压力容器无损检测多层包扎与带内衬压力容器及换热器的无损检测技术.doc

压力容器无损检测多层包扎与带内衬压力容器及换热器的无损检测技术压力容器无损检测多层包扎与带内衬压力容器的无损检测技术多层包扎式压力容器是现代工业生产中使用最多的高压容器筒体结构形式之一。由于其制造条件较低、韧性好、脆性破坏的可能性小和安全性较高等优点，在国内得到大量应用，自1958年以来，一直是我国生产高压容器筒体的一种主要结构形式。这种容器的结构是由内筒及在外面包扎的多层层板构成，封头一般采用球形封头，且一般无人孔。这种容器常用于存储高压氢气或氮气，一般规格为80037mm（1963）9150，工作温度为常温。在制造过程中，对其对接焊缝内部缺陷选用射线检测；对焊缝表面缺陷选用磁粉检测，无法进行磁粉检测的焊缝应选用渗透检测。定期检验中以声发射和磁粉检测为主。带内衬的压力容器在这里是指内衬为非金属隔热材料的容器。这类容器由于内部有衬里，其内表面无法检测，内衬的损坏程度对容器的安全运行至关重要，一般是决定容器是否大修的最主要因素。内衬的损坏及脱落，将使容器金属直接暴露在高温下，使强度降低，出现鼓包并迅速氧化，从而导致容器失效破坏。这种容器常用于石油化工行业中的催化剂再生作业，一般规格为6700/890024/3035150mm，工作温度为120180。这类容器在制造中除对所有对接焊缝应进行射线检测外，部分焊缝应进行超声检测抽查；对于焊缝表面缺陷则选用磁粉检测，无法进行磁粉检测的焊缝应选用渗透检测。这类容器在使用中容易产生内部衬里损坏，必须在线监测，主要采用红外热成像技术检测内衬的完好性。在定期检验时，焊缝外表面选用磁粉检测，角焊缝选用渗透检测；焊缝内表面及内衬挂钉角焊缝的开裂情况可采用超声检测。1 多层包扎容器的无损检测技术1.1制造过程中的无损检测技术1.1.1制造工艺及容易产生的缺陷多层包扎容器一般是由多个筒节组对焊接而成的筒体，每个筒节由内筒及在其外面包扎的多层层板构成，封头一般采用单层球形封头。首先进行的是筒节的内筒焊接，完成后进行第一层的层板的包扎和焊接，再进行第二层层板的包扎和焊接，直到所有层板包扎焊接完毕，即完成了一个筒节的制造。所有筒节制造完成后进行组对焊接，最后与封头组对焊接。制造过程中容易出现的缺陷有夹渣、气孔、未焊透、未熔合及裂纹等焊接缺陷。这类容器的材质通常为16MR，对接焊缝内部缺陷一般选用射线检测或超声检测，对焊缝表面缺陷选用磁粉检测或渗透检测。1.1.2制造过程中的射线和超声检测GB1501998钢制压力容器规定，多层包扎压力容器的内筒钢板应进行100%超声检测，检测方法和质量标准按JB473094压力容器无损检测要求进行，钢板质量等级应不低于级。超声检测时，若板厚20，应选用晶片面积1502的5MH纵波双晶直探头和阶梯标准试块；若板厚为20250，应选用1425mm或晶片面积2002的2.5MH纵波单晶直探头和5平底孔标准试块。GB150标准规定，多层包扎压力容器内筒的A类焊接接头应进行100%射线检测；另外，由于多层包扎压力容器属于第三类压力容器，根据压力容器安全技术监察规程规定，第三类压力容器的对接接头必须进行100%射线检测，因此多层包扎压力容器对接接头必须进行100%射线检测；检测按JB4730标准要求进行，射线照相质量等级应不低于AB级，焊缝缺陷等级不低于级为合格。射线检测时首先考虑的是透照方式的选择，对于纵选择单壁透照，对于环焊缝选择中心透照，最后一道筒体与封头的对接焊缝采用环缝外透照方式。