壓力容器無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用

一、引言

從廣義上講，凡盛裝有壓力介質(zhì)的容器即為壓力容器，也就是說(shuō)，凡承受流體介質(zhì)壓力的密閉設(shè)備均可稱為壓力容器。壓力容器是一種可能引起爆炸或中毒等危害性較大事故的特種設(shè)備，一旦發(fā)生爆炸或泄漏，往往并發(fā)火災(zāi)、中毒、污染環(huán)境等災(zāi)難性事故，所以壓力容器比一般機(jī)械設(shè)備有更高的安全要求。檢驗(yàn)是壓力容器安全管理的重要環(huán)節(jié)。壓力容器檢驗(yàn)的目的就是防止壓力容器發(fā)生失效事故，特別是預(yù)防危害最嚴(yán)重的破裂事故發(fā)生。因此，壓力容器檢驗(yàn)的實(shí)質(zhì)就是失效的預(yù)測(cè)和預(yù)防?，F(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)的定義是：在不損壞試件的前提下，以物理或化學(xué)方法為手段，借助先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備器材，對(duì)試件的內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)，性質(zhì)，狀態(tài)進(jìn)行檢查和測(cè)試的方法。目前對(duì)壓力容器的檢測(cè)方法有多種，本文主要介紹無(wú)損檢測(cè)的常用技術(shù)如射線、超聲、磁粉和滲透及新技術(shù)如聲發(fā)射、磁記憶等。

二、無(wú)損檢測(cè)方法的特點(diǎn)

無(wú)損檢測(cè)在承壓設(shè)備上應(yīng)用時(shí)，主要有以下四個(gè)特點(diǎn)：

(一)無(wú)損檢測(cè)應(yīng)與破壞性檢測(cè)相結(jié)合。無(wú)損檢測(cè)的最大特點(diǎn)是在不損傷材料、工件和結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行檢測(cè)，具有一般檢測(cè)所無(wú)可比擬的優(yōu)越性。但是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)自身還有局限性，不能代替破壞性檢測(cè)。例如液化石油氣鋼瓶除了無(wú)損檢測(cè)外還要進(jìn)行爆破試驗(yàn)。

(二)正確選用實(shí)施無(wú)損檢測(cè)的時(shí)間。在進(jìn)行承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)目的，結(jié)合設(shè)備工況、材質(zhì)和制造工藝的特點(diǎn)，正確選用無(wú)損檢測(cè)實(shí)施時(shí)間。例如，鍛件的超聲波探傷，一般安排在鍛造完成且進(jìn)行過(guò)粗加工后，鉆孔、銑槽、精磨等最終機(jī)加工前。

(三)正確選用最適當(dāng)?shù)臒o(wú)損檢測(cè)方法。對(duì)于承壓設(shè)備進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)，由于各種檢測(cè)方法都具有一定的特點(diǎn)，不能適用于所有工件和所有缺陷，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，靈活地選擇最合適的無(wú)損檢測(cè)方法。例如，鋼板的分層缺陷因其延展方向與板平行，就不適合射線檢測(cè)而應(yīng)選擇超聲波檢測(cè)。

(四)綜合應(yīng)用各種無(wú)損檢測(cè)方法。在無(wú)損檢測(cè)中，任何一種無(wú)損檢測(cè)方法都不是萬(wàn)能的。因此，在無(wú)損檢測(cè)中，應(yīng)盡可能多采用幾種檢測(cè)方法，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，取得更多的缺陷信息，從而對(duì)實(shí)際情況有更清晰的了解。例如，超聲波對(duì)裂紋缺陷探測(cè)靈敏度較高，但定性不準(zhǔn)；而射線對(duì)缺陷的定性比較準(zhǔn)確，兩者配合使用，就能保證檢測(cè)結(jié)果可靠準(zhǔn)確。

三、無(wú)損檢測(cè)方法介紹

現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)的定義是：在不損壞試件的前提下，以物理或化學(xué)方法為手段，借助先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備器材，對(duì)試件的內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)，性質(zhì)，狀態(tài)進(jìn)行檢查和測(cè)試的方法。

（一）射線檢測(cè)

