压力容器、压力管道裂纹检验中的无损检测技术研究

王海洋

摘  要：现代工业生产中，压力容器压力管道等承压类特种设备应用越来越广泛，其运行安全性就显得尤为重要。为了保障压力容器的安全使用，在对压力容器进行检验时，不仅要保证检验结果的准确性和可靠性，而且还要做到经济、快捷、准确。基于此，就压力容器、管道裂纹检验中的无损检测技术展开分析，以供参考。

关键词：压力容器  管道  裂纹检验  无损检测技术

中图分类号：TH49

Research on Nondestructive Testing Technology in the Crack Detection of Pressure Vessels and Pipelines

WANG Haiyang

（Ningxia Special Equipment Inspection and Testing Institute， Yinchuan，  Ningxia Hui Autonomous Region，751000 China）

Abstract： In modern industrial production， special pressure equipment such as pressure vessels and pipelines are increasingly widely used， and their operation safety is particularly important. In order to ensure the safe use of pressure vessels， when detecting pressure vessels， it is necessary not only to ensure the accuracy and reliability of detection results， but also to be economical， fast and accurate. Based on this， this article analyzes the nondestructive testing technology in the crack detection of pressure vessels and pipelines， for reference.

Key Words： Pressure vessel; Pipeline; Crack detection; Nondestructive testing technology

承压设备无损检测技术，是利用声、光、磁等方法，在不损伤被检测设备原来的状态、结构和形状等前提下，获取被测物设备结构有关的内部缺陷、表面损伤及化学破坏所采用的检查方法。通过单一或者多种检测方法的组合检测，可以定性或定量地判断结构内部存在的缺陷情况、确定缺陷位置和预测缺陷可能的发展趋势，有效地保证设备运行安全。

1  无损检测技术在压力容器、压力管道裂纹检验中的作用

压力容器、管道在制造安装过程及实际使用中所处环境比较复杂，经常会出现裂纹的情况。例如：在最初制造时由于受到材料、制造、焊接工艺等方面因素的影响，容器、管道出厂时就会携带符合检测合格等级的一些缺陷；在实际使用中，由于介质腐蚀性、压力、温度、应力及临氢和疲劳作用等因素影响，会造成压力容器管道产生开裂及裂纹扩展。因此，为了能够及时发现和处理压力容器管道裂纹问题，需要对相关设备进行无损检测，及时有效发现压力容器管道的缺陷，提醒使用单位及时采取措施来处理发现的问题，防止隐患扩大，从而保证生产的安全进行[1]。

2  压力容器管道的常见裂纹

2.1  焊接裂纹

焊接裂纹是压力容器制造和压力管道预制、安装过程中常见的一种缺陷。在焊接过程中，由于温度、应力、刚性、焊接热输入、母材清洁程度和焊后热处理不当等原因，焊接接头出现的裂纹称为焊接裂纹，对压力容器、管道的制造和使用都会产生不利影响[2]。其产生的主要原因是熔敷金属或热影响区中的夹杂物聚集，形成低熔点共晶体或共晶组织，导致过热、塑性变形、应力集中、裂纹产生。焊接裂纹主要产生于焊接接头焊缝区和热影响区。

2.2  应力裂纹

应力裂纹是由于金属材料在应力状态下产生的裂纹，这种裂纹在材料出现塑性变形时就有可能出现的，也有在塑性变形后才出现的。

应力裂纹不一定都是宏观断裂，有时也有微观断裂现象，其特征是在晶界上出现较长的线状或锯齿状应力集中带，这些带内无金属间化合物存在。应力裂纹通常不具有明显的方向性，呈对称分布。应力裂纹中也有少数具有宏观裂纹特征，但并不与微观断裂相联系。压力容器、管道的应力裂纹有多种表现形式，一般可分为表面形式、内部形式和复合形式三种[3]。

