（化工过程机械专业论文）超高压容器和管道周向超声检测技术研究.pdf

摘要 超高压容器和管道作为高风险设备，广泛应用于乙烯聚合、人造水晶、合成金 刚石、等静压处理、超高静液压挤压、粉末冶金、金属成型、地球物理和地质力学研 究。目前，绝大多数超高压容器和管道为单层厚壁筒形结构。在制造、使用过程中，无 损检测是保证产品质量和安全使用的有效手段。超声检测同时适用于内部缺陷和外表 面缺陷检测，是压力容器和管道的主要检测方法。然而，由于超高压容器和管道的内 外径之比通常小于o 6 ，周向超声检测技术难度较大，国内外还没有相应的检测标准和 成熟的检测工艺。本文在深入分析国内外超高压容器和管道周向超声检测技术研究现 状的基础上，对单层厚壁筒形件周向超声检测技术进行了较为系统地研究，主要工作 和研究成果有： 1 ) 在研究横波斜探头声场结构、径向缺陷超声波反射规律、内表面模拟裂纹回波 高度、缺陷定位和自身高度测定方法、曲界面超声耦合理论的基础上，提出了近l 临界 角入射斜探头检测的判伤准则和缺陷定位、自身高度测定、检测灵敏度确定、探头特 征参数测量的方法，在此基础上形成了近临界角入射的横波技术，以及不同规格筒形 件周向超声检测的方法和工艺。 2 ) 通过试验比较，验证本文提出的近临界角入射的横波技术对z0 5 6 的筒形 件内表面缺陷检测具有足够的信噪比和定位精度，突破了常规理论规定的横波技术只 适用于，么z0 6 的限制。通过灵敏度对比试验，验证双重波型检测法、变型横波端角 反射法对c0 5 6 筒形件的检测可靠性。 3 ) 人工缺陷和真实裂纹的检测试验，以及超高压人造水晶釜和超高压聚乙烯输送 管的现场检测工程实践表明，本文提出的检测方法和工艺具有高的检测精度，可在工 程中推广应用。 关键词：厚壁筒形件；周向超声检测：超高压容器；超高压管道；水晶釜；乙烯 输送管 a b s t r a c t a i sh i 曲一r i s ka p p a r a t u s ，u l t r a h i 曲p r e s s u r ev e s s e la n dp i p e sa r ew i d e l yu s e di ne t h y l e n e p o l y m e r i z a t i o n ，s y n t h e s i so fm a n m a d eq u a r t z a n dd i a m o n d ，s t a t i cp r e s s u r et r e a t i n g , u l t r a - h i 曲s t a t i cp r e s s u r ee x t r u d i n g , p o w d e rm e t a l l u r g y , m e t a lf o r m i n g ，g e o p h ) f s i c a la n d g e o m e c h a n i c sr e s e a r c h a tp r e s e n t ，m o s to ft h eu l t r a - h i g hp r e s s u r ev e s s e l sa n dp i p e sa r e m o n o b l o ct h i c k w a l l c y l i n d e r , d u r i n g w h o s em a n u f a c t u r ea n di n 。s e r v i c e p r o c e s s ， n o r d e s t r u c t i v et e s ti sar e l i a b l em e t h o dt om a k es u r ei t sq u a l i t ya n ds a f es e r v i c e a s u l t r a s o n i ct e s t ( u di sc a p a b l et ot e s ta p p a r a t u si n s i d ea n do u t s i d ea sw e l l ，i tb e c o m e st h e m a i nt e s tw a yf o ru l t r a - h i g hp r e s s u r ev e s s e l sa n dp i p e s ，y e tc i r c u m f e r e n t i a lu ti sh a r dt o p e r f o r mo nt h e m ，e s p e c i a l l yw h e nt h er a t i oo fi n n e rr a d i u st oo u t e rr a d i u ss m a l lt h a n0 6 m e a n w h i l e t h e r ea i ef e wm a t u r et e c h n i q u ea n de x i s t i n gs t a n d a r dd o m e s t i ca n da b r o a d b a s i co nt h ed e e pa n a l y s i so fs t a t e o f - t h e - a r td o m e s t i ca n da b r o a d ，t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i g a t e dt h ec i r c u m f e r e n t i a lu t f o ru l t r a h i g l lp r e s s u r ev e s s e l sa n dp i p e s t h em a i nw o r k a n dr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf c ) u o w s ： 1 1b a s e do nt h ea n a l y s i so fs t r u c t u r eo fs o u n df i e l d ，e c h oc h a r a c t e r i s t i co fr a d i a ld e f e c t s ， e c h od e p t ho fi n n e rf a c ed e f e c t ，d e f e c tl o c a t i n g , s e l fh e i g h ti d e n t i f i e dm e t h o da n du l t r a s o n i c c o u p l e dw a v et h e o r yi nc u r v e df a c e ，t h ec r i t e r i o nf o rc l o s ei n c i d e n tc r i t i c a la r i g l eo fa n g l e b e a mp r o b e ，d e f e c tl o c a t i n gm e t h o d ，s e l fh e i g h ti d e n t i f i e dm e t h o d ，t e s t i n gs e n s i t i v i t ya n d c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro ft h ep r o b ew e r eb r o u g h tu p ，a c c o r d i n gt ow h i c h ，ac l o s ei n c i d e n t c r i t i c a la n g l es h e a rw a v et e c h n o l o g ya n dc i r c u m f e r e n t i a lu tm e t h o d sf o rc y l i n d e rw i t h d i f f e r e n ts p e c i f i c a t i o nw e r ef o r m e d 2 ) c o n f i r m e db ye x p e r i m e n t sc o m p a r i s o nt h a tc l o s ei n c i d e n tc r i t i c a la n g l es h e a rw a v e m e t h o dw h i c hb r o u g h tf o r w a r di nt h i sp a p e rh a ss u f f i c i e n ts n ra n dl o c a t i n ga c c u r a c yf o r c y l i n d e r sw i t h a0 5 6 ，w h i c hb r o k et h r o u g ht h ec o n v e n t i o n a lt h e o r yt h a ts h e a rw a v e c a n o n l yu s e df o rc y l i n d e r sw i t h 压2 0 6 t h et e s t i n gr e l i a b i l i t yo fd o u b l ew a v em o d e s t e c h n i q u e ，m o d i f i e ds wc o r n e r - e c h ot e c h n i q u ef o rc y l i n d e r sw i t h 压o 5 6w a sa l s o c o n f i n n e db ys e n s i t i v i t yc o m p a r i s o ne x p e r i m e n t s 3 ) c o m b i n e dw i t ht e s t i n go fa r t i f i c i a ld e f e c ta n dr e a ld e f e c ta n di nf i l e da p p l i c a t i o n so f t t u l t r a h i g hs y n t h e t i cc r y s t a lv e s s e l sa n du l t r a h i g he t h y l e n ec a r r i e rp i p e ，c