其次是射线能量与曝光量的选择，射线能量应在X射线能穿透的情况下选择较低能量，且曝光量应15Amin（焦距700mm）的选择。然后是焦距的选择，确定焦距时最小焦距10db2/3（单位为mm，d为有效焦点尺寸，b为射线源侧工件表面至胶片的距离）。再次是散射线的控制，尤其是环焊缝外透和纵焊缝透照时，必须做好背散射的防护和检查。最后是暗室处理，严格控制好显影、定影的温度、浓度和处理时间，确保底片黑度与灰雾度达到要求。1.1.3制造过程中的表面检测GB150标准规定，若层板材料标准抗拉强度下限值540MPa，层板的C类焊接接头应进行100%表面检测；检测方法和质量标准按JB473094要求进行，缺陷等级级合格。另外，压力容器安全技术监察规程规定，对有无损检测要求的角接接头应进行100%表面检测。磁粉检测主要是检测焊缝的表面缺陷。检测前，首先应检查所配制的磁悬液浓度是否合适，如磁悬液浓度太高，易产生伪磁痕，磁悬液浓度太低，灵敏度会降低；其次要检查磁轭的提升力是否达到标准要求。现场检测时，必须采用标准试片对检测系统的综合灵敏度进行检查，只有综合灵敏度符合标准要求时才能作业。使用交叉磁轭时，要注意四个磁极端面与检测面之间尽量贴合，最大间隙1.5mm，连续拖动检测时，检测速度应尽量均匀，一般4m/min。另外，被检焊缝及两侧磁轭所接触到的表面应打磨到露出金属光泽，不得有油脂、铁锈、氧化皮或其它粘附磁粉的物质。渗透检测主要是用于磁粉检测无法进行的部位或非铁磁性材料的焊接接头表面缺陷，如小直径接管角焊缝等位置或奥氏体钢焊接接头等。渗透检测一般采用溶剂去除型渗透剂。渗透探伤时，首先应注意环境温度，如温度不在1050，必须采用非标准温度检测方法。其次被检表面不得有影响检测结果的铁锈、氧化皮、焊接飞溅及各种防护层。然后是要有足够的渗透时间，一般10min。再次是去除时一要防止过清洗，二要在擦拭多余浸透剂时只能保持一个方向。最后是显像剂喷涂一定要均匀且薄，观察显像要在显像剂施加后的760min进行。1.2定期检验中的无损检测技术1.2.1容器使用中的特点和容易产生的缺陷这类容器在使用中主要用来存储氢气和氮气，这些介质的进出将造成压力的波动，形成载荷的疲劳作用。由于介质无腐蚀作用，因此使用中容易出现的缺陷主要是裂纹。为确保压力容器的安全运行，根据压力容器安全技术监察规程，在用压力容器在6年内应停车定期检验。在用定期检验以宏观检验和壁厚测定为主，还包括磁粉、渗透、射线、超声和声发射等无损检测手段。对于多层包扎容器，尤其是没有人孔时，因为无法从内表面进行检测，且除最外层的层板外，其余各层的纵焊缝均被包扎，常规的无损检测方法无法对其进行全面检验，声发射是非常合适的一种检测手段。1.2.2声发射检测声发射检测是容器在受载过程中进行动态整体检测的一种技术。采用声发射检测时，由于层板间会产生一定的磨擦信号，故应进行至少两次升压和多次保压的加载方法。首先，根据被检对象的尺寸规格及受力分布情况，确定声发射探头布置阵列。由其结构特点可知环焊缝是受力最薄弱的部位，因而也是检测的重点，探头应沿环焊缝布置。探头之间的间距可通过衰减试验和现场背景噪声来确定，衰减试验时信号激励部位最好选在开有手孔的封头一端的内表面，这样能确定内部声发射信号的实际传播距离。其次，设定声发射检测参数和探头灵敏度，参数大小应根据材质的声发射特性和现场噪声来设定。