2.3  腐蚀裂纹

腐蚀裂纹是由于腐蚀介质在金属表面形成并向内部发展的裂纹。一般认为，腐蚀裂纹是由于金属与腐蚀介质接触发生化学或电化学作用，使金属表面局部或全部发生化学或电化学腐蚀而产生的。通常可分为3种类型：（1）化学腐蚀裂纹，即由于金属表面的物质与酸、碱等溶液反应而产生的腐蚀裂纹；（2）电化学腐蚀裂纹，即由于金属表面的氧化膜或氧化物与电解质溶液发生反应而产生的腐蚀裂纹；（3）电化学腐蚀裂纹，即由于金属表面的物质与电解质溶液发生电化学反应而产生的腐蚀裂纹。压力容器管道中常因介质或容器外表面发生严重的化学或电化学腐蚀性介质作用而产生腐蚀裂纹。

2.4  疲劳裂纹

疲劳裂纹是承压设备结构不连续区域或承受交变载荷的区域由于焊接应力、交变载荷等叠加所产生的应力超过材料的屈服极限而引起的。其特征是裂纹在疲劳过程中不发生扩展，而是在一定时间内产生疲劳寿命。

疲劳裂纹多发生在高应力集中区，如不及时发现，可引起较大的事故，严重时会造成设备报废。通常对疲劳裂纹可以采取消除应力、降低残余变形、改进焊接方法、提高材料质量等措施加以预防[4]。

3   压力容器、管道裂纹检验常用无损检测技术

3.1  射线检测

裂纹缺陷往往是在制造或焊接时产生，在使用过程中进一步扩展或萌生。根据裂纹产生的原因，裂纹可以分为内部裂纹和表面裂纹。内部裂纹是指在焊接接头内部出现的裂纹；表面裂纹是指在焊接接头上下表面出现的裂纹。管道中最常见的裂纹是焊条电弧焊时产生的焊接缺陷，它是在焊缝金属中形成的，包括焊瘤、焊根等。这些缺陷对管道结构强度和耐应力腐蚀性能都有很大影响。这些缺陷中，又以表面裂纹对管道安全影响最大，所以应予以特别重视。射线检测技术（见图1）是最早使用于压力容器管道裂纹检测的无损检测技术。射线检测是利用射线照射到待检材料上，在一定的时间和剂量范围内，成像在胶片上形成图像。利用射线在胶片上的成像来判断材料中是否存在缺陷，并判断缺陷的位置、大小、形态和性质等。该技术主要包括两种类型：一是直接观察法，也就是“目视检测”，它主要用于对无损检测中的裂纹进行直接观察；二是透视检测法，也就是“观察”，它主要用于对无损检测中的裂纹进行透视观察。这两种方法都要有一定的设备条件，在压力容器管道裂纹检测中，一般选择射线检测法来对缺陷进行定性、定量的评价。射线检测法由于具有不受被检材料形状和大小限制、不需要特殊设备、能对各种材质进行检查等优点而被广泛使用于压力容器管道裂纹检测中。但是在压力容器管道裂纹检验中，射线检测法也存在一些不足：一是射线探伤对被检材料的要求比较高，主要用于对金属材料中的裂纹进行射线探伤；二是射线探伤技术适用范围有限，对于一些复杂的焊接接头和缺陷无法进行无损检测；三是在压力容器管道裂纹检验中射线探伤容易产生误判[5]。

3.2  超声检测

超声波在介质中的传播速度取决于介质的波速和声阻抗。在许多材料中，由于声阻抗不匹配，声波的传播速度大于声速。所以，声波可以在各种材料中传播，尤其是在声学材料中。超声波在固体介质中的传播速度是一个相对稳定的值。但是，在不同材料和不同条件下，声阻抗也会发生变化，所以声速也会发生变化。

超声波是一种机械波，它是以声波的形式进行传播的，声波从声源开始向外传播。超声检测原理是利用超声波在介质中的传播速度、超声波束与缺陷之间的相互作用及超声波在各种材料中的衰减来判断缺陷存在和大小的一种无损检测方法。超声波对各种材料都有明显的穿透能力，所以超声检测可用于对各种材料进行探伤。与射线、磁粉等其他无损检测技术相比，超声检测具有灵敏度高、速度快、成本低等特点，已成为压力容器管道裂纹检验中不可缺少的无损检测方法之一。