o n f i r m e dt h e a c c u r a c ya n df e a s i b i l i t yo ft h et e c h n o l o g ym e t h o da n dp a r a m e t e rt h a tp u tf o r w a r di nt h i s p a p e r k e yw o r d s ：t h i c k w a l lc y l i n d e r ；c i r c u m f e r e n t i a lu l t r a s o n i ct e s t i n g ；u l t r a - h i g hp r e s s u r e v e s s e l ，u l t r a - h i g hp r e s s u r ep i p e ，c r y s t a lv e s s e l s ，e t h y l e n ec a r r i e rp i p e i i i 浙扛大学硕士学位论文 符号说明 一 周向应力，m p a ； 一 简体内压，m p a ； 一简体外半径，1 1 1 1 1 1 ； 一筒体内半径，m i d ； 简体某点至轴线的距离，m m ； 一径向应力，m p a ； 一轴向应力m p a ； 一筒体外径与内径之比； 一 周向温差应力，m p a ； 一径向温差应力，m p a ； 一轴向温差应力，m p a , 一 筒体内外壁温差； 一 相应温度下简体内压，m p a ； 一 材料弹性模量，m p a ： 一线膨胀系数，； 一 材料泊松比； 一 简体任意处的半径比，k ! 一 钢中横渡声建，m s ； 一 有机玻璃中纵波声速，m s 一横波折射角，。； 一 内外半径之比 第一临界角，t ； 一 缺陷深度，l n r f l ； 一 矩形晶片的半长，m m l 一矩形晶片的半宽，m m ； 纵渡入射角，t ： 探头近场区长度，n ； 钢中横波波长，m m ； 声场中某点声压，p a ； 与声电转换效率相关的系数； 声束的指向性系数； 声场中某点波线与声束轴线的夹角，； 声场中某点与假想波潭的距离，t r i m ； 入射纵波时，折射横渡的透射率，； 入射点至与假想渡源的距离，t r i m ； 横波声程，； 入射点至与晶片中心的距离，m i l l i 钢密度，蝌一； 有机玻璃密度，k m 3 ； 横渡入射角，o 有机玻璃中横波声速，, m s t 钢中纵波声速，。m s ： 声柬的上半扩教角，气 声柬的下半扩散角，气 声束轴线与缺陷方向的倾角，； 斜入射对镜面反射的缺陷回波声压， p a ： 横波入射钢空气界面时，反射横波的声 压反射率。： 垂直入射对镜面反射的缺陷回波声压， p a t 横波声压往复透射率，； 第二临界角，t ： 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 吼kk即9 x乞 s 见nq吒懿y 只 心 民 鬼 一 吼足尺 ， 一 q 吒k 磙西 缸e 口 墨 q q 展 咖 q h 口 参 浙江大学硕士学位论文 横波材质衰减系数n p l m m ：l一纵波声程，i t l m ： 一 缺陷自身高度，m m ： 垂直入射时宽度为t 的带状缺陷回波声 压，p a ： 斜入射时宽度为t 的带状缺陷回波声 压。p a t 一3 d b 扩散角，。 一 长横孔的回波声压，p a ： 一 长横孔的直径，埘m h 一纵波材质衰 硪系数，n p l m m ； 九 一钢中纵波波长，m i l l ： f一交型渡聚焦声压增强系数 d d 声柬井轮廓线与内壁法线的夹角，9 ； 丸 界面上声束的外轮廓线与声柬的中心 轴线的距离，m m ； 6 斩射横渡对表面切槽的回波高， z 。 k 0 4 一定量比例系数 d s ； 横渡入射时端角反射率，； 切割槽的形状系数； z m 缺陷外表面对应位置与入射点问的弧 长，i n m ； 超声波穿过厚度为6 的耦舍利的穿透 率， 平界面的穿透率，： 一藕合剂波矢量，m n a - 1 耦合剂层厚度，j 一 耦合剂声阻抗，l 【g ，m 2 s 一工件声阻抗，k g m 2 s ： z 一 有机玻璃声阻抗，k g m 2 s r 一 曲面引起的修正角，o ； 日l 折射纵波对表面切榴的回波高，； 一耦舍剂最大润湿区的半值，l 删 气 一纵波声压往复透射率，： d 一 一耦合剂层最大厚度，m m ； d r 一 纵波入射时端角反射率；0 一有机楔块中的半扩散角，； 日l s 一变型横波对表面切槽的回波高，； 口： 一修磨后的入射角， 一锕、空气界面的往复声压反射率，； 砖 一修磨后的折射角， a d b 一波幅差，d b ； a a l 一入射角韵改变量，； a 。 一声束轴线与内壁法线的夹角， 螗 一 折射角的改变量，口 巩一竺横? 高度舭的表面切槽的回_ l“乳 波高。； 打 u 一黧芝对高度为埔表面切槽的回 爿u 一波高，； 厶 一修磨后的高度，m m 5 一修磨后的探头前沿长度，姗f 符岱i 变型横渡对表面切槽的回波高，； k 一 探头前沿长度m m 。 