压力容器的焊缝无损检测研究

本科毕业设计（论文）20 届本科毕业论文（设计）论文题目: 压力容器的焊缝无损检测 研究学生姓名: 所在院系: 所学专业: 导师姓名: 完成时间: 摘 要本文对一般压力容器出现的事故进行了综合分析，得出焊缝质量低劣对压力容器的危害比较大，由此介 绍了压力容器的无损检测-大型常压储罐的无损检1测技术。常压储罐在原油、化学危险品的储存和输送过程中起着重要作用，目前我过拥有的 5000 m3 以上储罐就有 2 万多台。在使用过程中，罐底腐蚀泄漏是引起储罐失效的主要原因，对储罐进行相关的检验可以了解储罐的使用状况，预防储罐失效。简要介绍了无损检测技术在储罐检验中的应用，对声发射和罐底板漏磁扫查技术检测储罐泄漏和腐蚀进行了介绍,并提出了相关的工艺要求。又针对目前焊缝残余应力常用的几种无损测量方法进行了简单介绍和比较。提出了一种新的无损测量方法-金属磁记忆检测技术。分析了该技术在压力容器焊缝中的应用前景及存在的问题。目的在于为从事压力容器设计、制造和操作管理者提供了一些经验和教训，并尽可能的防止和杜绝该类事故的发生与重演。关键词：压力容器，焊缝，无损检测Weld line Nondestructive Testing of Pressure Vessels2AbstractIn this paper, synthetic analyses are made for the causes of accident happened in the common pressurizes containers. These causes of accident may be happened due to faulty design of container, or due to the using of the wrong running management of the container. Atmospheric metal storage tanks take important part in storing and transferring crude oil and dangerous chemicals. At present, there are more than 20 000 tanks which are larger than 5000m3 in our country .the main reason of tank failure in use is the bottom leak resulted from corrosion. Inspection is necessary to know tank status and prevent tank from failure. The application of nondestructive testing technologies to storage tanks was described, especially acoustic emission and magnetic flux leakage technologies for the leak and corrosion of storage tanks, and the relevant inspection process was also introduced. From these analyses some proper idea for the design of container are proposed that will be useful for the pressurized container designers to obtain some practical experiences and lessons so as to prevent the same kinds of accident to be happened again. Key words: Pressurized container, Weld line, Nondestructive testing 目 录1 绪论 .12 一般压力容器事故及其分析 .232.1 国内外压力容器典型事故举例 .22.2 对一般常见事故技术分析 .22.2.1 检查事故现场 .32.2.2 事故过程调查 .42.2.3 压力容器设计、制造情况的调查 .42.2.4 技术检验和鉴定工作 .42.3 压力容器事故综合分析 .62.3.1 