（化学工程专业论文）压力容器超声检测技术的应用.pdf

大连理工大学专业学位硕+ 学位论文 摘要 本文主要阐述压力容器无损检测技术中的超声检测技术。无损检测的最大特点是在 不损伤材料、工件和结构的前提下进行检测，具有一般检测所无可比拟的优越性。无损 检测的方法有很多，每一检测方法都具有一定的特点，当对承压设备进行无损检测时， 任一方法均不可能适用于所有工件和所有缺陷，为提高检测结果的可靠性，应根据设备 的材质、制造方法、工作介质、使用条件和失效模式及预计可能产生的缺陷种类、形状、 部位和取向，选择最合适的无损检测方法。本文主要内容如下： ( 1 ) 分析介绍了压力容器原材料、压力容器制造和使用过程中采用的射线检测、 超声检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测、声发射检测、红外线检测、漏磁检测和磁 记忆检测的特点和选用原则； ( 2 ) 探讨了超声检测的理论、回波动态波形、缺陷自身高度测试等知识； ( 3 ) 详细描述了压力容器用板、管、锻件、螺栓、焊缝、堆焊层和在用承压设备 的超声检测方法，根据分析结果并结合实际工作经验，确定了上述各种类型的超声检测 方法的探头选用、扫查方式、缺陷判别和质量等级评定等； ( 4 ) 总结提出了换热器、焦炭塔、球罐及加氢反应器等典型容器的超声检测要点。 关键词：压力容器；超声检测；焊缝；管；螺栓；裂纹 压力容器超声检测技术的应用 t h ea p p l i c a t i o no fu l t r a s o n i ct e s t i n gt e c h n o l o g yo f p r e s s u r ev e s s e l s a b s t r a c t t h i sa r t i c l ef o c u s e so np r e s s u r ev e s s e l sn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n o l o g i e si nt h e u l t r a s o n i ct e s t i n gt e c h n o l o g y n d ti st h eb i g g e s tc h a r a c t e r i s t i co ft h em a t e r i a ld o e sn o t d a m a g et h ew o r k p i e c ea n dt h es t r u c t u r eo ft h ep r e m i s ef o rt e s t i n gi sg e n e r a l l y d e t e c t e db yt h e m c o m p a r a b l es u p e r i o r i t y t h e r ea r em a n ym e t h o d so fn d t ，a n de a c hh a s i t sc h a r a c t e r i s t i c s ， p r e s s u r ef o rn o n d e s t r u c t i v et e s t i n ge q u i p m e n t ，e a c ho ft h em e t h o d sc a nn o tb ea p p l i e dt oa l l p a r t sa n da l lt h ed e f e c t s ，t oe n h a n c et h er e l i a b i l i t yo ft e s tr e s u l t s ，s h o u l db eb a s e d o nt h e m a t e r i a le q u i p m e n t ，m a n u f a c t u r i n gm e t h o d s ，t h ew o r k i n gm e d i a ，t h eu s eo fc o n d i t i o n sa n d f a i l u r em o d e sa n di se x p e c t e dt ob et h et y p eo fd e f e e t ，s h a p e ，l o c a t i o na n do r i e n t a t i o n ，s e l e c t t h em o s ts u i t a b l en o n d e s t r u c t i v et e s t i n gm e t h o d s t h ef o l l o w i n gc o n t e n t sa r ei n c l u d e di nt h i s p a p c ( 1 ) t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e dt h ep r e s