裂和疲劳开裂等引起的缺陷。动态性的意义在于可发现使用中的特种设备产生的安全隐患。

2 无损检测技术的类型

近些年，无损检测技术的发展不断得到完善。基于无损检测技术具备的特性和优势，通过不断提升检测结果的精确性和科学性，在检测效率提升的同时，也为特种设备的安全运行提供了坚实的安全保障，已广泛应用于特种设备检测。射线检测技术、超声检测技术、磁粉检测技术、渗透检测技术和涡流检测技术是目前几种常见的无损检测技术[3-8]，在本小结将主要对不同无损检测技术及工作原理进行综述。

2.1 射线检测技术

射线检测技术被广泛应用于检测特种设备的性能和结构[9]。目前，射线的种类分为x射线、γ射线和中子射线，其中，x射线和γ射线主要应用于焊缝缺陷检测。射线检测技术的原理主要是依靠x射线和γ射线穿透试件，基于射线穿过试件的衰减作用和照相作用，利用散射和吸收的现象来检测被检测试件的材料性能。当试件中存在的缺陷，便会影响射线的吸收，造成透过射线强度发生变化，并在底片上显现影像得到检测结果，根据底片上的黑度变化，判断试件是否有缺陷，或者缺陷的种类、数量和大小等。

射线检测技术具有良好的可追溯性，适宜检测板厚较薄的工件，可以精准对缺陷定性，对于体缺陷的检测效果要优于面缺陷的检测效果，因此，对于气孔和夹渣等体缺陷的检出率要更高。

2.2 超声波检测技术

超声波检测具有指向性和小缺陷也能够较好地反射等特点，主要应用于检测试件的内部缺陷[10]。超声波检测技术主要有脉冲反射法、穿透法和共振法。目前，主要使用脉冲反射法进行无损检测，根据缺陷的回波和底面的回波进行判断，其中，纵波垂直探伤和横波倾斜入射探伤是主要使用的两种方式，前者更容易发现与被检测部位的表面平行或倾斜角度较小的缺陷，主要包括钢板、锻件和铸件等无损检测，后者更容易发现与被检测部位的表面垂直或倾斜角度较大的缺陷，主要应用于焊缝的无损检测。

超声波检测技术对于面缺陷的检出率较高，而体缺陷的检出率并不乐观，也更容易对缺陷在工件厚度方向上进行定位。其次，更适合检验厚度较大的工件。作为首选的内部缺陷检测方法应用于包括板件、管材、锻件和复合材料等。除此之外，检测成本低、速度快、现场检验方便也是超声波检测技术的特点。

2.3 磁粉检测技术

磁粉检测技术广泛地应用于铁磁性材料表面和近表面的无损检测中[11]，磁粉检测的工作原理是铁磁性材料（铁、钴和镍及其合金等）被磁化后，在内部会产生很强的磁感应强度，磁力线密度会增加百倍甚至千倍，如果材料中存在缺陷造成不连续性和结构、形状、材质等原因造成的不连续性，会导致磁力线发生畸变，并部分逸出材料表面，穿过空间形成漏磁场，使吸附在表面喷洒的干磁粉或者磁悬液形成与缺陷性状接近的磁痕[12]。

磁粉检测技术检测成本低，速度快，对于表面裂纹的检测灵敏度最高。但仅适宜铁磁材料的无损检测，不适应于对非铁磁材料的检测。此外，对于缺陷埋藏越深，缺陷的检出率就会降低，甚至漏检。

2.4 渗透检测技术

渗透检测技术的工作原理是通过在试件表面喷涂着色染料的渗透液，由于毛细管作用，渗透液会渗进表面开口的缺陷，然后进一步用清洗剂去除试件表面的渗透液后，通过喷涂显像剂，同样在毛细血管的作用下，缺陷会回渗到显像剂上，从而探测出缺陷的形貌及分布状态。