爆炸事故性质及过程的判断 .62.3.2 容器破裂型式鉴别 .73 压力容器结构设计 .83.1 压力容器结构设计的基本要求 .83.1.1 压力容器破坏的原因 .83.1.2 压力容器结构设计的要求 .83.1.3 焊接应力的影响 .84 压力容器无损检测 .94.1 大型常压储罐的无损检测技术 .94.1.1 罐底焊缝的无损检测要点 .104.1.2 罐壁焊缝的无损检测要点 .104.1.3 底圈罐壁与罐底的 T 形接头的罐内角焊缝无 损检测要点 .114.2 定期检验中采用的无损检测技术 .114.2.1 声发射检测 .114.2.2 漏磁检测 .124.2.3 超声检测 .124.2.4 渗透检测 .134.2.5 检测仪器 .134.3 磁记忆检测技术 .134.3.1 几种常用无损测试残余应力的基本原理及局限性 .144.3.1 磁记忆检测技术的应用前景分析 .165 结束语 .17致谢 .18参考文献 .191 绪论把压力容器作为承压的特种设备，并对它们的安全状况进行专门的检验和检测，对 安全科学和安全管理 进行研究，在世界各国已形成共识，并作 为制度。4但这种认识不是一朝一夕建立起来的，而是经历了漫长的过程。在这个过程中，压力容器在服务于社会的同时，也给人类带来了损失和灾难。如，世界上各种各样的压力容器爆炸事故等。正是由于压力容器的特殊性和发生事故的危险性，世界各国都先后设立了相应的管理（监察）机构，制定了相应技术规范，形成了安全管理制度。我国建立压力容器管理机构是在 1995 年。在当时的劳动部设立了安全监察总局。在此后的二十余年里，压力容器管理机构同时负责压力容器的检验工作和技术研究。从 1978 年起，为了进一步强化压力容器安全监察工作，开始在全国范围内设立压力容器检验研究所。现已形成国家级、省级、地方 级检验所及省、市、县级所和行业所组成的检验队伍，为压力容器的安全检查管理工作做出了很大贡献。但是，随着社会主义市场经济的建立和发展，特别是入世后，我国 检测技术设备相对落后，检验体制改革尚未全面展开，压力容器检验工作已不能完全适应当前形势的要求。为此，今后一个时期，我国检验检测机构将按照精简统一、高效的原 则，形成以国家级技术机构为龙头，省级技术机构为主体的统一、协调检测检验联合体、进一步提高容管特的检验质量和竞争水平，研究、开发已有知识产权的科研成果和管理技术。重点将做好以下几个方面的工作：1、搞好法定检验，以在用压力容器、 压力管道检验工作为核心，全面开展制造、安装监检、进出口安全性能监督检验。2、大力开展社会化服务，扩大金属材料与结构件机械性能试验、化学分析、金相分析、无损检测等工作。3、努力开展容管特安全科学技术研究，加大科技投入，积极建立锅容管特在线检测研究试验室。提高技术装备水平，有 计划、有重点、有目的地加大技术准备经费和固定资产总额的投入。4、建立具有国内先进技术水平的汽车罐车检测基地。5、建立国家压力容器培训基地，提高各类人员业务素质水平。6、借鉴西方国家先进经验，在认真做好检验的同时，积极开展定性检验。为适应 WTO 的要求和我国的法律，建立新的运行机制。7、积极做好科研体制的改革，认真研究和开展管理机制的改革和创新，化结构、精简人员；建立以竞争和流动为核心的动态管理；建立完善的管理制度和监督制度；建立灵活有效的分配激励制度，调动人员的积极性。8、适应 WTO 的要求，通过精简，形成科研与 检验、咨询与服务的两大发展方向，形成具有生命力的检验、研究集 团核心。52 一般压力容器事故及其分析一般压力容器出现事故的主要原因是有以下情况造成的：容器结构不和理、设计计算有误、粗制滥造、错用材料、 强度不足等，尤其是焊缝质量低劣，没有执行严格的质量管理制度，安装不符合技术要求、安装附件规格不对、 质量不好，以及在运行中超压、超负荷、超温，没有 执行定期检验 制度等，使压力容器发生失效导致事故发生。2.1 国内外压力容器典型事故举例例 1 1974 年 4 月 15 日罗马尼亚波特什蒂年产 20 万吨乙烯装置，因乙烯球罐材质不合格引起破裂，三台乙烯球罐相继炸裂， 酿成死亡一人，受 伤四十五人，损失达一千万美元。例 2 美国东部俄亥俄州克里夫兰市一个液化天然气贮罐基地，在 1994 年10 月 20 日发生重大事故。事故从一台21.3 m12.8 m 的圆桶形贮罐开始，先在其 1/31/2 高度处泄漏喷出气体和液体，接着听到雷鸣般响声，形成二次空间爆炸，变成火焰，然后贮罐爆炸， 酿成大火，20 min 后，进一步引起邻近的 17.4 m球罐的倒坍爆炸，造成 128 人死亡， 400 余人受伤，直接损失达 680 万美元。