s u r ev e s s e lo fr a wm a t e r i a l s ，m a n u f a c t u r e a n du s eo fp r e s s u r ev e s s e l su s e di nt h ep r o c e s s r a yd e t e c t i o n ，u l t r a s o n i ct e s t i n g ，m a g n e t i c d e t e c t i o n ，p e n e t r a t i o nt e s t i n g ，e d d yc u r r e n tt e s t i n g ，e m i s s i o n st e s t i n g ，i n f r a r e dd e t e c t i o n ， m a g n e t i c f l u x l e a k a g ed e t e c t i o na n dm a g n e t i cm e m o r yt e s t i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c s a n d s e l e c t i o no fp r i n c i p l e ； ( 2 ) u l t r a s o n i ct e s t i n gt h et h e o r y ，d y n a m i ce c h ow a v e f o r m ，ah i g hd e g r e eo ft e s t i n gi t s o w ns h o r t c o m i n g s ，s u c ha sb a s i ck n o w l e d g e ； ( 3 ) d e t a i l e dd e s c r i p t i o no fap r e s s u r ev e s s e lu s e dp l a t e s ，t u b e s ，f o r g i n g s ，b o l t s ， w e l d i n g ，a n dt h es u r f a c i n go ft h ep r e s s u r ee q u i p m e n t u s e di nt h em e t h o do fu l t r a s o n i ct e s t i n g ， d i s a g g r e g a t e do nt h ev a r i o u st y p e so fu l t r a s o n i ct e s t i n go ft h ep r o b es e l e c t i o nm e t h o d ， s c a n n i n g ； ( 4 ) d e f e c t sa n dq u a l i t yg r a d i n go fd i s c r i m i n a t i o n ，a n dc i t e dt h eh e a te x c h a n g e r ，c o k e t o w e r ，t a n k ，p i p e sa n dh y d r o g e n a t i o n r e a c t o rv e s s e l ，a n ds ot y p i c a lo fu l t r a s o n i ct e s t i n gp o i n t s k e yw o r d s ：p r e s s u r ev e s s e l ；u l t r a s o n i ct e s t i n g ；w e l d ；t u b e ；b o l t ；c r a c k 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：压左空墨超虚捡测垫苤鲍廑周 作者签名： 查亟日期：j 盟年上月工日 大连理工大学专业学位硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 导师签名： 日期：2 竺翌望年上月主二日 日期：珥年月上日 大连理工大学专业学位硕十学位论文 己l 吉 丁l口 从广义上讲，凡盛装有压力介质的容器即为压力容器，也就是说，凡承受流体介质 压力的密闭设备均可称为压力容器，如各种气瓶、贮罐和塔器等。目前，压力容器的应 用十分普遍，它涉及到工业生产的所有领域，广泛地应用于石油、化工、机械、冶金、 轻工、航空、航天、国防等工业部门的生产，并与人们的日常生活有着密切的联系【l j 。 压力容器是一种可能引起爆炸或中毒等危害性较大事故的特种设备，它承受着高温、低 温、易燃、易爆、剧毒或腐蚀介质的高压力，若发生爆炸或泄漏，往往并发火灾、中毒、 污染环境等灾难性事故，使社会生产和国民经济遭受严重破坏，人民生命财产蒙受巨大 损失，并直接影响社会生活的安定，所以压力容器比一般机械设备有更高的安全要求。 