探头灵敏度标定是检测的一个重要环节，一般采用0.5的HB铅心折断作为声发射信号，所有探头的灵敏度分贝差值应3Db。然后，进行加载试验和声发射信号采集，加载时应按两次升压多次保压方法进行，考虑到容器的K效应，第二次升压的最高压力应略低于第一次升压的最高压力。在每次的加载和保压时段，必须及时采集声发射信号，并标清楚所使用的参数文件名、数据文件名、压力大小和现场情况。最后进行检验结果分析。与单层金属压力容器相比，多层包扎压力容器在第一次升压过程中声发射信号要丰富得多，而且信号的幅度和能量都较大，这主要是由于容器多层层板在加载的过程中互相之间的摩擦所引起的；对于出现的声发射定位源，应根据其在升压和保压阶段出现的情况和幅值大小进行分级。对危险的声发射定位源，应采用其它无损检测方法进行复验。声发射检测标准采用GB/T181822000金属压力容器声发射检测及结果评价方法。1.2.3表面检测对于多层包扎容器焊缝表面和缺陷，可采用磁粉检测或渗透检测。表面检测的部位为所有焊接接头的外表面以及工卡具拆除的焊迹表面。根据检测经验，该类容器易出现表面裂纹的部位主要有球形封头与筒体组焊的焊缝表面及鞍座垫板与筒体角焊缝表面。对于铁磁性材质的多层包扎压力容器，采用磁粉检测，这是因为磁粉检测的灵敏度要高于渗透检测。对于无法实施磁粉检测的角焊缝或非铁磁性材料的焊缝采用渗透检测。由于一般的多层包扎容器都是高压容器，其螺栓表面也应进行磁粉检测，这时可采用线圈法检测。此时需要进行磁化电流的计算，也可在有效磁化区内使用标准试片进行灵敏度的验证。1.2.4超声和射线检测多层包扎容器一般都是高压容器，其螺栓必须进行超声检测，主要是检测螺纹根部是否有裂纹。一般在螺栓端部采用纵波小K值斜探头进行纵波斜射检测。如螺栓存在无螺纹的部位，还应采用K1.52.5，频率为2.5MH的横波探头进行轴向检测。超声检测螺栓时，必须加工相应的对比试块。另外，多层包扎容器的环焊缝必要时可采用超声检测，这时必须将环焊缝的余高磨平，且超声检测主要是检测焊缝中垂直于焊缝的横向缺陷及平行于焊缝表面的面状缺陷，但无法对热影响区进行检测。此外，如果容器两端均有开孔，可采用射线对环焊缝进行拍片检查。此时应注意以下几点，首先是射线源的选择，对壁厚40的容器应选用75S源，对壁厚为40100的容器应选用192Ir源；其次是在现场尽量将源放置于环焊缝的中心位置，对于卧式结构必须采用一定刚度的绳子沿容器中心线绷紧固定；最后是必须采用高类别的射线胶片、合适的曝光量和散射线屏蔽措施。2带内衬容器的无损检测技术2.1制造过程中的无损检测技术带内衬容器的制造分成两个阶段，首先是容器本体的制造，这与一般的单层薄壁容器的制造工艺一样。在制造过程中容易出现的缺陷有夹渣、气孔、未焊透、未熔合及裂纹等。其次是内衬的铺挂，先在容器内壁上挂钉，再铺设内衬。制造过程中该类容器的A类和B类焊接接头主要是依据有GB150标准进行局部射线或超声检测，检测长度不得少于各条焊接接头的20%，且250。焊缝交叉部位、封头的焊接接头、被补强圈等覆盖的焊接接头以及以开孔中心为圆心，1.5倍开孔直径为半径的圆中所包容的焊接接头应进行100%射线或超声检测，其检测长度可计入局部无损检测长度内。2.2容器使用过程中容易出现的缺陷常用的带内衬容器主要用作石油炼制行业中的催化剂再生器，一般规格为6700/890024/3035150mm。运行期间容易出现的缺陷主要是内衬的损伤，如内衬开裂、减薄及脱落等。