大火烧毁面积 11.7 m2。受害面 积 65 万 m2。例 3 国内某厂浴室用的一台换热器发生爆炸强大气浪将浴室后墙冲垮，房屋倒坍 134 m2，房顶板全部倒坍，所有洗澡人员全部压在里面。该换热器系自行制造，工艺质量特别是焊缝质量低劣， 1978 年 10 月发现焊缝大量漏水，敷 焊了事，导致灾难性事故的发生。例 4 国内某厂 1000 mm 加压变换冷却塔，8 mm 厚 16Mn 钢板卷焊，操作压力为 0.8 MPa。1970 年投产时原高 8 m，1973 年为提高冷却能力，增高 3 m，在现场焊接施工，当时为抢时间，在提高的 3 m 内壁处未经喷铝防腐，因受 H2S腐蚀而壁厚逐渐减薄，在使用、维修中也有所觉察(补焊过三次)，终于在 1976 年12 月爆成二段而倒坍，爆炸口位于接高段筒体器材上，壁厚已不到 1 mm，最厚的不到 3 mm。2.2 对一般常见事故技术分析压力容器事故的原因，一般来说往往是多方面的，对事故的技术分析，要找出主要原因和直接原因。首先进入事故现场， 进行认真的检查与调查，必要 时进行检验和鉴定，作出综合分析并确定事故原因。2.2.1 检查事故现场在事故发生后，应迅速进入现场， 进行周密的检查、观察和必要的技术测量，6搜集容器爆炸碎片，拍摄现场照片等，尽力搜集 较完整的第一手资料，其 检查的主要内容有：（1）容器本体破裂情况检查检查容器本体的破裂情况是事故现场检查的主要内容。首先对容器破断面进行初步观察，对断口的形状、颜色、晶粒和断口 纤维等特征进行认真观察和记录。若破断口在容器焊缝部位，则应认真检查焊缝破断口有无裂纹、未焊透、夹渣、未融合等缺陷以及有无腐 蚀物痕迹。对破断面的初步观察，大体上可以确定容器的破裂型式。其次是对容器破裂形状的检查和尺寸测量。当容器破裂后无碎块、碎片时，应测量开裂位置、方向、裂口的宽度、长度及其壁厚，并与原有周长和壁厚进行比较，计算破裂后的伸长率及壁厚减薄率；对破裂后几大块的容器，可按原来的部位组装进行测量计算，并计算其破裂时的容积变形及碎块或碎片飞出距离，飞出碎片的质量。最后检查容器内外表面金属光泽、颜色、光 洁程度。有无严重腐蚀，有无燃烧过的痕迹等。（2）检查安装装置是否完好当容器发生爆炸事故后，在初步检查安全阀， 压力表、温度 测量仪表后，再拆卸下来进行详细检查，以确定是否超温运行。对压力表主要检查进气口是否被堵塞以及爆炸前压力表是否已失灵。对安全阀主要检查进气口是否被堵塞，阀瓣与阀座是否被粘住，弹簧锈蚀，卡住或过分拧紧，重锤被移动等失灵现象，以及安全阀有否开启过的迹象。必要时应放到安全阀试验台上检查开启压力的试验。对温度测量仪表主要是检查温度计或温度测量仪表是否失灵。若容器上有减压阀者，应检查有否失灵现象。装有爆破片的容器，可检查是否已爆破。若未爆破，如有必要 应作爆破压力试验，测定其爆破压力。（3）事故现场破坏及人员伤亡情况压力容器爆炸后，周围建筑物的破坏情况，即地坪损坏情况、室 顶、墙壁厚度及其破坏状况，与爆炸中心的距离以及门窗破坏情况与离爆炸中心的距离等。这对于估算容器爆炸量的计算有反证作用。人员伤亡，包括受伤部位及其程度，以便确定重 伤或轻伤。另外，对现场及其周围有否易燃物燃烧痕迹等也应作检查分析。2.2.2 事故过程调查 7容器在发生事故前的运行情况，即物料数量、压力、温度等运行参数是否正常；容器是否渗漏、变形以及异常响声等。容器开始出现异常现象的时间，采取的应急措施以及安全泄压装置的动作情况；操作人员所在位置，爆炸过程及现象，如有无闪光、着火、一次或两次响声等。操作人员的操作技术水平，有无经过安全培训考试合格等情况，以利于判断有无误操作现象。2.2.3 压力容器设计、制造情况的调查查阅压力容器技术资料，检查设计结构是否合理，强度是否足够；检查压力容器选材是否满足工艺要求，制造质量尤其是焊接质量是否合格；容器使用年限、投产使用年份以及检验情况等，以便判断是否因设计、制造不良引起的事故。2.2.4 技术检验和鉴定工作当压力容器的操作条件比较复杂，在通过上述事故分析后仍未能确定事故原因时，需要进一步进行技术检验、 计算和鉴定工作，才能确切地查明事故原因。（1）材质分析通过分析容器的材质成分、性能、核对压力容器的材料，或检查容器使用过程中所发生的变化。1）化学成分检查当压力容器发生事故后，应复验材质的化学成分，或着重检验对容器性能有影响的元素成分。