鉴于压力容器的上述特点，工业发达国家都颁布有关法规或规范对压力容器的设 计、制造、安装、使用等过程进行严格控制，以确保压力容器的安全运行【2 】。国务院2 0 0 3 年颁布的特种设备安全监察条例和原国家质量技术监督局1 9 9 9 年颁布的压力容 器安全技术监察规程对我国压力容器的设计、制造( 组焊) 、安装、使用、检验、修 理和改造等环节进行安全监察和严格控制，以确保我国压力容器的安全运行。 检验是压力容器安全管理的重要环节。按工作性质，压力容器检验可分为产品安全 质量监督检验和在用检验两大类。产品安全质量监督检验的任务是保证压力容器产品质 量。在用检验是指压力容器使用期间的定期检验，它是保证设备长期运行和安全生产的 有力措施。压力容器检验的目的就是防止压力容器发生失效事故，特别是预防危害最严 重的破裂事故发生。因此，压力容器检验的实质就是失效的预测和预防。 在压力容器各个环节的控制过程中，无损检测对压力容器的质量控制和安全使用起 着举足轻重的作用。现代无损检测的定义是：在不损坏试件的前提下，以物理或化学方 法为手段，借助先进的技术和设备器材，对试件的内部及表面的结构，性质，状态进行 检查和测试的方法p 弓j 。 由此可见，无损检测在压力容器检验过程中，扮演着很重要的角色。无损检测水平 的高低，从一定程度上可以反映一个国家压力容器的发展水平。 超声检测是一种重要的无损检测技术，由于它的穿透力强、对人体无害，已经广泛 应用于工业及高技术产业中。现在，在若干领域超声检测开始向超声无损评价发展，使 得超声检测内容有了新的内涵。到目前为止，工业用超声无损检测主要还停留在了解材 料与结构内是否有缺陷，或凭经验大致判断缺陷的大小与位置。近期的理论与实验研究 表明，采用多参量的超声数字信号处理与模式识别技术可给出检测的量化结果。如缺陷 压力容器超卢检测技术的应用 的大小、位置、形状或性质。与断裂力学知识相结合，现代超声检测还可望近一步对构 件的强度和剩余寿命进行评估，这方面的成果已开始在发达国家的电力行业初步应用。 目前，超声波检测技术中对缺陷的定性和定量的研究比较成熟，但对缺陷的性质却 很少进行评定。在实际检测中，由于难以判明缺陷的性质，往往会对一些含有非危险性 缺陷的产品进行返修，同时也会忽视一些产品中含有的危险性缺陷( 如裂纹) 导致其服 役过程中存在安全隐患。这样，就使得超声波检测中对缺陷的定性分析显得尤为重要。 本文采用波形判断法，探讨了缺陷的波形和性质关系的问题。 一2 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1无损检测概述 1 1压力容器原材料的无损检测 为了确保压力容器的安全质量，从压力容器使用的原材料开始就要通过无损检测来 进行质量控制。压力容器使用的原材料包括金属板材、管材、棒材、锻件和铸件等，需 根据这些材料制造工艺和几何形状采用不同的无损检测技术【6 、7 】。 1 1 1 压力容器用金属板材的无损检测 压力容器用金属板材一般包括钢板、不锈钢板、双相钢板、铝及铝合金板材、钛及 钛合金板材等，主要用于压力容器简体和封头的制造。所有的压力容器制造规范或标准 均规定，处于剧毒、腐蚀、高压等较苛刻工作条件下的压力容器，其金属板材必须逐张 进行超声检测。此超声检测所用的探头为单晶或双晶直探头，主要用于检测金属板材在 冶炼和轧制过程中产生的分层、白点和裂纹等缺陷。大面积的钢板检测( 包括边区检测 和面积检测) 一般都用充水耦合探头进行。 1 1 2 压力容器用管材的无损检测 压力容器用管材包括无缝钢管、焊接钢管、铜及铜合金管、铝及铝合金管、钛及钛 合金管等，主要用于换热器的制造。 无缝钢管采用液浸法或接触法超声波检测，主要检测纵向缺陷。液浸法检测使用线 聚焦或点聚焦探头，接触法检测使用与钢管表面吻合良好的斜探头或聚焦斜探头【8 】。 所有类型的金属管材都可用涡流检测法探测其表面和近表面缺陷。铁磁性钢管一般 用外穿过式线圈或放置式线圈检测；对于非铁磁性材料，管材口径较小时一般用外穿过 式线圈检测。 1 1 3 压力容器用钢锻件的无损检测 压力容器用钢锻件主要包括接管、法兰、凸缘、管板和圆筒等。通常采用超声波法 检测锻件中的危害性冶金缺陷。用纵波直探头对加工过程中的实心锻件进行检测，用横 波斜探头对内外径之比小于8 0 的环形或筒形锻件进行周向检测。 1 1 4 压力容器用钢棒材的无损检测 钢棒材主要用于锻件和螺栓的制造。对于直径大于5 0 1 1 m 的钢螺栓件需采用超声检 测以发现螺栓杆内存在的冶金缺陷。通常采用单晶直探头纵波检测法，探头按螺旋线或 沿圆周进行径向探测。 压力容器超卢检测技术的应用 1 1 5 压力容器用铸件的无损检测 常用的压力容器铸铁件为造纸用烘缸。为了检查几何形状有变化、截面厚度不均匀 铸铁件的铸造质量，通常采用射线检测来发现铸件内缩孔、疏松及热裂等缺陷。 1 2 压力容器制造过程中的无损检测 压力容器制造过程中的无损检测主要是控制容器焊接质量。