渗透检测技术可以检测形状复杂的部件，工件的几何形状对渗透检测的影响很小，并且可以凭借一次检测就能检出多个不同方向的缺陷，此外，所需仪器简单，操作便捷。除疏松多孔性材料外，对于非铁磁材料，渗透检测是首选的无损检测方，表现出较高的适应性。然而，渗透检测技术对于表面的光滑度要求很高，粗糙度过高会影响最终的检测效果，不同于磁粉检测可以同时检测表面和近表面缺陷，渗透检测智能检测出表面开口缺陷，检测灵敏度也更低。除此之外，检测工序多和速度慢，甚至所用检测试剂依然有毒都限制了渗透检测技术的应用。

2.5 涡流检测技术

涡流检测技术基于电磁感应理论，通过实验线圈载有交变电流靠近导体工件，线圈产生的交变磁场使导体生成感应电流（即涡流），金属材料产生涡流的大小和分布进一步检测出铁磁性和非铁磁性材料的缺陷。涡流检测技术可应用于制造工艺阶段进行质量控制，也可为投入使用的设备，如热交换管等设施进行定期检验，检测导电金属材料表面及近表面的宏观几何缺陷、涂层测厚、材质分选和电导率测量等。

涡流检测技术的优点包括对各种导电材质的试件进行无损检测，不需要接触工件，也不需要耦合剂，可以在高温环境下进行检测，检测速度快，效率高，并可实现对检测结果进行数字化处理，对于表面和近表面缺陷的检测精准度很高。目前涡流检测技术多应用于管材和板材等轧制型材。

3 其他无损检测技术

3.1 声发射检测技术

声发射检测技术是一种动态无损检测方法主要检测活动性缺陷。当材料或结构受到外力或内力产生变形或者断裂，并以弹性波形式释放出应变能，内部会发生从不稳定的高能量应力集中状态过渡至低能量的稳定状态，在这种自发形成的稳定状态过程中，会释放出弹性应力波，声发射检测技术是通过探测受力时材料发出的应力波来判断容器内部结构损伤程度。材料在力的作用下可以产生多种声发射信号，但目前无损检测致力于关注裂纹的形成和扩展。声发射检测技术的特点具有可以探测活动的缺陷，为安全性评价提供依据，其次可以远距离操作和监控。

3.2 衍射时差法超声检测技术

衍射时差法超声检测技术属于超声波检测技术的一种，工作原理是通过采用一对频率、尺寸和角度相同的纵波斜探头一收一放相向对称装置，由大角度发射探头向试件内发射一个短的超声脉冲，若存在缺陷，则会先后经过试件上表面、缺陷上尖端、缺陷下尖端和底部，分别产生直通波、底面回波和缺陷上下尖端产生的缺陷波，最终探测缺陷和测定缺陷尺寸，对垂直于探测面缺陷的尺寸测量具有独特的优势，在结构焊缝检测上的应用已经较为成熟。

衍射时差法超声检测技术的优势明显，可对缺陷的深度和尺寸进行精准量度。此外，对于垂直缺陷检测效果十分理想，同时也可有效地实时监控裂纹的变化。不仅如此，也已成熟应用于厚度较厚压力容器或表面温度超过2000 ℃的设备。

4 总结

随着科学技术不断发展和日益更新，无损检测应用于承压类特种设备的检测比重必将呈现上升的趋势。尽管目前各种无损检测技术针对不同类型的缺陷都表现出相对优异的缺陷检出率，但依然还有需要根据不足改进的地方，以期望寻求更为全面、便捷、环保和经济的检测方法，帮助检测人员更高效和精准地发现缺陷和消除缺陷，保障特种设备安全运行，最终实现企业安全生产。本文综述了无损检测的特点，以及各种不同无损检测技术的工作机理，相匹配的使用条件，并总结优势和局限，帮助无损检测人员更好地应用到实践中。希望新技术的不断发展，实现多种无损检测技术更为完美的融合，提升检测精度，并反过来进一步推动技术发展。