对可能发生脱碳现象的压力容器，还要化验表面层含碳量，和内层钢材的含碳量进行对比，以便查明是否由于介质对钢材的影响，所以复验化学成分可鉴别容器是否用错钢种或运行中的影响。2）机械性能测定压力容器的破裂与金属材料的机械性能直接有关。一般是检查材料强度、塑性，以判断是否用错材料；对于低温下工作的容器，通过金属材料韧性指标（冲击值）的测定，即可鉴别容器是否因脆性断裂破坏的。做机械性能测定的试件，可从断口部位截取，并与其它部位的试件作对比。3）金相检查金相检查观察断口及其它部位金属相的组成，判断是否有“ 脱碳”及裂纹性质，对于鉴别事故性质作用甚大。例如可以观察到是穿晶裂纹还是晶间裂纹，观察裂纹尖端是圆纯的还是尖锐的。4）工艺性能试验工艺性能试验主要是钢材的焊接性能试验、耐腐蚀性能试验等。试验时应取与破裂容器相同的材料、焊条和焊接工艺，以 观察试样与破裂容器类同的缺陷的8可能性。工艺性能试验往往是事故检查的一种辅助手段，起验证作用。（2）压力容器断口分析断口分析是研究分析破坏现象微观机理的一种重要手段。断口分析可分为宏观分析和微观分析两种。1）断口的搜集及其保护、保存在压力容器发生事故的现场，应尽可能地搜集破断口或碎片截取制成断口试样。对于破断口，防止玷污表面，并用水玻璃涂其表面防止腐蚀。被玷 污了的断面应加以清洗。清洗后的断口用酒精漂净，并用 热风吹干，保存在干燥器中 备用、备查。2）断口宏观分析断口宏观分析是用肉眼或借助于放大镜对断口进行观察，这是断口分析的主要手段。金属的拉伸断口，一般由三个区域组成，即 纤维区、放射区、剪切唇。根据这三个区域在整个断口所占有的断面积，大体上可确定其断裂类型。凡脆性断裂的断口，纤维区和剪切唇很小，大部分是放射区，就是说金属在断裂前没有较大塑性变形，断裂主要是在高速扩展下进行的。脆裂断口还可根据放射线（常称人字形）的指向确定裂源的起始点，并可由此查清裂纹的扩展情况。需要指出，破裂断口的裂纹起始点可能不止一处，它可能有几个裂纹源。3）断口微观分析断口微观分析是利用光学显微镜、电子显微镜对断口的微观形态进行观察，结合宏观分析确定断裂性质。目前广泛使用的是电子显微镜，它的放大倍数可达 20 000 倍。通常使用的是透视式电子显微镜和扫描电子显微镜。前者是对用断口表面复制的薄膜进行观察，后者则可直接观察实物断口。有的电子显微镜配有 电子计算机，不 仅可作断口定性分析，还可对断口的成分作定量分析。（3）压力容器事故分析中的计算在压力容器事故分析中，往往要进行计算和液化气体过量充装可能性的计算等工作。在对压力容器进行强度计算，主要是为了判断是设计强度不足还是运行后因腐蚀减薄导致强度不足的破裂。在强度计算中测量的壁厚，应注意是破裂前的厚度，而不是破裂变形后的壁厚。对于在焊缝处破裂的容器，若有未焊透缺陷时，还要考虑未焊透处的应力集中或对疲劳强度的削弱。9液化气体容器的事故分析中，还应作过量充装可能量的计算，即液化气体满液充装和过量充装时，在环境温度升高几度时，容器将发生破裂。2.3 压力容器事故综合分析压力容器的破裂爆炸事故的调查分析工作，在经过事故现场的观察检查和测量，对事故发生过程和容器设计、制造、投产后进 行情况的调查了解，以及必要的技术检验、鉴定和计算之后，则应对事故原因进行综合分析确定其直接原因和主要原因。由于压力容器类型繁多，每一次事故均应按具体情况作具体分析。2.3.1 爆炸事故性质及过程的判断压力容器的破裂，有的是在工作压力下发生的，有的是在超压的情况下发生的。其中有的属于物理性爆炸，有的属于化学性爆炸，所以要具体分析事故原因，首先要正确判断爆炸的性质或过程以及容器破裂压力等。一般容器破裂及其由此引起的气体爆炸，可有以下几种情况：（1）工作压力破裂的容器当安全泄压装置正确、可靠，容器在破裂前没有开启泄放，压力表也无异常，事故后检查尚无失效、失灵，操作和工艺条件也属正常等，无超压迹象。则可判断为在工作压力下的破裂。工作压力下破裂的容器，一般是发生在容器粗制滥造，即壁厚不够、 焊缝有严重缺陷、以及容器长期不作技术检验、年久失修和器壁严重腐蚀而普遍减薄的容器。工作压力下器壁上的应力超过材料屈服极限的则少见。（2）超工作压力下破裂的容器当容器内压力较多的超过工作压力而发生爆炸，象这类事故一般是操作人员违章作业，超过工作压力，而容器本身的安全泄压装置不全或失灵、失效，器壁上的应力超过材料的强度极限而发生破裂，这种破裂一般都有一段增压过程，故破裂一般都属于韧性破裂。（3）化学反应而爆炸的容器容器内化学反应爆炸是指发生不正常的化学反应，使气体体积增加或温度剧烈增高致使压力急剧升高导致的容器破裂。