对材料坡口进行磁粉或 渗透检测，对焊接接头内部缺陷进行射线和超声检测，对近表面或表面开口缺陷进行磁 粉或渗透检测，对标准抗拉强度下限值o b 5 4 0 m p a 的材料及铬钼低合金钢经火焰切 割的坡口表面应进行磁粉或渗透检测，对铁磁性材料优先采用磁粉检测。压力容器的焊 接接头包括对接焊缝和角焊缝，对接焊缝一般要求进行射线检测或超声检测，根据压力 容器用钢板厚度、材料强度、工作介质、工作压力、焊缝系数、制造工艺等的不同，检 测的比例分为1 0 0 和局部抽查。不同国家的标准规范对局部抽查比例的要求不同，按 我国标准，每条焊缝的局部抽查比例均为2 0 ；按a s m e 标准，抽查比例一般为1 0 ； 按德国a d 规范，环焊缝的抽查比例为2 。对压力容器的管座角焊缝，通常按标准采用 磁粉或渗透法进行检测；对热交换器之类的管一管板角焊缝，需用特殊的小焦点射线源 ( x 或7 射线) ， 采用特殊的检测工艺，才能达到内部缺陷的检测目的【9 4 。 1 2 1射线检测 射线检测方法适用于压力容器壳体或接管对接焊缝内部缺陷的检测，使用的射线探 伤设备包括x 射线探伤机、7 射线源和高能x 射线。一般4 2 0 k v 的x 射线探伤机适于检 测的钢厚度小于等于8 0 m m ，卜1 9 27 源检测厚度范围为2 0 , - 一1 0 0 m m ，c o _ 咱o7 源检测 厚度为4 0 2 0 0 m m ，1 - 1 2 m e v 高能x 射线适于检测的最大钢厚度为2 0 0 - - - - 4 0 0 m m 。 1 2 2 表面检测 磁粉或渗透方法通常用于压力容器制造时钢板坡口、角焊缝和对接焊缝的表面检 测，也用于大型锻件等机加工后的表面检测。钢板和焊缝表面一般采用便携磁轭式磁粉 探伤机进行磁粉检测，要求交流磁轭至少具有4 5 n 的提升力，直流磁轭至少具有1 7 7 n 的 提升力，交叉磁轭至少具有1 1 8 n 的提升力；圆筒形锻件或无缝气瓶机加工后的表面通常 采用床式磁粉探伤机进行磁粉检测。渗透检测用于不锈钢和有色金属坡口以及焊缝表面 开口性缺陷的检测。磁粉或渗透检测时，光照条件应至少为5 0 0l x 。 大连理工大学专业学位硕十学位论文 1 2 3 超声波检测 超声检测法适用于厚度大于6 m m 的压力容器壳体或大口径接管与壳体的对接焊缝 内部缺陷的检测。通常采用a 型脉冲反射式超声波探伤仪和2 5l v l h z 或5 m h z 频率的探头 检测。表层缺陷的检测可采用爬波或横波探头；为提高焊缝检测效率，解决焊缝缺陷测 深定高及缺陷定性分类等难题，可采用电子相控阵探头和衍射波时差法双探头【l 2 1 。 1 2 4 压力容器耐压试验的声发射检测 压力容器制造完成后，最终都要进行以水、油或空气为介质的耐压试验，以考核和 确认压力容器的安全质量。对一些特殊要求的压力容器，在水压试验时还同时进行声发 射监测，以检测压力容器在水压过程中可能出现的缺陷开裂、裂纹萌生与扩展，并对压 力容器的结构完整性进行评价。声发射检测一般采用多通道声发射仪，对压力容器进行 整体源定位实时监测i l 引。 1 3 在用压力容器的无损检测 为了确保压力容器安全运行，各国对压力容器均采用运行期间的定期检验制度。压 力容器在用检验分为不停止运行的年度检查和停止运行后的全面检验；年度检查每年至 少一次，全面检验的周期一般为3 - 1 0 年。我国政府有关规程规定，压力容器年度检查 的周期为1 年，全面检验的周期最长为6 年【1 4 】。在用压力容器检验的重点是压力容器在运 行过程中受介质、压力和温度等因素影响而产生的腐蚀、冲蚀、应力腐蚀开裂、疲劳开 裂及材料劣化等缺陷，因此除宏观检查外需采用多种无损检测方法【l5 1 。除移动式外，压 力容器的检测均在其安装使用现场进行，检测条件受到限制，因此，采用的无损检测技 术应适于现场应用，仪器均为便携式。 1 3 1表面检测 表面检测方法在压力容器停产进行的全面检验中得到普遍应用。表面检测的部位为 压力容器的对接焊缝、角焊缝、焊疤部位和高强螺栓等。铁磁性材料一般采用磁粉法检 测，罐体内部由于照明不好，采用荧光磁粉法检测，罐体外部采用湿式黑磁粉法检测， 铁磁性材料的角焊缝用磁粉检测无法进行时也采用渗透法检测。非铁磁性材料采用渗透 法检测，内部采用荧光渗透法检测( 被检表面的黑光强度至少应为1 0 0 0 p , w c m 2 ) ，外 部采用着色渗透法检测。 压力容器超声检测技术的应用 1 3 2 超声检测 超声检测法主要用于检测对接焊缝内部埋藏缺陷和压力容器焊缝内表面裂纹。压力 容器外部有保温覆盖层时，也可从压力容器内部检测焊缝外表面裂纹。超声法也用于压 力容器锻件和高压螺栓可能出现裂纹的检测。由于超声波探伤仪体积小、重量轻，便于 携带和操作，而且与射线相比对人无伤害，因此在在用压力容器检验中得到广泛使用。 超声检测法的另一特点是可测出焊缝内缺陷的自身高度，这对在用压力容器检验中 的缺陷安全评定是必不可少的。缺陷自身高度超声检测法有缺陷端点衍射波法、端部最 大回波法和6 d b 法等。