射線檢測(cè)技術(shù)一般用于檢測(cè)焊縫和鑄件中存在的氣孔、密集氣孔、夾渣和未融合、未焊透等缺陷。另外，對(duì)于人體不能進(jìn)入的壓力容器以及不能采用超聲檢測(cè)的多層包扎壓力容器和球形壓力容器多采用Ir或Se等同位素進(jìn)行γ射線照相。但射線檢測(cè)不適用于鍛件、管材、棒材的檢測(cè)。

射線檢測(cè)方法可獲得缺陷的直觀圖像，對(duì)長(zhǎng)度、寬度尺寸的定量也比較準(zhǔn)確，檢測(cè)結(jié)果有直觀紀(jì)錄，可以長(zhǎng)期保存。但該方法對(duì)體積型缺陷（氣孔、夾渣）檢出率高，對(duì)體積型缺陷（如裂紋未熔合類），如果照相角度不適當(dāng)，容易漏檢。另外該方法不適宜較厚的工件，且檢測(cè)成本高、速度慢，同時(shí)對(duì)人體有害，需做特殊防護(hù)。

（二）超聲波檢測(cè)

超聲檢測(cè)（UltrasonicTesting，UT）是利用超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生衰減，遇到界面產(chǎn)生反射的性質(zhì)來(lái)檢測(cè)缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。

超聲檢測(cè)既可用于檢測(cè)焊縫內(nèi)部埋藏缺陷和焊縫內(nèi)表面裂紋，還用于壓力容器鍛件和高壓螺栓可能出現(xiàn)裂紋的檢測(cè)。

該方法具有靈敏度高、指向性好、穿透力強(qiáng)、檢測(cè)速度快成本低等優(yōu)點(diǎn)，且超聲波探傷儀體積小、重量輕，便于攜帶和操作，對(duì)人體沒(méi)有危害。但該方法無(wú)法檢測(cè)表面和近表面的延伸方向平行于表面的缺陷，此外，該方法對(duì)缺陷的定性、定量表征不準(zhǔn)確。

（三）磁粉檢測(cè)

磁粉檢測(cè)（MagneticTesting，MT）是基于缺陷處漏磁場(chǎng)與磁粉相互作用而顯示鐵磁性材料表面和近表面缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。

在以鐵磁性材料為主的壓力容器原材料驗(yàn)收、制造安裝過(guò)程質(zhì)量控制與產(chǎn)品質(zhì)量驗(yàn)收以及使用中的定期檢驗(yàn)與缺陷維修監(jiān)測(cè)等及格階段，磁粉檢測(cè)技術(shù)用于檢測(cè)鐵磁性材料表面及近表面裂紋、折疊、夾層、夾渣等方面均得到廣泛的應(yīng)用。

磁粉檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)在于檢測(cè)成本低、速度快，檢測(cè)靈敏度高。缺點(diǎn)在于只適用于鐵磁性材料，工件的形狀和尺寸有時(shí)對(duì)探傷有影響。

（四）滲透檢測(cè)

滲透檢測(cè)（PenetrantTest，PT）是基于毛細(xì)管現(xiàn)象揭示非多孔性固體材料表面開(kāi)口缺陷，其方法是將液體滲透液滲入工件表面開(kāi)口缺陷中，用去除劑清除多余滲透液后，用顯像劑表示出缺陷。

滲透檢測(cè)可有效用于除疏松多孔性材料外的任何種類的材料，如鋼鐵材料、有色金屬材料、陶瓷材料和塑料等材料的表面開(kāi)口缺陷。隨著滲透檢測(cè)方法在壓力容器檢測(cè)中的廣泛應(yīng)用，必須合理選擇滲透劑及檢測(cè)工藝、標(biāo)準(zhǔn)試塊及受檢壓力容器實(shí)際缺陷試塊，使用可行的滲透檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)等來(lái)提高滲透檢測(cè)的可靠性。

該方法操作簡(jiǎn)單成本低，缺陷顯示直觀，檢測(cè)靈敏度高，可檢測(cè)的材料和缺陷范圍廣，對(duì)形狀復(fù)雜的部件一次操作就可大致做到全面檢測(cè)。但只能檢測(cè)出材料的表面開(kāi)口缺陷且不適用于多孔性材料的檢驗(yàn)，對(duì)工件和環(huán)境有污染。滲透檢測(cè)方法在檢測(cè)表面微細(xì)裂紋時(shí)往往比射線檢測(cè)靈敏度高，還可用于磁粉檢測(cè)無(wú)法應(yīng)用到的部位。