发生化学反应爆炸的容器，其安全阀可能有排放过的迹象，但一般却来不及全量排放。爆炸后检查压力表可发现指针撞弯、不能返回零位等异常现象，以及器内可能有燃烧的痕迹或残留物等。（4）容器破裂后的二次空间爆炸一般盛装易燃介质的容器，在其破裂后，器内逸出的易燃介质与空气混合后，在爆炸极限范围又发生的第二次爆炸，这种爆炸一般形成火灾，往往导致灾害性10事故。容器破裂后的二次空间爆炸，其特征是可以看到闪光和两次响声以及常有燃烧痕迹或残留物等。2.3.2 容器破裂型式鉴别（1）韧性破裂 韧性破裂的容器一般都有明显的塑性变形，破裂后其最大圆周伸长率常达10%以上，容器增大率在 10%20%。其破断口呈暗灰色纤维状，没有闪烁的金属光泽，断口不齐平。由于材料有较好的塑性和韧性，所以容器破裂后，一般不是形成碎片，而是裂开一个口子。（2）脆性破裂脆性破裂的容器，在破裂形状、断口形貌等方面具有一些与韧性破裂相反的特征。即没有明显的伸长变形，容器的壁厚一般也无减薄。裂口 齐平，断口呈闪烁金属光泽的结晶状，厚壁容器的断口上，还常可找到人字形纹路（幅射状）。由于脆性破裂往往在一瞬间发生，器内压力无法通过一个裂口释放，因此脆性破裂的容器常裂成碎块飞出。金属的脆性破裂是由于裂纹引起的所以破裂时实际应力较低。在运行中因温度突变而发生脆断的也多见。（3）疲劳破裂疲劳破裂是在反复的交变载荷作用下出现的金属疲劳破坏。一般的疲劳破坏有如下特征：1）由裂纹的产生和扩展所造成的，它与脆性破裂一样，一般无明显的塑性变形。2）破裂断口存在两个区域，一个是疲劳裂纹产生及扩展区，另一个是最后断裂区。两个区域的颜色有明 显不同。3）疲劳与脆性破裂的另一个不同点是只开裂一个破口泄漏，而常不产生碎片。容器在反复载荷作用下，有裂纹的产生发展到断裂泄漏，比脆性断裂要慢的多。（4）腐蚀破裂常见的压力容器腐蚀破裂形式有均匀腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀等，其中最危险的是应力腐蚀破裂，常见的应力腐蚀型式及其特征如下：1）钢制容器的氢脆。在容器发生氢脆后，断口微 观分析，常可看到 钢的脱碳铁素体组织及脱碳层的深度。破坏的形式是沿晶界扩展的腐蚀裂纹。2）钢制容器的碱脆。碱脆是钢在热碱溶液和拉伸应力的共同作用下产生应力腐蚀的一种破坏形式。断裂常发生在应力集中的地方，断口微观分析常可发现有沿着晶界分枝型裂纹，断口上还粘附有磁性氧化铁。113）氯离子引起的奥氏体不锈钢容器的应力腐蚀断裂。腐蚀裂纹的特征是穿晶型，且多数是分枝型裂纹 ，且多数 发生在有参与应 力的焊缝及其热影响区。4）疲劳腐蚀。或称腐蚀疲劳，是金属材料在腐 蚀和应力的共同作用下引起的一种破坏形式。具有与疲劳破坏相同的断口，即断口常有两个明显不同的区域，一是腐蚀疲劳裂纹产生的扩展区，另一个是最后断裂区。疲劳腐蚀裂纹多为穿晶分布的。3 压力容器结构设计3.1 压力容器结构设计的基本要求3.1.1 压力容器破坏的原因造成压力容器破坏基本要素有两个：一是缺陷，二是应力。而这两个基本要素又都和结构有关。据不完全统计我国 19811985 年就发生上百起压力容器爆炸事故。压力容器发生爆炸事故的主要原因，一是存在较严重的先天性缺陷，即设计结构不合理，选材不当，强度不足，粗制滥造，二是使用管理不善，即操作失误，超温、超压，超负荷运行，失检、失修、安全装置失灵。这五年的压力容器爆炸分析还表明，低压容器（如蒸汽锅、消毒锅 、夹套锅、硫化罐等）的爆炸事故占 46.8%，其中属设计不合理、粗制滥造的占 43.1%，操作失 误和超负荷运行的占 38.3%，失检、失修占16.9%，其它占 1.7%。由此看出，压力容器结构设计 的重要性。3.1.2 压力容器结构设计的要求对压力容器结构设计的第一个要求，就是方便制造。因为制造过程简单易行，才有利于保证容器的质量，避免或减少制造过程中可能产生的缺陷。压力容器结构设计的第二项是方便无损检查。因为只有这样才能及时而准确地发现在制造和使用过程中产生的各种缺陷，并及时返修或采取其它措施，做到防患于未然。我们知道，容器的各种失效往往和应力水平的高低密切相关。而压力容器及其零部件的应力大小，又在很大程度上取决于它的结构形式。因此， 压力容器结构设计的第三项要求是尽量减少局部附加应力和应力集中。由于结构问题造成压力容器破坏事故，多数是由于结构不合理产生的破坏，而大多发生在焊缝本身或焊缝附近区域，即破坏往往和焊缝密切相关。究其原因，这是由于焊缝本身的受力特点和质量情况决定的。