b b ， 气 暑 几 0 矿 一 一 一 w 凤 新江大学硕士学位论文 1 , 1 超高压容器和管道的特点 1 文献综述 随着科学技术的进步，超高压技术在科学研究和工业生产方面的应用日益广泛， 其要求也越来越高。超高压容器和管道主要应用在化学、石化、人造水晶、合成金刚 石、等静压处理、超高静液压挤压、粉末冶金、金属成型、地球物理和地质力学等行 业或领域。鉴于超高压容器与管道的设计压力大于等于1 0 0 m p a ，其结构与一般的压力 容器和管道不同。超高压容器由简体和主要受压元件组成，其简体结构有单层整锻式、 多层筒体、绕丝式筒体、部分块式筒体、压力夹套式简体“1 。其中单层整锻式的厚壁超 高压容器在国内外应用最为广泛。超高压管道的结构有单层管、双层管及多层管，其 中单层结构的超高压管道由于制作方便，相对成本较低，是目前应用最广泛的结构型 式。本文研究的超高压容器和管道仅限于单层整锻式的超高压容器和单层结构的超高 压管道，其典型产品有超高压水晶釜、超高压聚乙烯反应器和超高压乙烯输送管等。 超高压容器和管道具有以下特点： 1 ) 压力高，内外径之比小。超高压容器和管道的工作压力往往大于1 0 0 m p a ，其 内外径之比一般小于0 6 ，因此其筒体受力特点不同于薄层壳体，由l a m e 公式( 1 1 ) ，( 1 3 ) 可知，在内压作用下，超高压水晶釜处于复杂的三维应力状态【1 - 2 1 。 吼一只【1 + 鼢：一1 ) 】 ( 1 - 1 ) 峭p 7 必- 1 ) l z ， o r z = 只( k 2 1 ) ( 1 - 3 ) 其轴向应力吼为拉应力，其值介于和q 之间，且沿壁厚方向均匀分布；周向 应力吼在内壁具有最大值，沿壁厚方向由内壁向外壁逐步递减，在外壁处为最小，内 壁周向应力比外壁周向应力高得多；径向应力仉为压应力，在内壁处最大，由内向外 递减至零。由此可见，筒体内壁是承受内压的主要部位，这也是所有单层厚壁容器的 承载特性，即不能充分发挥厚壁筒体的外壁部位材料的承载能力，而使筒体内壁处于 新江大学硕士学位论文 最危险的三向应力状态。 2 ) 工作条件苛刻，材料的强度高，屈强比接近于1 。超高压容器和管道一般采用 高强钢材料，这类钢材对缺陷十分敏感，任何微小的缺陷都有可能导致裂纹扩展，在 裂纹达到一定尺寸后会产生失稳扩展，引起爆破失效事故。这要求材料应具有一些特 殊的的性能，如横向力学性能好，断裂韧性高，回火脆性低，低周疲劳性能好和一定 的抗应力腐蚀及疲劳腐蚀性能，在选择超高压锻件时应特别注意强度和塑性的合理匹 配，在满足强度的前提下，尽可能提高材料的塑性和韧性，选择合适的锻造比，严格 控制硫、磷含量【1 q 。 3 ) 许多超高压容器和管道在高温条件下工作，如超高压水晶釜、超高压聚乙烯反 应器和带蒸汽夹套管的乙烯输送管等。对超高压设备而言，由于简体壁厚较大，内外 壁之间存在一定温差。当简体外部加热时，特别是在升温过程中，由于外壁温度高于 内壁温度，使得内壁材料受到拉伸，外壁受到压缩，产生温差应力。温差应力值可用 公式( 1 - 4 ) 一( 1 - 6 ) 描述1 3 】： q t 一只f ( 1 - h a k ，) l n k + ( k ? - 0 1 ( k 2 1 ) 1 ( 1 - 4 ) 一只( 1 - 1 a k , ) l n k 一( 砰一1 ) 陋2 1 ) 1 ( 1 5 ) - j 一只( 1 - 2 1 n k 。) i n k 一2 ( k 2 1 ) 1 ( 1 6 ) 只一e a a t 2 ( 1 - 肛) 从公式( 1 - 4 ) ( 1 - 6 ) 可知，温差应力与温度差f 成正比，对于外加热址为负值， 内壁的周向温差应力和轴向温差应力均为拉应力，外壁的周向温差应力和轴向温差应 力均为压应力。由于内壁处由介质内压引起的应力也为拉应力，因此，两者叠加起来， 极可能使筒体内壁应力达到屈服。 4 ) 单层超高压容器采用的结构有堵底和盲孔结构，堵底部位由于存在加工台阶而 使其几何不连续，由此导致该部位存在较严重的应力集中1 4 j ；盲孔结构的应力集中相对 较低，但由于超高压设备的应力水平高，其应力集中所产生的危害也是不能忽视的。 5 ) 大多数超高压容器和管道在低周疲劳环境下使用。如聚乙烯反应器、超高压水 晶釜、等静压成形设备、超高压乙烯输送管等，由于设备的开停车、压力和温度的波 动、管道的振动等原因，使超高压容器和管道内壁特别是几何尺寸不连续处容易产生 疲劳；另外，处于应力腐蚀介质环境下使用的超高压设备，如超离压水晶釜，在高温 高压氢氧化钠介质下运行，极有可能因碱脆而导致设备失效【5 7 1 。 2 浙江大学硕士学位论文 综上所述，超高压容器和管道在疲劳、应力腐蚀、温差应力等环境下运行，工作 条件十分苛刻；在内压作用下简体内壁处于最危险的三向应力状态及几何不连续部位 产生的应力集中等，加上介质内压在1 0 0 m p a 以上，材料强度高，屈强比接近于1 。以 上种种原因使超高压容器与管道成为高风险设备，容易引发各类事故。我国自上世纪 8 0 年代以来，超高压技术应用越来越广泛，由此也引来超高压容器和管道事故频发。 国家锅炉压力容器安全监察机构曾对全国在役压力容器进行治理整顿，发现运行中的 超高压容器安全状况极差，事故隐患严重，其中8 0 以上是生产人造水晶用的超高压 水晶釜。