（五）聲發(fā)射檢測(cè)

聲發(fā)射（AcousticEmission,AE）是指材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象。而彈性波可以反映出材料的一些性質(zhì)。聲發(fā)射檢測(cè)就是通過(guò)探測(cè)受力時(shí)材料內(nèi)部發(fā)出的應(yīng)力波判斷容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷程度的一種新的無(wú)損檢測(cè)方法。

壓力容器在高溫高壓下由于材料疲勞、腐蝕等產(chǎn)生裂紋。在裂紋形成、擴(kuò)展直至開(kāi)裂過(guò)程中會(huì)發(fā)射出能量大小不同的聲發(fā)射信號(hào)，根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)的大小可判斷是否有裂紋產(chǎn)生、及裂紋的擴(kuò)展程度。

聲發(fā)射與X射線、超聲波等常規(guī)檢測(cè)方法的主要區(qū)別在于它是一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法。聲發(fā)射信號(hào)是在外部條件作用下產(chǎn)生的，對(duì)缺陷的變化極為敏感，可以檢測(cè)到微米數(shù)量級(jí)的顯微裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展的有關(guān)信息，檢測(cè)靈敏度很高。此外，因?yàn)榻^大多數(shù)材料都具有聲發(fā)射特征，所以聲發(fā)射檢測(cè)不受材料限制，可以長(zhǎng)期連續(xù)地監(jiān)視缺陷的安全性和超限報(bào)警。

（六）磁記憶檢測(cè)

磁記憶(Metalmagneticmemory,MMM)檢測(cè)方法就是通過(guò)測(cè)量構(gòu)件磁化狀態(tài)來(lái)推斷其應(yīng)力集中區(qū)的一種無(wú)損檢測(cè)方法，其本質(zhì)為漏磁檢測(cè)方法。

壓力容器在運(yùn)行過(guò)程中受介質(zhì)、壓力和溫度等因素的影響，易在應(yīng)力集中較嚴(yán)重的部位產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、疲勞開(kāi)裂和誘發(fā)裂紋，在高溫設(shè)備上還容易產(chǎn)生蠕變損傷。磁記憶檢測(cè)方法用于發(fā)現(xiàn)壓力容器存在的高應(yīng)力集中部位，它采用磁記憶檢測(cè)儀對(duì)壓力容器焊縫進(jìn)行快速掃查，從而發(fā)現(xiàn)焊縫上存在的應(yīng)力峰值部位，然后對(duì)這些部位進(jìn)行表面磁粉檢測(cè)、內(nèi)部超聲檢測(cè)、硬度測(cè)試或金相組織分析，以發(fā)現(xiàn)可能存在的表面裂紋、內(nèi)部裂紋或材料微觀損傷。

磁記憶檢測(cè)方法不要求對(duì)被檢測(cè)對(duì)象表面做專門的準(zhǔn)備，不要求專門的磁化裝置，具有較高的靈敏度。金屬磁記憶方法能夠區(qū)分出彈性變形區(qū)和塑性變形區(qū)，能夠確定金屬層滑動(dòng)面位置和產(chǎn)生疲勞裂紋的區(qū)域，能顯示出裂紋在金屬組織中的走向，確定裂紋是否繼續(xù)發(fā)展。是繼聲發(fā)射后第二次利用結(jié)構(gòu)自身發(fā)射信息進(jìn)行檢測(cè)的方法，除早期發(fā)現(xiàn)已發(fā)展的缺陷外，還能提供被檢測(cè)對(duì)象實(shí)際應(yīng)力---變形狀況的信息，并找出應(yīng)力集中區(qū)形成的原因。但此方法目前不能單獨(dú)作為缺陷定性的無(wú)損檢測(cè)方法，在實(shí)際應(yīng)用中，必須輔助以其他的無(wú)損檢測(cè)方法。

四、結(jié)束語(yǔ)

作為一種綜合性應(yīng)用技術(shù)，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)經(jīng)歷了從無(wú)損探傷(NDI)，到無(wú)損檢測(cè)(NDT)，再到無(wú)損評(píng)價(jià)(NDE)，并且向自動(dòng)無(wú)損評(píng)價(jià)(ANDE)和定量無(wú)損評(píng)價(jià)(QNDE)發(fā)展。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，新生的納米材料、微機(jī)電器件等行業(yè)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)將會(huì)得到迅速發(fā)展