3.1.3 焊接应力的影响由于焊接过程中焊接应力的存在，对容器的强度和安全性产生十分不利的12影响，这可以从下述几个方面加以分析。首先是造成了焊接部位的局部塑性变形。我们知道钢材都有一定的塑性，当焊接过程中产生的焊接应力超过材料的屈服极限时，材料就要发生塑性变形。既然焊接应力这一内应力是局部的，因而产生塑性变形也是局部的，其结果是沿着焊缝发生弯曲、扭歪或挠曲。一局部突变，在内应力作用下，又会发生附加弯曲应力，造成局部应力集中，这自然是对容器的强度和安全性极为不利的。其次是产生焊接裂纹，众所周知，钢材的强度不管有多高，总有一个极限，当应力超过材料的强度极限时，材料就会断裂。因此，若构件中某一区域的焊接应力超过材料的强度极限时，就会在该处产生裂纹。焊接裂纹的产生是一个十分复杂的过程，往往是由种种不同因素多方面作用的结果，但应力的存在总是其基本原因之一。此外，在焊接过程中还往往会产生其它内部缺陷，如夹渣、气孔、未焊透等等。这些内部缺陷，尤其是裂纹存在，将 对焊 接的安全产生不良影响。第三，在焊缝附近的开孔、接管或两个不同形状部件的连接处， 这些部位蜂值应力和许用应力就会和焊缝处的焊接应力相迭加，造成更为不利的应力状态，成为导致容器失效根源。为了尽量消除焊接应力和防止各种焊接缺陷的产生，可以在焊前、焊后和焊接过程中，采取各方面的技 术措施，如 焊前预热、焊 后缓冷、焊后消除应力热处理及选择合适的焊接规范等。采用上述这些措施， 虽 然可以改善焊缝质量，但在构件中总还程度不等地残存着焊接应力和焊接变形，不可能完全消除焊缝中各类缺陷。在消除焊接应力过 程中，如果措施采用不当，也 还会引起新的问题，因此，焊缝 依然是压力容器的薄弱环节之一。对于焊缝这一薄弱环节，不仅要从焊接材料、 焊接方法、焊接工艺等方面采取措施，尽量改善焊缝的质 量，同 时，也要从 结构设计 入手，研究什么样焊接结构是合理的，不同焊接结构的适用范围以及焊接结构问题和其它结构问题的相互影响。4 压力容器无损检测4.1 大型常压储罐的无损检测技术常压储罐主要是利用预制成型的顶板、壁板和底板在现场组装后焊接而成，其中顶板和壁板大多采用对接焊形式，底板大多采用搭接接头。对于常压储罐底圈和第一圈罐壁的钢板，当厚度23 mm 时，应按 ZBJ 740031988压力容器用钢板超声波探伤进行检测，达到级标准者为合格。对于屈服点390 MPa 的钢板，应取 钢板张数的 20%进行抽查，当 发现不合格的 钢板时， 应逐张检查；对于屈服点390 MPa 的钢板，应 逐张进行检查。134.1.1 罐底焊缝的无损检测要点（1）所有罐底板焊缝(图 1)应采用真空箱法进行严密性试验，试验负压53 kPa，无渗漏为合格。图 1 罐底板焊缝及区域示意图（2）屈服点390 MPa 的边缘板的对接焊缝。在根部焊道焊接完毕后，应进行渗透探伤；在最后一层焊接完后，应进行渗透或磁粉检测。（3）厚度10 mm 的罐底边缘板，每条 对接焊缝的外端 300 mm 范围内，应进行射线探伤；厚度为 69 mm 的罐底边缘板，每个焊工施焊的焊缝，应按上述方法至少抽查一条。（4）底板三层钢板重叠部分的搭接接头焊缝和对接罐底的丁字焊缝的根部焊道焊完后，在沿三个方向各 200 mm 范围内， 应进行渗透探 伤，全部 焊完后，应进行渗透或磁粉探伤。（5）磁粉和渗透探伤应符合 SY/T 04441998常压钢制焊接储罐及管道磁粉检测技术标准和 SY/T 04431998常压钢制焊接储罐及管道渗透检测技术标准。 4.1.2 罐壁焊缝的无损检测要点（1）对于纵向焊缝，每一焊工焊接的每种板厚（板厚差1 mm 时可视为同等厚度），在最初焊接的 3 m 焊缝的任意部位取 300 mm 进行射线探伤。以后不考虑焊工人数，对每种板厚在每 30 m 焊缝及其尾数内的任意部位取 300 mm 进行射线探伤。探伤部位中的 25%应位于丁字焊缝处，且每台罐不少于两处。（2）对于环向对接焊缝，每种板厚（以较薄的板厚为准），在最初焊接的 3 m焊缝的任意部位取 300 mm 进行射线探伤。以后对于每种板厚，在每 60 m 焊缝及其尾数内的任意部位取 300 mm 进行射线探伤。上述检查均不考虑焊工人数。（3）当底圈壁板厚度10 mm 时， 应从每条纵向焊缝 中任取 300 mm 进行射线探伤；当板厚 10 mmt25 mm 时， 应从每条纵向焊缝中取两个 300 mm 进行射线探伤，其中一个应靠近底板。14（4）厚度 25 mmt38 mm 的各圈壁板，每条纵向焊缝都应进行射线探伤；厚度10 mm 的壁板，全部丁字焊缝均应进行射线探伤。