容器本体焊缝容易出现应力腐蚀开裂和挂钉角焊缝应力腐蚀裂纹。2.2.2容器使用过程中的红外热成像技术容器运行时主要检测的是内衬的完好性，目前红外热成像技术是一种非常有效的检测手段。红外热成像是根据任何温度0 K的物体将产生红外辐射的原理进行检测的一种技术，物体发射的红外线被红外热像仪接收并转换为电信号经计算机处理，最后显示出被测物体任何一点的温度，最终的显示结果为一幅物体温度场分布的图形。由于内衬的损坏，高温直接传递到容器器壁上，器壁温度将明显上升，造成外壁表面温度场的不同分布，故可根据外表面温度场分布情况来判断内衬里工作状态。检测前应根据容器的现场地理位置，从不同方向及不同距离对容器进行全面测试，每个方向最好用测距仪和经纬仪测出被测部位的定位指示十字标中心的空间坐标。测试部位的空间坐标定位是红外定量诊断分析的一个重要基础。检测前热像仪应用黑体进行标定，现场检测时对于难检测部位、可疑部位和精度要求较高部位还应使用红外点温仪及接触式点温仪对测试结果进行互相校正，测试结果的温度值误差应10且15%；对于要求全面测试的容器，其检测覆盖率应90%。红外诊断分析首先是容器表面温度场总体分析，在所采集的热像图中选取一些具有代表性的点进行诊断，找出表面温度最高点的位置及温度值大小，同时其它超温区也应进行标识。表面大部分温度在工作温度以下则说明大部分衬里工作正常。其次是衬里损伤诊断，在温度场总体分析的结果中选取局部超温的部位，确定其中心位置高度、方位、最高温度值及损伤面积。最后根据损伤部位面积、温度分布走向和温度分布梯度等特征来判断损伤类型，损伤类型一般有脱落、裂纹、鼓包、减薄损伤和其他损伤。另外，红外检测的趋势分析也是非常有意义的。由于红外检测采用的是计算机检测分析，其所有检测数据均采用计算机处理并可建立检测数据库。因此，在多次定期检测和诊断分析的基础上，可建立反映同一区域的温度场变化趋势走向与时间顺序相关联的曲线图，预测内衬的损伤程度趋势，确定容器的安全状态。2.3定期检验时的无损检测技术根据压力容器安全技术监察规程和在用压力容器检验规程，在用压力容器36年内应停车定期检验。对于带内衬容器，定期检验时应以宏观检验和壁厚测定为主，由于内衬的覆盖，该类容器的内表面无法检测，因此必须采用超声检测焊缝内表面开裂情况。此外，对接焊缝表面采用表面检测。2.3.1在停车期间，由于内表面有内衬，对本体焊缝及内表面内衬挂角焊缝开裂情况，可在外部进行超声检测。超声检测前要将被检部位表面的防护层打磨平整，确保探头耦合良好。仪器扫描调整时，最好采用1：1深度定标，另外探头的晶片尺寸不要太大（约1313），K值为1.52.5，前沿尽量短，最好在10左右。检测过程中最好采用一次波探测缺陷，如用二次波探测缺陷，则必须另外一侧进行仔细的复核，尤其是水平和深度位置。检测后要注意缺陷分布位置的准确记录。2.3.2 定期检验时的表面检测对于容器焊缝外表面有缺陷，由于该类容器材质一般为铁磁性，故应采用磁粉检测，因为磁粉检测的灵敏度要高于渗透检测，对于小接管或支撑的角焊缝等不适用磁粉检测的部位采用渗透检测。表面检测的部位为所有焊接接头的外表面和工卡具拆除的焊迹表面。由经验可知，该容器易出现表面应力腐蚀裂纹的部位主要是容器本体对接焊缝、热影响区和挂钉焊缝热影响区，尤以内表面最为严重。因此，如条件许可，可适当拆除少许部分内衬，用磁粉检测抽查部分内衬焊缝和内衬挂角钉角焊缝。