压力容器无损检测技术的研究

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摘要：无损检测主要用于检查材料及焊接接头的表面及内部质量，可在不损坏材料完整性的前提下，检测出受检部位存在的缺陷。本文对压力容器检验中常用的射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等进行了分析和研究。无论是锅炉压力容器的制造检验，还是定期检验，无损检测都是必不可少的检测手段。

关键词：压力容器;无损检测;磁粉检测;渗透检测;射线检测;超声检测

1.引言

当前压力容器的应用非常普遍，涉及到工业生产的各个领域，并且都与人们的日常生活有关密切的关系。压力容器是一种具有爆炸危险的特种设备，它承受着高温、易燃、易爆、剧毒或腐蚀介质的高压力[1]，一旦发生事故，将使社会生产和国民经济遭受严重破坏，人民生命财产遭受巨大的损失，直接影响社会的安定，因此，应对压力容器实施检验。

对压力容器进行检验，其目的就是防止压力容器发生失效事故，尤其是对预防破裂事故的发生。无损检测就是在不损坏被检对象材料的前提下，利用科学手段，借助先进技术和设备，对被检对象的内部及表面缺陷进行检查和测试的方法。压力容器的检验常采用的无损检测技术主要有磁粉检测、渗透检测、射线检测和超声波检测等[2]，这些检测方法都是压力容器检验中必不可少的检验手段。

2.压力容器的无损检测技术

压力容器的无损检测技术按照物质的物理特性可分为渗透特性、辐射特性、声学特性、电磁特性以及热学特性等五大类。

2.1渗透检测技术

渗透检测技术是利用毛细管作用原理检查表面开口性缺陷的无损检测方法。其简单原理是将渗透性很强的渗透剂渗进材料表面缺陷内，然后用一种特殊方法或介质再将其吸附到表面上来，以显示出缺陷的形状和部位。渗透检测的优点是可检查非材料，如奥氏体不锈钢、铜和铝等，以及非金属材料的各种表面缺陷，可发现表面裂纹、分层、气孔、疏松等缺陷，不受缺陷形状和尺寸的影响，不受材料组织结构和化学成分的限制。但是渗透检测在检测表面太粗糙的材料时易造成假象，降低检测效果，而且粉末冶金零件或其他多孔材料不宜采用。

渗透检测在检测表面微细裂纹时，其灵敏度要比射线检测高，还可用于检测非铁磁性材料等磁粉法无法应用到的部位。

2.2射线检测技术

射线检测是较准确而又可靠的无损检测方法之一，它可检验焊缝内部缺陷，并直接显示内部缺陷的形状、大小和性质，便于缺陷的定性、定量和定位，并可检查几乎所有的材料。射线照相底片还可留作永久性记录。常用的射线检测方法有X射线和γ射线、中子射线照相法、X射线荧光屏观察法、X光工业电视探伤和高能加速器X射线照相法。

射线对物质具有较强的穿透能力，射线在贯穿物质的过程中由于与物质相互作用，强度逐渐减小，即引起衰减。当射线贯穿不同厚度、不同物质的材料时衰减的程度不同。当焊缝内部有气孔、夹渣、裂纹等缺陷时，缺陷内的气体或非金属夹物等对射线的吸收能力要比钢材小得多，所以引起射线强度衰减的程度与无缺陷部位不同，从而使胶片烛光程度不同，反映在照相底片或荧光屏上的影像黑度也不同，而显现出较黑的缺陷图像。当焊缝中存在夹钨缺陷时，由于钨对射线的吸收能力比钢强，所以照相底片感光程度比钢板部分弱，帮夹钨缺陷呈白色。因此通过对射线检测底片的观察，便可发现并判断缺陷的大小、性质及分布情况。

在现场，X射线检测技术主要用于板厚较小的压力容器对接焊缝内部埋藏缺陷的检测，因为薄板采用超声检测有一定难度，而采用射线检测不需要太高的管电压。射线检测也常用于在用压力容器检验中对超声检测发现缺陷的复验，以进一步确定这些缺陷的性质，为缺陷返修提供依据[3]。

2.3超声检测技术

超声检测也是压力容器检验中广泛使用的无损检测方法之一，它不仅可以检测焊缝内部的质量，而且还可检验钢板、锻件和钢管等的内部质量。

超声波是超出人听觉范围的高频率机械振动波，超声波是频率很高，波长很短的机械波，其方向性很强，有类似光一样的良好方向性。超声波在同一均匀介质中传播时速度不变，传播方向不变，如果传播过程中遇到另一种介质，就会发生反射、折射、绕射的现象[4]。该方法具有检测灵敏度高，穿透能力强，缺陷定位比较准确，缺陷检出率高，检测速度快，成本低的优点。

超声波检测方法按原理可分为脉冲反射法、穿透法和共振法。脉冲反射法是以极短的持续时间发射脉冲超声波到被检工件内，根据反射波的情况来检测工件缺陷的方法。穿透法是根据脉冲波或连续波穿透工件之后的能量变化来判断缺陷情况的检测方法。共振法常用于工件测厚。此外，根据超声波类型，还分为纵波法、横波法、表面波法和板波检测法。