（5）除丁字焊缝外，可用超声波探伤代替射线探伤，但其中 20%的部位应采用射线探伤复验。（6）射线探伤或超声波探伤不合格时，应在该探伤长度的两端延伸 300 mm作补充探伤，但缺陷的部位距离片端部或超声波检查部位75 mm 时可不再延伸。如延伸部位的探伤结果仍不合格时， 应继续延伸 进行检查。（7）射线探伤应按 GB 33231987钢熔化焊对接接 头射线照相和质量分级的规定进行，并应以 级标准为合格。但 对屈服点 390 MPa 的钢或厚度25 mm 的普通碳素钢或厚度16 mm 的低合金钢的焊缝，合格标准为级；超声波探伤应按 JB 11521981锅 炉和钢制压力容器对接焊缝 超声波探伤的规定，合格标准为级。4.1.3 底圈罐壁与罐底的 T 形接头的罐内角焊缝无损检测要点（1）当罐底边缘板厚度8 mm，且底圈壁板厚度 16 mm，或屈服点 390 MPa 的任意厚度的钢板，在罐内及罐外角焊缝焊完后，应对焊内角焊缝进行渗透或磁粉探伤。在油罐充水试验 后， 应采用同样方法复 验，探 伤要求和标准与底板检测相同。（2）屈服点390 MPa 的钢板，罐内角焊缝初层焊完后，还应进行渗透探伤。4.2 定期检验中采用的无损检测技术为了保证储罐罐壁和底板不发生泄漏，对储罐进行定期检查很有必要，目前主要采用例行检查、在线检测 和开罐检测三种形式。例行检查是通过目视的方法，直观地检查储罐是否有结构损坏；在线检测是指无需停产情况下进行的检测，主要采用宏观检测、超声波测 厚和声发射检测方法；开罐检测需要储罐停用、倒料、打开并置换清洗，使检测人 员进入罐中进行的各项检测，主要采用漏磁、超声、射线、磁粉和渗透检测等方法 7。4.2.1 声发射检测应用声发射方法在线检测常压储罐主要有两种模式，一种是将频率为100400 kHz 声发射传感器均匀布置在罐壁板上，采用三角定位来采用声 发射源的位置，根据声发射信号的特征参数和波形来判断罐壁板上的活性缺陷和泄漏；第二种是将频率为 3060 kHz 的低频传感器等距离布置在罐底板边缘（图2a），采用 圆周上的任意三个探头进行定位，同样根据声发射型号的特征参数和波形来检测罐底板腐蚀的严重程度和泄漏。为了进行在线声发射检测，应提前一段时间把储罐内储存介质的液位降下来，在进行检测时再把液位升上去，分别在1585%，95%和 100%液位进行保压，用声发射仪全程采集声发射数据，分析升压和保压过程中采集到的声发射信号，对罐壁和罐底是否存在泄漏、潜在泄漏或腐蚀损伤作出判断，并确定其位置（图 2b）。通 过对罐壁或罐顶的声发射源部位进行超声波测厚，最终对储罐的完整性作出综合评价，确定开罐检测的时间。 该检测方法需要检测人员接受较好的培训并具备大量现场检测经验，但检测效率较高 8。（a） 平面定位（b） 立体定位图 2 储罐底板声发射探头布置及信号的定位4.2.2 漏磁检测在停产开罐的条件下，对每块罐底板用漏磁检测法进行 100%检测，可以比较精确地检测罐底板整体腐蚀情况。漏磁法主要用于检测腐蚀等体积性缺陷，包括罐底板上表面和背面的腐蚀状况。检测时需要利用合适的标定板对仪器进行标定，并将罐底板清理干净 ，作好 标识，按一定的 顺 序进行检测。漏磁检测可对罐底板除焊缝以外的部位进行 100%检测，检测结果按照剩余厚度以不同的颜色显示（图 3），检测结果比较 直观 9,10。4.2.3 超声检测16图 3 罐底板漏磁检测结果图罐壁底圈板承受的压力高，成形条件较差， 焊缝处易产生缺陷，所以在定期检验中一般对罐壁底圈板的纵焊缝和环焊缝进行 20%的超声抽查。对于不锈钢材料的储罐底板也需采用超声波扫查方法进行检测。在检测过程中，要根据底板的厚度加工标定试块，并选择 合适的超声波探头。一般 810 mm 厚的底板可选择 2.0 MHz 的 K1 斜探头和 2.0 MHz 的双晶直探头 。 4.2.4 渗透检测对储罐接管管口部位、罐底板所有焊缝（含与罐壁连接的角焊缝）、最下一圈壁板内表面所有焊缝和外观检验发现有怀疑的焊缝均需进行渗透检测。渗透检测可以较灵敏地检出泄漏和裂纹等表面缺陷，有效控制储罐的安全质量。4.2.5 检测仪器目前用于储罐声发射检测的仪器主要有德国 Vallen 和美国 PAC 公司的声发射仪器。漏磁检测主要用英国 Floor Map 2000 型罐底板漏磁扫查仪。4.3 磁记忆检测技术在压力容器焊接残余应力测量中的应用分析压力容器在焊接过程中易产生焊接残余应力。它产生的原因较为复杂，因压力容器的材质、焊接方法和 结构形式的不同， 产生的 焊接残余应力也不同，有 时会差别很大。