3.3  磁粉检测

磁粉检测是一种检测铁磁性材料表面和近表面缺陷的无损检测技术，与传统的射线、超声波等无损检测方法相比，具有对检测表面要求低、适用面广、灵敏度高、操作简便等优点。磁粉探伤机（见图2）可以发现较小缺陷，但对于缺陷的定量比较困难，对于较大的缺陷只能发现有无。在磁粉检测中，为了提高其灵敏度，常用的方法是采用磁悬液。在进行磁粉检测时，将磁悬液用水稀释成合适的浓度，并把它涂抹在待检部位表面上，然后利用涡流检测设备来进行探伤。这种方法与传统的射线和超声波无损检测相比具有明显的优点：（1）能发现表面和近表面缺陷；（2）灵敏度高；（3）可以发现不可见缺陷；（4）适用范围广；（5）可发现各种形状、大小、深度和数量的缺陷；（6）适用于所有材料及各种形状工件的检测。但是磁粉检测也有其不足之处：（1）当工件表面存在粗糙不平、凹凸及弧坑等不连续缺陷时，磁粉检测灵敏度会下降；（2）如果工件表面存在严重腐蚀，则磁粉检测结果会被掩盖；（3）磁粉检测成本较高。

3.4  渗透检测

渗透检测技术是利用液体渗透剂渗透到固体表面，形成一种具有一定强度的薄膜，然后再通过显像显示出缺陷的方法。该技术通过对被检测物体表面进行显像，可以清晰地反映被检测物体表面的缺陷情况。渗透检测技术在压力容器管道裂纹检测中主要用于以下几个方面：（1）材料缺陷的检测，在进行金属材料的压力容器管道裂纹检验时，就可以利用该技术对其进行检测，例如金属材料中的裂纹、夹杂、气孔等缺陷；（2）金属构件表面裂纹、凹坑、疲劳裂纹等表面缺陷的检验；（3）容器内壁与内壁之间有缺陷存在的检查；（4）压力容器管道内部有裂纹存在时，可以使用渗透检测技术对其进行无损检测，该技术具有设备简单、操作方便、不需要复杂设备和耗材等优点。

3.5  涡流检测

涡流检测是一种用来检测线圈中的磁场强度来确定缺陷位置的无损检测技术，具有分辨率高、灵敏度高、便于实现自动化等优点。但该技术检测灵敏度受被检材料和外界环境的影响较大，对缺陷的类型、尺寸等判断还需借助其他无损检测技术。

3.6  声发射检测

实际生产中由于装置运行及不定期检查的需要，往往需要在不停机状态下开展检测，以达到监测和缺陷发展趋势的预测。承压设备材料中如果存在裂缝扩展、塑性变形或相变等引起应变能快速释放而产生的应力波从而导致声发射现象，检测到声发射信号，就可以连续监视材料内部变化的整个过程。声发射检测技术就是通过接收和分析在用承压设备在工作状态下或者压力试验条件下材料声发射信号来评定设备性能或结构完整性的动态无损检测方法。

4  结语

综上所述，在压力容器、管道的制造和使用过程中，开展定期、不定期的检验检测，充分利用无损检测技术非破坏性、适用性强、测量精度高等优点，结合各种设备裂纹缺陷成因及表现形式，可以采用单一方法检测也或者组合式的综合分析和评价，及时发现设备存在的各种缺陷，有效保证压力容器安全运行。同时，随着压力容器制造工艺技术和材料性能的不断提高，对压力容器及其管道进行无损检测也将更加重要。

参考文献

[1]孙嘉.浅谈压力容器压力管道检验的裂纹问题[J].现代制造技术与装备，2023，59（6）：101-103.

[2]魏建波.压力容器及管道常见裂纹问题分析[J].氮肥技术，2023，44（3）：44-48.

[3]高斌.压力容器泄漏超声检测技术研究与系统实现[D].太原：中北大学，2021.

[4]车慧敏.压力容器压力管道检验中裂纹问题的解决措施[J].中国石油和化工标准与质量，2022，42（10）：43-45.

[5]左千.纤维缠绕复合材料压力容器爆破压力研究与优化设计[D].杭州：浙江大学，2022.