t o f d 法是近年来国外用于在用压力容器焊缝缺陷测高的新技 术( 欧、美、日均已标准化) ，成效卓著 1 6 - 1 8 】。 1 3 3 射线检测 x 射线检测方法主要在现场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。对于人 不能进人的压力容器以及不能采用超声检测的多层包扎压力容器和球形压力容器通常 采用卜1 9 2 或s e _ 1 5 等同位素进行7 射线照相。 另外，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。 1 3 4 涡流检测 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。 最近，欧洲和我国分别开发了采用电流扰动磁敏探头的涡流检测技术来检测焊缝表 面裂纹，用该技术检测允许焊缝表面较为粗糙或带有一定厚度的防腐层，因此可在压力 容器运行过程中进行焊缝外表面裂纹的快速检测；也可在压力容器停产时进行全面检 验，先采用该技术对焊缝进行快速检测，然后对可疑部位进行磁粉或渗透复验，以确定 表面裂纹的具体部位和大小【1 9 、2 0 1 。 1 3 5 声发射检测 声发射技术用于检测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 一6 一 大连理工人学专业学位硕士学位论文 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。对已知缺陷进行的活性评价是在加载过程中对己知缺陷进行声发射监 测，如果在整个加载过程中缺陷部位无声发射定位源产生，则认为缺陷是非活性的；反 之，如有大量声发射定位源信号产生，则认为已知缺陷是活性的【2 1 1 。 1 3 6 磁记忆检测 磁记忆检测方法用于发现压力容器存在的高应力集中部位，这些部位容易产生应力 腐蚀开裂和疲劳损伤，在高温设备上还容易产生蠕变损伤。金属磁记忆检测技术是俄罗 斯杜波夫教授于2 0 世纪9 0 年代初提出，并于9 0 年代后期发展起来的一种检测材料 应力集中和疲劳损伤的新的无损检测与诊断方法。金属磁记忆检测的原理是利用铁磁工 件在受载工作过程中应力和变形区域内产生的磁状态不可逆变化，在该区域内发生具有 磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向，这种磁状态的不可逆变化在工作 载荷消除后不仅会保留，还与最大作用应力有关。通常采用磁记忆检测仪器对压力容器 焊缝进行快速扫查，以发现焊缝上存在的应力峰值部位，然后对这些部位进行表面磁粉 检测、内部超声检测、硬度测试或金相分析，以发现可能存在的表面裂纹、内部裂纹或 材料微观损伤。 1 3 7 漏磁检测 漏磁检测主要用于检测压力容器壳体可能出现的点腐蚀状态。有些压力容器人无法 进入内部检查，有些结构采用内窥镜也无法检验，采用超声波测厚很难发现点腐蚀的分 布，采用超声直探头探伤又需对表面进行打磨。漏磁检测技术可用于表面带油漆层情况 下的扫描检测，而且从外部可测出内部存在的腐蚀坑大小和深度。鉴于上述特点，漏磁 检测适用于压力容器运行状态下的在线检测。 1 3 8 红外检测 红外检测常用于高温或低温压力容器内部保温层完好状态的检测与评价，而热弹性 红外检测技术适用于压力容器高应力集中部位和疲劳损伤部位的检测。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 压力容器超声检测技术的应用 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。 1 4 压力容器无损检测特点 无损检测在承压设备上应用时，主要有以下四个特点： ( 1 ) 无损检测应与破坏性检测相结合。 无损检测的最大特点是在不损伤材料、工件和结构的前提下进行检测，具有一般检 测所无可比拟的优越性。但是无损检测技术自身还有局限性，不能代替破坏性检测，也 就是说承压设备进行评价时，应将无损检测结果与破坏性检测结果( 如爆破试验等) 进 行对比和验证，才能作出准确的判断。例如液化石油气钢瓶除了无损检测外还要进行爆 破试验。评价焊接接头质量除了要进行无损检测外还要切取试样进行力学性能分析，有 时还要做金相和断口检验。 ( 2 ) 正确选用实施无损检测的时间。 在进行承压设备无损检测时，应根据检测目的，结合设备工况、材质和制造工艺的 特点，正确选用无损检测实施时间。例如，锻件的超声波探伤，一般安排在锻造完成且 进行过粗加工后，钻孔、铣槽、精磨等最终机加工前。 ( 3 ) 正确选用最适当的无损检测方法。 对于承压设备进行无损检测时，由于各种检测方法都具有一定的特点，不能适用于 所有工件和所有缺陷，为提高检测结果的可靠性，应根据设备的材质、制造方法、工作 介质、使用条件和失效模式及预计可能产生的缺陷种类、形状、部位和取向，选择最合 适的无损检测方法。