2.4磁粉检测技术

磁粉检测是检查铁磁性材料（例如铁、镍及其合金）表面或接近表面缺陷的一种检验方法。检测时，将待检的焊件磁化后，磁力线就形成均匀的平行直线形式分布。如果焊件表面或浅层存在缺陷，如裂纹、夹渣、气孔等，磁力线就将绕过磁导率低的空穴发生磁力线的弯曲，部分磁力线还会泄漏到外部空间形成漏磁通。在材料表面撒上一层磁粉或磁粉悬浮液，则在缺陷部位漏磁场处的铁粉被吸引而发生聚集。根据铁粉聚集的部位，大小和形状可直接判断缺陷的部位和大小。如果是线性缺陷且与磁力线平行，漏磁现象不明显，磁粉堆积也不多，缺陷不易被发现。只有磁力线与缺陷的方向垂直，才产生最大漏磁现象，此时检测的灵敏度最高。

为检测出各种不同方向的线性缺陷，在探伤时至少要对被测表面进行两个相互垂直方向的磁化。利用旋转磁场探伤机，一次磁化可发现各个方向上的缺陷，能显著提高探伤效率。

磁粉检测技术按磁化方法不同主要可分为通电法、支杆法、穿棒法、线圈法、磁轭法、感应电流法、复合磁化法。主要应用于对铁磁性材料表面及近表面缺陷的检测，包括钢管表面、高压紧固件、焊缝表面、焊缝坡口表面及其热影响区等。它的特点是相比其它探伤方法，对表面缺陷的灵敏度最大，而且操作简便，结果可靠。

2.5涡流检测

涡流检测是无损检测方法之一，利用导电材料的电磁感应现象，通过测量感应量的变化进行无损检测的方法。涡流检测速度快，特别适合管、棒材的检测，对于表面和近表面缺陷有较高的灵敏度，可对大小不同的缺陷进行评价，能在高温状态下进行探伤，可用于异形材和小零件的检测，不仅适用于导电材料的缺陷检测，而且可检测材料的电导率、磁导率、热处理状况、硬度和几何尺寸等。

对于在用压力容器，涡流检测主要用于换热器、换热管的腐蚀状态检测和焊缝表面裂纹检测。检测采用内穿过式探头，非铁磁性换热管采用常规涡流检测技术，铁磁性换热管采用远场涡流检测技术，以检测换热管内外部腐蚀引起的穿孔、蚀坑以及壁厚均匀减薄等缺陷。

2.6声发射

材料或结构受外力和内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射。发射弹性波的位置（缺陷）称为声发射源。声发射检测是一种动态无损检测方法，而且，声发射信号来自缺陷本身，因此，用声发射法可以判断缺陷的严重性。一个同样大小、同样性质的缺陷，当它所处的位置和所受的应力状态不同时，对结构的操作程度也不同，所以它的声发射特征也有差别。明确了来自缺陷的声发射信号，就可以长期连续地监视缺陷的安全性，这是其它无损检测方法所不具有的。

声发射技术用于检测在用压力容器可能存在的活动性缺陷，也可用于对已知缺陷进行活性评价。声发射检测特点是必须在检测过程中对压力容器进行加载，常用的加载方法为压力容器停止运行后进行的水压或气压试验，也可直接用工作介质进行加载。对活动性缺陷，在加载过程中用多个声发射传感器对压力容器壳体进行整体监测，以发现活性声发射源，然后通过活性声发射源进行表面和内部缺陷检测，排除干扰源，发现压力容器上存在的缺陷。

2.7超声波衍射时差法（TOFD）

衍射时差法是一种依靠从待检试件内部结构（主要是指缺陷）的“端角”和“端点”处得到的衍射能量来检测缺陷的方法。目前国内一些新建大型化工项目内应用有许多。TOFD检测设备由于受到探头行走装置的限制，被检设备焊道两侧150mm范围内需要打磨光滑，且需要耦合剂，一般需要两人配合操作。

超声波衍射时差法操作方便，作业时间不受限制，检出缺陷效率高，容易检出方向性不好的缺陷，可以检测较厚设备焊接接头，可以识别向表面延伸的缺陷。如果和脉冲反射法相结合时效果更好。但是在外表面附近有约3mm的盲区，而且内表面附近也可能存在盲区，超声波衍射时差法对噪声敏感。

2.8红外检测

许多高温压力容器内部有一层珍珠岩等保温材料，以使压力容器壳体的温度低于材料的允许使用温度，如果内部保温层出现裂纹或部分脱落，则会使压力容器壳体超温运行而导致热损伤采用常规红外热成像技术可以很容易发现压力容器壳体的局部超温现象。压力容器上的高应力集中部位在经大量疲劳载荷后，如出现早期疲劳损伤，会出现热斑迹图象。压力容器壳体上疲劳热斑迹的红外热成像检测可以及早发现压力容器壳体上存在的薄弱部位，为以后的重点检测提供依据。

3.总结

压力容器是具有爆炸危险的承压设备，在运行中一旦发生泄漏或爆炸，将发生灾难性的事故。为此，本文分析总结了压力容器检验中常用的无损检测技术，并对各检测技术的优缺点进行了总结，针对不同的设备选择不同的无损检测技术。

参考文献：

[1]欧阳春.在用压力容器无损检测技术的原理和应用[J].南昌：能源研究与管理，2010.09.15

[2]刘廷贵，鹿道智，周震，黄守勤.锅炉压力容器压力管道焊工考证基础知识[M].北京：中国计量出版社，2002.6

[3]沈功田，张万岭等.压力容器无损检测技术综述[J].上海：无损检测，2004，26（1）

[4]吴燕.压力容器无损检测技术的选择与应用探究[J].北京：科技资讯，2011.08.03