由于很多目前运行的在用超高压水晶釜，是1 9 9 3 年超高压容器安全监察规 程颁布前制造并投入使用的，在出厂技术资料、釜体材质、加工检测等方面均不符 合规程的要求，先天质量不足，如绝大多数釜存在釜体材料无化学成分实铡数据、无 断裂韧性( k l c ) 、无5 0 纤维断1 2 转变温度( f a t f ) 、无设计温度下的材料机械性能 ( q 、吼、6 、妒) 以及加工、检验、质量证明文件不全等问题，其事故隐患严重， 安全状况普遍堪忧。超高压水晶釜这类超高压容器在全国固定式压力容器中所占比例 虽然很小，但著按此类设备单独统计，其爆炸事故率是最高的。因此，对量大面广的 超高压水晶釜的在役安全问题不容忽视。近年来，超高压容器在运行过程中事故不断， 造成了人民生命和国家财产的巨大损失，如不及时采取措施，后果不堪设想。从超高 压容器和管道事故案例分析表明，其破坏大致可分为超强度破坏和裂纹扩展引起的低 应力脆性破坏。实践证明，精心设计、合理选材、严格制造、合理操作和维护等措施 可避免因超温、超压和化学爆炸引起的超强度破坏【5 】o 然而，大多数超高压设备事故是 由原始制造缺陷或使用中产生的裂纹引起的低应力脆性破坏，其主要特征是破坏前无 明显征兆，往往在设计压力附近甚至远低于设计压力下发生爆破，断口一般和最大主 应力垂直，图1 - 1 为超高压水晶釜低应力脆性破坏的裂纹图像。因此，在超高压设备 制造、使用过程中，采用无损检测方法探测原始制造缺陷和使用中产生的裂纹，是保证 产品质量和保证安全使用的有效手段之一。 图1 - 1 超高压水晶釜低应力脆性破坏的裂纹图像 3 浙江大学硕士学位论文 1 2 超高压容器和管道无损检测技术 由于超高压容器和管道一般为厚壁筒体结构。制造过程中的无损检测以超声检测、 磁粉检测和渗透检测为主。在用超高压容器和管道的无损检测以表面检测为主，方法 有工业内窥镜检查、磁粉检测、渗透检测、磁记忆检测和涡流检测等，同时采用超声 检测方法探测埋藏缺陷和表面缺陷。在使用过程中可用声发射进行实时监测，以探测 设备是否存在扩展性裂纹【引。 1 2 1 超声检测 超高压容器筒体主要采用厚壁筒形锻件，其锻造工艺是先镦粗，后冲孔，再滚压， 因而缺陷的取向比较复杂。锻件缺陷可分为铸造缺陷、锻造缺陷和热处理缺陷。铸造 缺陷主要有：缩孔残余、疏松、夹杂、裂纹等；锻造缺陷主要有：折叠、白点、裂纹 等。热处理缺陷主要有：裂纹等。从筒体外表面采用超声检测方法能够达到检测釜体 内部缺陷和内表面缺陷两个目的。进行超声检测时，一般用直探头在外圆面和端面进 行扫查，以探测体积型缺陷和与扫查面平行的面积型缺陷；同时用横波斜探头在外圆 面进行轴向和周向扫查，以分别探测横向缺陷和平行于轴线的径向缺陷嗍。由于超高压 容器简体的壁厚较大，纵波检测一般采用单晶直探头接触法进行扫查，检测可按照 j b t 4 7 3 0 3 2 0 0 5 的规定进行。对筒形锻件横向缺陷的轴向超声检测和内外径之比大于 或等于o 8 筒形锻件的周向超声检测，可按照j b t 4 7 3 0 3 2 0 0 5 附录c 的规定进行。然 后由于超高压容器简体内、外径之比通常小于0 6 ，因此j b t 4 7 3 0 3 2 0 0 5 附录c 不适 用于超高压容器简体的周向检测。 超高压管道主要采用厚壁无缝钢管，一般采用穿孔法和锻轧法制造。穿孔法是用 穿孔机穿孔，并同时用轧辊滚轧，最后用心棒轧管机定径压延平整成型。锻轧管常见 缺陷与锻件类似，一般为裂纹、白点、重皮等。其中主要缺陷平行于管轴的径向缺陷 ( 称纵向缺陷) ，有时也有垂直于管轴线的径向缺陷( 称横向缺陷) 。对于管内纵向缺 陷，一般利用横波进行周向扫查探测；对于管内横向缺陷，一般利用横波进行轴向扫 查探铡。按耦合方式不同，探伤分为接触法探伤和水浸法探伤。 4 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 表面检测 1 ) 外表面检测 对超高压外表面缺陷的表面检测比较容易实施，采用磁粉检测、渗透检测均可以 实现对外表面缺陷的检测。对于铁磁性材料应优先采用磁粉检测，通常采用荧光磁粉， 以提高检测灵敏度；现场检测时一般选用移动式和便携式磁粉探伤机，对工件进行局 部或分段磁化；由于检测重点为工件表面缺陷，根据不同磁化电流的特性，通常选用 交流电磁化以提高对表面缺陷的检测灵敏度。非铁磁性材料或由于结构形状等原因无 法进行磁粉检测时，可采用渗透检测( 推荐采用灵敏度较高的荧光渗透检测) ，检测灵 敏度应达到高灵敏度级别。 2 ) 内表面检测 从超高压容器和管道基本结构和实际工作状况来看，在使用过程中，简体内壁处 于最危险的三向应力状态，以致于可能发生屈服或塑性流动。特别是因结构导致应力 集中的部位( 如台阶、退刀槽、螺纹齿根、管道弯头处等) ，容易出现疲劳破坏和应力 腐蚀破坏。因此筒体内壁是在用超高压容器和管道的检测重点。由于超高压容器和管 道内径小，检验人员无法进入，使许多检测手段无法实施。因此对于内表面裂纹的检 测，一般不能进入内部进行磁粉和渗透检测，应以工业内窥镜检查为主，还可选用磁 记忆、涡流检测。 a 工业内窥镜检查 工业内窥镜是运用几何光学原理将目镜可及部位表面状况通过光导纤维等导光材 料传到观察处，供检验人员观察、分析和记录。