例如，钢板的分层缺陷因其延展方向与板平行，就不适合射线检测 而应选择超声波检测。检查工件表面细小的裂纹就不应该选择射线和超声波检测，而应 选择磁粉和渗透检测。另外，选用无损检测方法和应用时还应充分的认识到，检测的目 的不是片面的追求那种过高要求的产品“高质量”，而是在保证充分安全性的同时要保 证产品的经济性。只有这样，无损检测方法的选择和应用才会是正确的、合理的。 ( 4 ) 综合应用各种无损检测方法。 在无损检测中，必须认识到任何一种无损检测方法都不是万能的，每种方法都有自 己的优点和缺点。因此，在无损检测中，如果可能，不要只采用一种无损检测方法，应 尽可能多采用几种检测方法，互相取长补短，取得更多的缺陷信息，从而对实际情况有 更清晰的了解，以保证承压设备的安全长周期运行。例如，超声波对裂纹缺陷探测灵敏 度较高，但定性不准；而射线对缺陷的定性比较准确，两者配合使用，就能保证检测结 果可靠准确。 大连理工大学专业学位硕十学位论文 各种无损检测方法都具有一定的特点和局限性，为帮助承压设备相关人员对无损检 测方法的理解和使用，j b t4 7 3 0 - - 2 0 0 5 承压设备无损检测对无损检测方法的应用提 出了一些原则性要求。 ( 1 ) 应在遵循承压设备安全技术法规( 如蒸汽锅炉安全技术监察规程、热 水锅炉安全技术监察规程、压力容器安全技术监察规程、超高压容器安全监察 规程、压力管道安全管理与监察规定、气瓶安全监察规程等) 和相关产品标 准( 如g b1 5 0 钢制压力容器，j b4 7 1 0 钢制塔式容器、g b1 5 1 钢制管壳式换热 器、g b l 2 3 3 7 钢制球形储罐、鹏4 7 3 2 钢制压力容器一分析设计标准等) 及有 关技术文件和图样规定的基础上，根据承压设备结构、材质、制造方法、介质、使用条 件和失效模式，选择最合适的无损检测方法。 ( 2 ) 射线和超声检测适用于检测承压设备的内部缺陷；磁粉检测适用于检测铁磁 性材料制承压设备表面和近表面缺陷；渗透检测适用于检测非多孔性金属材料和非金属 材料制承压设备表面开口缺陷；涡流检测适用于检测导电金属材料制承压设备表面和近 表面缺陷。 ( 3 ) 重要承压设备制造安装或是在用检验时，作为常规无损检测方法的一种补充， 可采用声发射检测方法。但一般不宜单独采用声发射检测方法对承压设备进行评价。 ( 4 ) 对锅炉直管段及气瓶环向对接焊接接头在生产线成批自动焊接或批量生产时， 可采用x 射线实时成像法进行检测。但在使用时应和射线检测方法的灵敏度进行实际比 较。如果对检测结果评价不一致时，应以射线的评定级别为准。 ( 5 ) 凡铁磁性材料制作的承压设备和零部件，应采用磁粉检测方法检测表面或近 表面缺陷，确因结构形状等原因不能采用磁粉检测时，方可采用渗透检测。 ( 6 ) 当采用两种或两种以上的检测方法对承压设备的同一部位进行检测时，应符 合各自的合格级别；如采用同种检测方法的不同检测工艺进行检测，当检测结果不一致 时，应以危险度大的评定级别为准。 ( 7 ) 通常认为，7 射线透照的固有不清晰度要比采用x 射线大得多，因此对重要 承压设备对接焊接接头应尽量采用x 射线源进行透照检测。确因厚度、几何尺寸或工作 场地所限无法采用x 射线源时，也可采用r 源进行射线透照。此时应尽可能采用高梯度 噪声比( t i 或t 2 ) 胶片；但对于抗拉强度大于5 4 0 m p a 的高强度材料对接焊接接头则 必须采用高梯度噪声比的胶片。 压力容器超声检测技术的应用 1 5 本文研究意义和内容 1 5 1研究意义 在压力容器各个环节的控制过程中，无损检测对压力容器的质量控制和安全使用起 着举足轻重的作用。产品安全质量监督检验的任务是保证压力容器产品质量。 鉴于压力容器高危险性的特点，各个国家均规定在压力容器的设计、制造、安装、 使用等过程中，必须对压力容器的材料、结构等进行严格控制及监督，以确保压力容器 的安全运行。无损检测即为控制压力容器各个环节的重要手段之一。因此深入研究无损 检测的技术，对压力容器的安全运行具有重要的实际意义。 1 5 2 研究内容 依据以上综述，确定本文研究内容如下： ( 1 ) 分析介绍了压力容器原材料、压力容器制造和使用过程中采用的射线检测、 超声检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测、声发射检测、红外线检测、漏磁检测和磁 记忆检测的特点和选用原则； ( 2 ) 探讨了超声检测的理论、回波动态波形、缺陷自身高度测试、应用波形判断 法对缺陷定性等知识； ( 3 ) 详细描述了压力容器用板、管、锻件、螺栓、焊缝、堆焊层和在用承压设备 的超声检测方法，根据分析结果并结合实际工作经验，确定了上述各种类型的超声检测 方法的探头选用、扫查方式、缺陷判别和质量等级评定等； ( 4 ) 总结提出了换热器、焦炭塔、球罐及加氢反应器等典型容器的超声检测要点。