3小结多层包扎容器制造过程中以内筒钢板的超声检测、内筒对接纵焊缝的筒节组对环焊缝的射线检测为主；对于在用定期检验，以声发射和表面检测为主。带内衬的压力容器在制造过程中以对接焊缝的射线检测为主，检测部位主要是焊缝交叉部位及封头拼缝部位；在使用过程中以红外检测为主，主要检测内衬里的损伤情况；在定期检验中以超声检测和表面无法检测为主。另外，随着高温超声检测技术的发展，带衬里容器使用过程中检测问题必将逐步得以解决。压力容器无损检测换热器的无损检测技术换热器是压力容器最常见的形式之一，主要用于两种不同温度介质的热量交换，在石油、化工、制药、电力、制冷和城市供暖等行业得到广泛使用。换热器的结构形式主要分为有壳体式（管壳式换热器）和无壳体式（套管式换热器、波纹板式换热器、空冷式换热器和冷却排管）两大类。由于无壳体式换热器的结构不像一个容器，而承载的介质体积较小，运行过程中危险性相对较低，因此我国颁布的压力容器安全技术监察规程没有将其纳入监察范围。在此重点介绍换热器及其无损检测技术。管壳式换热器的主要形式为固定管板式、浮头式、U形管式和填料函式，换热器一般由前端管箱、中间壳体、内部管束和后端结构（头盖）组成。管箱和壳体一般由封头、筒体和法兰组成的焊接结构；管束一般由管板、管子、拉杆、支撑板和折流板组装而成；换热管有直管和U形管两种；管板与换热器的连接结构有焊接和胀接两种形式。根据介质的流动通道，换热器分管程和壳程两部分。以下根据换热器制造和使用的特点，综述在不同阶段采用的各种无损检测技术的特点。1换热器制造过程中的无损检测技术管壳式换热器根据GB1511999管壳式换热器制造，但壳体的制造和检验要求在许多方面还需满足GB1501998钢制压力容器的规定。换热器在制造过程中采用的无损检测方法主要为射线、超声、磁粉、渗透和涡流检测，采用的无损检测标准为JB473094压力容器无损检测。1.1原材料的无损检测1.1.1圆筒、封头、管板和平盖用钢板换热器的圆筒及封头采用碳素钢和低合金钢钢板，在特定条件下应逐张进行超声检测，检测方法和质量标准按JB4730规定进行，检测的产要目的是发现板材在冶炼过程中产生的白点、裂纹和分层等缺陷，需要逐张进行超声检测的钢板参数为厚度30的20R和16MnR钢板，质量等级应不低于级；厚度25的15MVR，15MNVR，18MMoNbR，13MNiMoNbR和CM钢板，质量等级应不低于级；厚度20mm的16MDR，15MnNiDR,09Mn2VDR和09MNDR钢板，质量等级应不低于级；调质状态供货的钢板，质量等级应不低于级。钢板超声检测选用纵波直探头，620mm厚的钢板需选用晶片面积1502的5MH双晶直探头，检测用试块为台阶标准试块；2050厚的钢板需选用直径为1425的圆晶片，或面积2002的方晶片的2.5MH单晶直探头；检测用试块为5平底孔标准试块。1.1.2管板、平盖和法兰用锻件管板、平盖和大型筒体法兰是换热器中有别于其它压力容器的常用零部件。GB151标准规定管板、平盖和法兰用锻件应符合JB4726压力容器用碳素钢和低合金钢锻件和JB4728压力容器用不锈钢锻件的规定，且超声检测级以上合格。1.1.3换热管换热管使用是换热器区别于其它压力容器最明显的特征，换热管主要为具有铁磁性的钢管和不具有铁磁性的不锈钢管、铜及铜合金管、钛及钛合金管、铝及铝合金管等。检测换热管的最有效的方法为涡流检测，其主要目的是发现钢管上可能存在的通孔和表面裂纹等缺陷。根据