超高压容器简体内径小、长度长，检 测人员无法直接观察几米、十几米深位置工件内部的表面状况，运用工业内窥镜可以 解决这一问题。 b 磁记忆检测 磁记忆检测技术是基于铁磁材料的力一磁效应( 铁磁材料在应力作用下磁性能发生 变化，在应力集中处理件表面形成泄漏磁场的现象) ，铁磁构件受到载荷和地磁场的共 同作用，在应力集中处出现磁畴位移，并在表面形成漏磁场，通过对该漏磁场的检测 可以对构件的应力集中部位或微观缺陷进行可靠评价，从而达到早期诊断的目的。该 项检测技术是无损检测领域的- - f - j 新兴学科，特别适合于现场快速检测，能对铁磁性 金属构件的应力集中、早期损伤等进行快速、准确诊断。由于超高压容器和管道是在 渐江大学硕士学位论文 i o o m p a 以上的内部压力下工作，甚至在高温、疲劳、应力腐蚀等苛刻条件下运行，内 壁应力极大，极有可能产生屈服和微小裂纹，应用磁记忆检测技术可以检测超高压容 器和管道内壁的应力分布状态，发现应力集中和早期损伤区域，并进行有针对性的无 损检测和状态监测。 c 涡流检测 超高压容器和管道的材料通常是铁磁性材料，其相对导磁率远大于1 。在铁磁性材 料与检测线圈相互作用的过程中，检测线圈的阻抗会增加很多。因此对铁磁性材料的 实际检测过程中，由于材料本身的原因，使其磁导率在材料上各处不一致，这样会使 检测线圈阻抗变化很大，从而对检测结果产生很大影响【1 1 】。 超高压容器和管道的涡流检测可选用自比差动点式检测线圈。点式线圈可以做得 很小，提高了信噪比和检测灵敏度；自比差动式检测线圈对工件中缓慢的材料性能和 形状变化的影响有抵消作用，而对工件中突然的不连续( 如裂纹) ，将产生很强的信号。 因此采用涡流检测法可以检测表面及近表面裂纹。涡流检测是非接触式检测，缺陷存 在与否的判断，是通过探头移动、用仪器在简体外进行判断的；用此方法检测筒体内 表面须解决检测标准和工艺问题；目前国内对设备内壁涡流检测技术尚处于试验研究 阶段，少数企业虽编制有检测标准，但也不成熟。由于内表面的附着物对信号采集影 响大，打磨工艺要求高和设备价格昂贵等诸多因素，使该技术在检测设备内表面方面 的推广使用遇到困难。 1 2 3 声发射检测 超高压容器运行过程中受强大的内应力作用，如果出现屈服、缺陷开裂等现象， 将会发出应力波，这一现象称为声发射。声发射检测能对运行过程中的设备实现实时 监测。在整个过程中，只需将一定数量的传感器固定在各个位置。声发射检测能十分 灵敏、迅速地反映出材料内部的瞬间不稳定性，也可确定设备中存在的活性缺陷的位 置及其活度。采用声发射检测技术的目的是检测设备中是否存在活性缺陷，是设备安 全运行时实时监控的有效手段。 综上所述，在超高压容器和管道的各种无损检测方法中，超声检测方法既能检测 内部缺陷又能检测内外表面缺陷，是超高压容器和管道主要的无损检测方法。用直探 头可检测出与釜体外圆表面平行的缺陷，用不同角度的斜探头从外圆面探测，可检测 6 浙江大学硕士学位论文 出简形件内部径向和轴向缺陷。但对径向缺陷进行检测，必须进行一系列工艺试验， 取得成熟的检测工艺。目前国内在内外径之比小于0 8 的厚壁筒形件的超声检测方法、 检测工艺、超声检测试块和检测标准方面开展的工作尚不成熟，标准的编制仅停留在 企业标准层次上。最大的难点在于超声横波检测时其探头选择、试块标定、扫查方式 和缺陷评定等如何规范化。 1 3 超高压容器和管道超声检测的主要难点 1 3 1 纯横波检测困难 对筒形件进行周向超声检测，一般采用全横波检测技术，为确保实施全横波检测 及一次横波能扫查到简体内壁( 如图1 - 2 ) ，横波折射角展应满足公式( 1 7 ) 的限制【1 2 - 1 3 ： c f c h s i n p s r r ( 1 - 7 ) 族参 心乡 图1 2 横波折射角忽范围的确定 对内外径之比小于o 8 简形件，由于值比较小，横波折射角忽取值范围受到限 制，当之比接近于弓时，按照公式( 1 _ 7 ) 选取的横波折射角凡，其对应纵波入 射角接近第一临界角，纵波折射角接近9 0 。，此时不仅横波声压往复透射率低，导致 检测灵敏度降低；同时，在工件中同时存在横波、爬波、【c r 波、头波等多种波型1 4 1 ， 从而使声场结构远较纯横波声场复杂，在实际检测时会产生探头双峰、折射角随声程 不同而变化等现象，给缺陷定位、定量带来困难。若采用纵波斜探头，用小角度横波 探测内表面，而筒体中上部采用纵波检测，这种双重波型检测也会给缺陷定位和定量 带来困难。 7 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 面积型缺陷反射波指向性的影响 对筒形件进行周向超声检测时，径向面积型缺陷与声束轴线的夹角卵值随着缺陷 深度位置不同而改变( 如图1 3 ) ，7 值可用公式( 1 8 ) 计算。面积型缺陷的回波高度 与其缺陷回波的指向性有关，而缺陷回波的指向性又与缺陷相对于声束轴线的夹角，7 值有关，因此其检测灵敏度随缺陷深度位置不同而变化。之比越小，由公式( 1 - 8 ) 可知，其，7 值变化范围越大，因此很难选择一种k 值的横波斜探头，能够可靠地检出 不同深度位置的径向缺陷。在实际检测时，应根据值和工件厚度，进行工艺对比试 验，选择多种k 值斜探头组合( 一般为二种或三种) ，以保证不同深度的径向缺陷能够 可靠地检出。 