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 超声波检测基础 压力容器的超声检测包括原材料的超声检测、制造过程和最终成品的超声检测以及 在用压力容器的超声检测。 超声波检测主要用于探测试件的内部缺陷，它的应用十分广泛。超声波是一种机械 波，超过人耳听觉，频率大于2 0 k h z 的声波叫超声波。用于工业检测的超声波，频率为 0 5 1 0 m h z 之间，其中用得最多的是1 - - - 5 m h z 。利用声响来检测物体的好坏，这种方 法早已被人们所采用。例如：用手拍拍西瓜听听是否熟了；敲敲瓷碗，看瓷碗是否坏了 等等。但这些依靠人的听觉来判断的声响检测法，往往是凭人的经验，而且难于作出定 量的表示。而超声探伤法是用仪器来进行检测的，比声响检测法要客观和准确，而且也 较容易作出定量的表示。 在金属的探测中，使用高频率超声波的原因有以下3 个： ( 1 ) 超声波的指向性好，能形成窄的波束。 ( 2 ) 波长短，小的缺陷也能够较好地反射。 ( 3 ) 距离的分辨力好，缺陷的分辨率高。 超声波探伤方法很多，但目前用得最多的是脉冲反射法，在显示超声信号方面，目 前用得最多而且较为成熟的是a 显示。 声波是一种机械波，超声波是一种高频机械波。机械波是由机械振动产生的，发生 超声波探伤用的高频超声波，用的是压电转换器。压电材料主要是石英、钛酸钡、锆钛 酸铅和硫酸锂。它们具有压电效应，可以将电振动转换成机械振动，也可以将机械振转 换成动电振动。 超声波在介质中传播的方式不同，波形不同，振动方式不同，传播速度也不同。声 波的介质质点振动方向与传播方向一致，叫纵波。声波的介质质点振动方向与传播方向 垂直，叫横波。在水下只能传播纵波。固体介质中可以传播纵波和横波，因为固体介质 能承受剪切应力。 在超声波探伤中直探头来产生纵波，用斜探头来产生横波。 2 1 超声波探伤仪 超声波探伤仪是超声波探伤的主体设备，它的作用是产生电振动并加于换能器“探 头 上，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通过一定方式显示 出来，从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷位置和大小等信息【2 2 1 。 压力容器超声检测技术的应用 超声仪器分为超声检测仪器和超声处理( 或加工) 仪器，超声波探伤仪属于超声检 测仪器。超声波探伤技术在现代工业中的应用日益广泛，由于探测对象、探测目的、探 测场合、探测速度等方面的要求不同，因而有各种不同设计的超声波探伤仪，常见的有 以下几种： ( 1 ) 按超声波的连续性分类 脉冲波探伤仪 这种仪器通过探头向工件周期性地发射不连续且频率不变的超声波，根据超声波的 传播时间及幅度判断工件中缺陷位置和大小，这是目前使用最广泛的探伤仪【2 3 1 。 连续波探伤仪 这种仪器通过探头向工件中发射连续且频率不变的超声波，根据透过工件的超声波 强度变化判断工件中有无缺陷及缺陷大小。这种仪器灵敏度低、且不能确定缺陷位置， 因而已大多被脉冲波探伤仪所代替，但在超声显像及超声共振测厚等方面仍有应用。 调频波探伤仪 这种仪器通过探头向工件中发射连续的频率周期性变化的超声波，根据发射波与反 射波的差频变化情况判断工件中有无缺陷。但由于只适用检查与探测平面平行的缺陷， 所以这种仪器也大多被脉冲波探伤仪所代替。 ( 2 ) 按缺陷显示方式分类 a 型显示脉冲反射式超声波探伤仪 a 型显示是一种波形显示。探伤仪荧光屏的横坐标表示超声波的传播时间( 或距离) ， 纵坐标表示超声反射波的波幅。探伤仪通过探头向被检测工件周期性发射不连续且频率 不变的超声波，根据声波的传播时间及反射幅度来判断工件中缺陷的位置和大小，这是 目前使用最广泛的超声波探伤仪。 b 型显示超声波探伤仪 b 型显示是一种图像显示。探伤仪荧光屏的横坐标表示探头机械扫描的扫查轨迹， 纵坐标表示超声波的传播时间( 或距离) ，可直观显示被检工件任一纵截面上缺陷的分 布和缺陷的深度【2 4 】。 c 型显示超声波探伤仪 c 型显示也是一种图像显示，探伤仪荧光屏的横坐标和纵坐标都是靠机械扫描来表 示探头在工件表面的位置，探头接收反射波的幅度以光点辉度表示。当探头在工件表面 移动时，荧光屏上可显示工件内部缺陷的平面图像，但不能表示深度。 a 型、b 型、c 型三种显示见图2 1 。 人连理工人学专业学位硕士学位论文 a 型显示b 型显示c 型显示 图2 1a 型、b 型、c 型显示 f i g 2 1 a 、b 、ct y p es h o w ( 3 ) 按超声波的通道分类 单通道探伤仪 这种仪器由一个或一对探头单独工作， 双通道探伤仪 这种仪器由多个或多对探头交替工作， 自动化探伤。 是超声波探伤中应用最广泛的仪器。 每个通道相当于一台单通道探伤仪，适用于 j b t4 7 3 0 - - - - 2 0 0 5 承压设备无损检测标准采用的主要是a 型显示脉冲反射式超声 波探伤仪。 2 2 超声波探头 在超声波探伤中，超声波的发射和接收是通过探头来实现的。