焊接残余应力 对焊接构件的力学性能、耐腐蚀性、疲 劳强度、形状精度和安全使用有重要影响，它是造成压力容器断裂，疲劳破坏和应力腐蚀的重要因素。研究焊接残余应力的分布，确定它的大小，分析其对压力容器整体性能的影响，为最终减少或消除 焊接残余应力对压力容器的危害，防止灾难事故的发生已经成为压力容器领域中广泛关注的问题。特别是对一些大型重要的压力容器，寻求适宜现场快速检测 的方法具有现实的工程意义。尽早发现压力容器应力集中区，并进行有针对性的无 损检测，早期 预防断裂事故发生具有重要的意义。目前，测量残余应力的方法相对于被测件而言，可分为无损和有损测试法两大类。钻 孔法（即小孔法）是常用的有损测试方法之一。它是利用机械加工工程17（钻孔）释放被测点处的应力，使被测件相应的位移与应变，通过测量其应变或位移，而后得到被测试点处的残余应力。它的 测量精度与灵敏度都比较好，但是被测试件受到一定的损伤，所以现在实际应用受到很大限制，而且它的测量结果是小孔处被测试表面的残余应力平均值，无法精确表述残余应力随被测试件深度而变化的情况，还不能完全解决被测试件残余应力的测量问题。因此，无 损测试方法就成为研究的主要方向。常用的无损测试材料的残余应力的方法有 X 射线衍射法、中子衍射法、超声测速法。激光干涉（包括电子剪切散斑进干涉技术、红外热图和磁测量法等。 ）由于这些方法对被测试对象无损伤，近年来正日益受到人们的重视并得到广泛应用。4.3.1 几种常用无损测试残余应力的基本原理及局限性（1）X 射线衍射法金属材料是由一定点阵排列组成的晶格结构，晶格内某一取向的原子间距是一定的。若能测量出自由状 态下的原子间距与在某一应力作用下的原子间距的差值，就能计算出作用应 力的大小，也就是著名 Bragg 的定律，当射线入射角（射线与材料平面的夹角） （Bragg 角）满足下面方程式时，衍射量最大，2dsin =n 是晶格常数（原子间距）， 是 X 射线波 长。n 为衍射级数。当有应力作用是，金属材料发生变形，原子间距 d 会发生变化， Bragg 角 也会发生变化。上世纪 60 年代德国 E.M achearauch 的提出了射线应 力测定的 sin 2 法，使应力测定向实用化迈进了一步。随后 cheekier 将其简化成 045 法，测试方法进一步简化。X 射线衍射法的最大优点是可以测量出应力的绝对值，它在焊接结构残余应力测量中应用较广泛。美国汽车工程师学会和日本材料学会都把 X 射 线衍射法作为测量材料应力的标准来使用。但这种方法更适宜在实验室里进行，在野外使用有很多不便。由于 X 射线的穿透深度极浅，它只能在表层深度 30 左右的范围测量，适用于m精确测定应力沿层深的分布。但它对被测物体的表面状况有较严格的要求，测量时需十分小心。（2）中子衍射法中子衍射法是一种测量结构内部应力的常用方法。该方法测量原理与 X 射线衍射法基本相似。典型的是，有单色光晶体从反应 堆芯（约 50 mm50 mm）发射中子束，隔吸收屏狭缝处 于构件和入射及衍射束之间，以降低残余应力的取样体积，平行衍射束发自对衍射有正确取向的原子。通过研究衍射束的峰值位置和强度，可 获得应力或应变的数据。由于 X 射线是由电子壳层散射的，故其穿透深度极浅（大约离表面 20 深），用 X 射线衍射法可以 测量压力容器表面的应力，m而中子是由原子核散射的，中子的穿透深度比 X 射 线大得多，对于钢可达 50 18mm，可以用来测量钢的焊接结构沿层深的残余应力。各种焊接结构层深的残余应力可以采用中子法来测量。近年来中子法在焊接残余应力测量中的应用比较普遍。例如，Mochizuki 以中子衍射法作 为直接测量手段来 对碳钢管焊接接头沿层深的残余应力进行了分析和验证；Stone 把中子法 应用到了 WASPALOY 合金的电子束焊板的残余应力的测量上。（3）超声波声速法声强性研究表明，超声波在各向同性弹性体内的传播速度还相似地正比于所加的应力。超声波声速法有两种方案在实际中运用。一种是在金属构件中采用超声纵波， 评价因应变- 位移关系的弱非线性引起的速度差别，由此确定其残余应力，例如测量螺栓紧固应 力。另一种是回振法，它是 测量正交偏振两横波的回波时间，得到超声速度与应 力状态的对应关系。只要发射超声波功率足够大，可穿透任意厚度的工件，因此，它适应测量大型焊接构件的三维残余应力，具有快速、简便的特点，但该方法目前还处于试验研究阶段。（4）电子散斑干涉技术它是一种激光干涉技术。金属焊接构件有应力作用时，材料表面产生形变