图1 - 3 声束轴线与径向缺陷的夹角 叮。一 掣掣 1 3 3 声波干涉导致内表面缺陷检测灵敏度的降低 ( 1 8 ) 对筒形件进行周向超声检测，超声波对内外表面径向缺陷的检测灵敏度相差很大。 如果缺陷自身高度远小于曲率半径，则缺陷与内外表面形成的夹角可近似为直角，对 于厚壁筒形件，一般选择的横波斜探头其声束轴线与内表面缺陷的夹角接近于9 0 。，理 论上端角反射率很高，但实际上由于入射波、反射波在边界上互相干涉，导致超声波 对内表面缺陷探测灵敏度的降低【1 3 l ，这也是c0 8 简形件周向超声检测主要技术难 点之一。 8 淅江大学碗士学证论文 1 3 4 缺陷定位困难 缺陷定位困难主要表现在以下几个方面： 其一，对筒形件进行周向超声检测时，缺陷定位与平板检测时不同，其深度和跨 距与声程并非成线性关系，因此在实际检测时应对示波屏上显示的缺陷进行复杂的计 算才能正确定位；其二，当纵波入射角接近第一临界角时，会产生折射角随声程不同 而变化的现象f 1 5 】，因此对筒形件进行周向超声检测时，对缺陷的定位远比平板检测复 杂；其三，由于厚壁筒形件的特殊性，采用横波技术其探头声束轴线与内表面缺陷的 夹角往往接近于9 0 。，由于入射波、反射波在边界上互相干涉导致对内表面缺陷的定位 精度变差【1 3 1 ；其四，对面积型缺陷而言。如果缺陷方向与声束轴线有一定倾角，其回 波声压最高时缺陷并不在声束轴线上，而是以接近垂直缺陷入射方向的某一角度时其 回波声压值为最大【蛳，这样便给缺陷的定位带来误差。 综上所述，对筒形件进行周向超声检测时，缺陷定位远与平板检测时复杂，加之 超高压容器与管道检测时缺陷一般出现在内表面工作状况较差或应力集中部位，为正 确区别缺陷波与内表面附着物( 如超高压水晶釜水晶附着物等) 和内表面加工台阶等 几何不连续位置的反射波，因此检测时对反射波的定位尤其重要，对定位精度的要求 很高，稍有差错就有可能造成误判或漏检，因此如何确保定位精度是厚壁筒形件周向 超声检测主要技术难点之一。 1 3 5 曲界面导致灵敏度降低和干扰杂波 对筒形件进行周向超声检测，由于外表面是曲面，超声波耦合效果不如平面检测； 超声波从有机楔块通过凸形界面( 从入射方向看) 进入工件或者在工件内表面反射时， 都会使超声波声束进一步扩散，导致筒形件超声检测灵敏度的降低。另外，由于曲晃 面的影响，导致不同位置的声束入射角产生变化，有可能在工件中产生表面波和纵波， 对检测产生干扰。 9 浙江大学硕士学位论文 1 4 国内外研究现状 1 4 1 国内研究现状 目前国内对于单层厚壁筒形件的周向超声检测，一般采用纯横波检测技术。按耦 合方式不同，检测方法分为接触法和水浸法。对于内外径之比大于等于0 8 的简体，可 采用常规的横波检测技术，检测方法可按照j b t 4 7 3 0 3 2 0 0 5 承压设备无损检测第三 部分超声检测的规定进行。对于内外径之比小于0 8 的筒形锻件，目前国内还没有 通用的国家标准和行业标准。 国内一些企业和科研机构曾采用纯横波法、双重波型检测法( 用小角度折射横波 检测内壁缺陷，用大角度折射纵波检测内壁缺陷) 等方法对超高压人造水晶釜进行试 验和检测。如笔者所在的单位浙江省特种设备检验中心在超高压人造水晶釜定期检验 中，采用特制探头，设计了检测专用试块，并对特定规格的超高压人造水晶釜制订了 检测工艺，成功地完成了国内不同型式的超高压水晶釜的周向超声检测。其它单位如 山东省特种设备检验研究院、三明市锅炉压力容器检验所、湖北省锅炉压力容器检验 所、浙江椒江水晶厂、内蒙古二机厂的相关检验和研究人员曾对我国生产的主要规格 的超高压水晶釜釜体进行过检测。但目前国内在超高压水晶釜的检测方法、超声检测 试块和检测标准方面开展的工作尚不成熟，对不同规格的釜体的超声检测以及厚壁简 体检测的声场结构、径向缺陷的回波特征、表面缺陷的灵敏度、缺陷定位、曲界面导 致灵敏度变化和干扰杂波等多个方面缺少系统的研究，检测标准的编制仅停留在“企 业标准”层次上，在检测工艺的选择和优化、试块标定、扫查方式和缺陷评定等方面 缺少系统性的研究。 对无缝钢管的超声检测，国内普遍采用超声波水浸聚焦横波检测技术，并由机械 传动、人工判伤的半自动化检测发展为带有微机处理信息的自动化检测。该技术对中 小直径薄壁管材纵向缺陷的检测可靠性较高，但对厚壁管内壁纵向缺陷检测灵敏度显 著降低【切。g b t 5 7 7 7 - - 1 9 9 6 无缝钢管超声波探伤检验方法适用于钢管的壁厚与 外径之比小于等于o 2 的无缝钢管( 其对应内外径之比大于或等于o 6 ) ，采用产品试块 内、外表面加工人工缺陷槽的方法进行灵敏度调节。当壁厚与外径之比大于0 2 时，没 有规定具体的方法和工艺，只原则性地规定应由供需双方采用特殊的检验方法。目前 国内已开发成功用于无缝钢管自动检测的水浸聚焦超声检测系统，对于壁厚不大且内、 1 0 浙江大学硕士学位论文 外径之比大于等于0 6 的无缝钢管有较高的检测灵敏度和可靠性。但当壁厚大于 4 0 m m 时，由于没有合适的聚焦探头，水浸聚焦方法的应用受到限制【1 8 l 。