超声波探伤用探头主 要分为以下几类： ( 1 ) 单直探头 直探头主要用于发射和接收纵波，又称为纵波探头。主要用于探测与探测面平行的 缺陷，如板材、锻件的探伤等。一般直探头上标有工作频率和晶片尺寸。 ( 2 ) 单斜探头 根据入射角度的不同，单斜探头可分为纵波斜探头( ql l l ，则是倾 斜缺陷。 缺陷的倾角0 可按下式计算： 0 - - - t a n - 1 ( l 广h 母t a nb ) a h ( 2 6 ) 倾斜缺陷按下式计算其倾斜长度a b ： a b = ( l a h * t a n1 3 ) 2 + a h 2 】1 陀 ( 2 7 ) 其中： a b 缺陷倾斜长度，m m h 倾斜缺陷高度，m m t a n1 3 斜探头折射角正切值 i ，一探头从b 点移动至a 点的距离，m m 在缺陷距离探测面较深或者是端点衍射信号被端点部的散射所淹没无法识别 时，可选用双斜探头v 型串接法进行测高。见下图2 1 2 。 操作步骤如下： 1 选择两只相同型号的球晶片聚焦斜探头( 或常规探头) ，且k 值相同。 大连理工大学专业学位硕十学位论文 2 用单斜探头确认缺陷的上下端点距探测面的深度。端点衍射波的识别见探测面与 缺陷在同一平面时测高方法图。 3 将探头l 置于缺陷上端点位置，另一只探头2 置于缺陷的另一侧与之相对称的位 置，把仪器转换成一发一收工作状态，将反射波波幅调至荧光屏的8 0 。 4 移动探头2 ，使端点反射波波幅至荧光屏的8 0 时，固定探头2 的位置，移动探 头1 扫寻端点反射波。该信号波幅达到最高或其前方出现新的最高反射波时，固定探头1 的位置，再次移动探头2 ，扫描上端点衍射回波，如此轮流移动两只直到最终确认缺陷 端点衍射回波为止。测定缺陷端点衍射回波的时间延迟( 时间差值) 既可获得缺陷上端 点距探测面的深度d w 上。 5 依此轮流移动两只探头，按上述相同方法扫寻缺陷下端点衍射波，即可获得缺陷 下端点距探测面的深度a d w 下。 按下式计算缺陷高度： a h = a d w 下d w 上 图2 1 2 双斜探头v 型串接法缺陷测高方法 f i g 2 1 2 p a i ro f v s e r i e sc o n n e c t i o nr a m p sp r o b eo f d e f e c t sa l t i m e t e rm e t h o d ( 2 8 ) 2 5 2 端部最大回波法 尽量采用直射法( 一次波法) ，灵敏度根据需要确定，原则上应用2 5 - 一5 m h zk 1 探头，最好是聚焦斜探头，可以对表面开口缺陷和内部缺陷进行自身高度的测试。气孔 和夹渣情况则比较复杂，如确有需要，应增加x 射线复检。探头沿缺陷延伸方向扫查， 为保证不漏过缺陷端点，应尽可能多地从几个方向或用其他声束角度进行重复测量。对 于大面积或体积状缺陷，应沿长度方向在几个位置作测定。在测定缺陷高度时，应在相 压力容器超声检测技术的应用 对垂直于缺陷长度的方向进行前后扫查。由于缺陷端部的形状不同，扫查时应适当转动 探头，以便能清晰地测出端部回波，当存在多个杂乱波峰时，应把能确定出缺陷最大自 身高度的回波确定为缺陷端部回波。测定时应以缺陷两端的峰值回波a 和a 。作为基点。 基点原则上是以端部回波波高为荧光屏满幅度5 0 时的回波前沿值的位置为准。见下图 2 1 3 。 aa l 众哪l 瞰a 凡二 最人信号幅度的变化 州 厂、 厂、 。_f 人渡离 注：当端部回波达到最大时即可测出缺陷的两边a 和a 1 图2 1 3 用端部最大波幅法测缺陷自身高度 f i g 2 1 3b yt h ee n do f t h el a r g e s tm o v e m e n t so f t h e i ro w nh e i g h tm e a s u r e m e n tf l a w s 成群的横向缺陷会造成超声束散射，造成检测困难，这时可对妨碍检测的焊缝表面 进行打磨，必要时再增加射线检测。 2 5 36 d b 法 尽量采用直射法( 一次波法) ，原则上应用2 5 一5 m h zk 1 探头。探头应垂直于焊 接接头方向扫查，沿缺陷在高度方向的延展观察回波包络线的形态若缺陷的端部回波比 较明显，则以端部最大回波处作为6 d b 法的起始点；若缺陷的回波只有单峰，且变化比 较明显，则以最大回波处作为起始点；若回波高度变化很小，可将回波迅速降落前的半 波高值，作为6 d b 法测高的起始点。见图2 1 4 中的a 和a l 点。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 市向 图2 1 4 用6 d b 法测缺陷自身高度 f i g 2 1 4b y6d bm e a s u r e db yi t sh i g h d e g r e eo fd e f e c t s 将回波高度的选定值调到满屏高的8 0 0 o - - - - 1 0 0 ，移