国内的钢管 生产厂家曾利用管内的折射纵波检验外壁缺陷，而利用波型转换后的反射横波检验内 壁缺陷【1 9 】，但此种检验方法对壁厚较大的无缝钢管内壁径向缺陷的检测灵敏度难以满 足要求。目前国内对厚壁管的周向超声检测尚没有行之有效的方法标准，相关的研究 工作尚停留在针对于某具体规格的检测实验和经验推广应用。 除超声波水浸聚焦技术外，国内有些单位曾采用小角度纵波法1 2 0 - 2 、变型横波切 内壁法检测厚壁管内壁缺陷瞄j ，主要应用于小批量厚壁管的制造检验和超高压管道的 定期检验。但由于纵波波长较大，对小检测灵敏度较低。而且切内壁法由于其声束轴 线与内表面缺陷的夹角接近于9 0 。，由于入射波、反射波在边界上互相干涉导致超声波 对内表面缺陷探测灵敏度的降低和定位误差的增大。清华大学张家骏教授提出了变型 横波端角反射法【矧，该方法利用横波的端角反射和外壁对声束的汇聚作用，通过斜探 头楔块将发射的纵波转换成具有较高能量折射纵波，此纵波在简形件中传播至外壁产 生反射，利用反射出的具有较高能量的横波，以4 5 。左右对内壁裂纹入射，裂纹与管内 壁表面形成的端角将该声波反射，反射声波沿原路返回，从而达到检测缺陷的目的。 该方法在壁厚较小时( 7 5 r a m 以下) 时对内壁缺陷的检测灵敏度比其它方法高，但在壁 厚较大时检测法测灵敏度不如双重波型检测法，另外，如果径向缺陷不在内表面，而 离内表面有一定距离，其检测灵敏度下降明显。迄今为止，尚没有接触法聚焦技术对 厚壁管实施检测的相关报道。 1 4 2 国外研究现状 与国内一样，国外无损检测标准中尚没有规定内外径之l v , d , 于0 6 筒形件和钢管的 周向超声检测，德国s e p l 9 1 5 、美国a s t m e 2 1 3 等钢管超声检测标准中规定该标准只 适应壁厚与外径之比小于o 2 的钢管检测。国外也有用纯横波法、小角度纵波法、双重 波型检测法、爬波法、多探头联动法对超高压容器、核反应器管道等进行超声检测的 相关报道f 2 4 - 2 s t 。但上述试验和检测都针对某一类型和规格的产品，缺少系统的理论研 究和综合分析。如美国m o r t e n s o n 设计了双探头联动法检测技术发明专利【2 9 1 ，以检测 核反应器厚壁管道径向缺陷；以一收一发探头同步联动探测径向缺陷，发射探头以小 于第一临界角入射，在钢管中产生折射纵波和折射横波，钢中产生的横波以近3 俨入射 1 1 浙江大学硕士学位论文 至内壁，此时波型转换很强，大部分能量产生6 0 。反射纵波，接收探头接收到此纵波信 号，在示波屏上形成显示；如果管道内壁存在径向缺陷，缺陷就会阻挡反射纵波导致 接收探头信号减弱从而达到检测缺陷的目的；但此种装置不能精确地对缺陷定位，定 量精度也不如接触式斜探头聚焦技术。 随着计算机技术的发展，超声相控阵技术开始应用于检测领域，超声相控阵换能 器运用电子技术，可实现超声波声束的角度、焦距、焦点尺寸的计算机软件控制和电 子控制，可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布，其声束角度、焦柱位置、 焦点尺寸及位置在一定范围内连续、动态可调，而且探头内可快速平移声束 3 0 - 3 1 1 。上 世纪八十年代国外开始应用超声相控阵技术进行管线检测【3 2 - 3 3 1 ，采用不同方向和聚焦 面的集成声束，以检测不同深度范围的径向缺陷，并在长输管道、石化装置重要容器、 核反应设施和管道检测工程中广泛应用。然而，目前此技术对内外径之比小于0 6 的超 高压厚壁筒形件的内表面径向裂纹的检测灵敏度没有重大的突破，迄今为止，国外尚 没有相控阵技术对厚壁筒形件实施周向超声检测的相关报道。 1 5 本文研究内容 综上所述，在超高压容器和管道制造、使用过程中，无损检测是保证产品质量和安 全使用的有效手段，超声检测既能检测部件内部又能兼顾内表面缺陷的检测，成为超 高压容器和管道主要的检测方法。然而对于整锻式的单层厚壁超高压容器和单层超高 压管道来说，由于其i 匈# 1 - 径之比通常小于0 6 ，周向超声检测技术难度较大，国内外缺 少相应的检测标准和成熟的检测工艺，j b t 4 7 3 0 3 _ _ 2 0 0 5 承压设备无损检测第三部 分超声检测只适用内外径之比大于等于0 8 筒形件的周向横波检测。目前国内外在 超高压容器和管道周向超声检测领域尚没有统一的方法标准。厚壁筒形件周向超声检 测的主要技术难点有检测声场结构复杂、面积型缺陷反射波指向性的影响、声波干涉 导致内表面缺陷检测灵敏度的降低、缺陷定位困难、曲界面导致灵敏度降低和干扰杂 波共五个方面，针对上述五个方面的技术难点，本文提出了相应的研究方案和技术路 线。主要工作为： 1 ) 提出超高压容器和管道周向超声检测试验研究用对比试块和工程检测用产品试 块的设计思路。 2 ) 采用平界面检测时的假想横波波源分析大曲率圆周面典型横波斜探头的声场结 浙江大学硕士学位论文 构，通过试验比较两者之间的误差。对近临界角检测时的声场结构进行研究，利用超 声检测脉冲回波法的原理和特点，研究筒形件内的声场结构对人工规则反射体的回波 特征，在此基础上形成近临界角入射的横波技术。 3 ) 采用理论模型研究筒形件径向缺陷的回波特征，通过试验方法确定具有不同反 射特征的径向缺陷可检测的深度范围。 4 ) 比较分析内外表面缺陷的灵敏度差异