承压设备内部检验检测方法的讨论.

1、承压设备内部检验检测方法的讨论中国空气动力研究与发展中心 四川绵阳 621000 ） 摘 要：针对承压类特种设备内部表面缺陷和表面状况，本文对超声波检测、声发射检测、 内窥镜宏观检查等方法的适应性、可靠性进行了分析和讨论。 关键词：承压设备；内部；检测；方法；讨论0 前言 承压类特种设备（以下简称：承压设备）内部通常直接或间接接触高温、高压、深冷、应 力循环、腐蚀等长期作用，使用条件较承受大气腐蚀为主的外部恶劣，易产生各类新生缺 陷。因此在制造、在役定检和运行中监控过程中，针对其内部的检验检测十分重要。相关 法规中的外观检查均要求检查承压设备内、外部的完好情况。但由于周期、现场条件、结 构以及

2、连续运行时不能任意停车等原因，很多情况下只能在外部开展适当的检验检测。容 检规 1 就要求：外观检查时以发现容器在运行过程中产生的缺陷为重点，对于内部无法 进入的容器应当采用内窥镜或者其他方法进行检查；对于无法进入内部检查的压力容器， 应当采用可靠检测技术（例如内窥镜、声发射、超声检测等）从外部检测内表面缺陷。通 常，重点包括：局部、针孔、腐蚀；裂纹、未焊透等内表面缺陷；变形、凹坑等表面形状 缺陷；以及涂层、复合层等表面状况等。对于这些表面缺陷和状况，适用于从外部检测、 具有一定的适用性和可靠性的方法包括：内窥镜目视检查，超声（ UT）、声发射（ AET）、 射线（ RT）以及电磁、导波等检测

3、方法。本文主要针对上述方法进行分析、比较和讨论。1 内窥镜检查目视检测（ VT）是以肉眼或通过适当器械观察被检件表面来发现缺陷的检测方法。内窥镜 检查属于 VT，其是利用光学成像装置来检查肉眼无法直接观察到的试件表面， 其按结构分 为刚性和柔性、按成像方式分为光学和视频。其中，刚性内窥镜适用于观察者和观察区之 间是直通道的场合，插入部分可全防水；而视频内窥镜有分辨力高、景深范围大、成像质 量高、色彩真实、无蜂房影像和黑白点混成灰色效应等特点。其特点是简单、快速，可进行缺陷的定性和定量检查。但受检查人员素质、被检对象及表 面状况、视距视向、光学仪器和照明等方面的影响。通常，检查人员应拥有适当的技

4、能、 经验和知识，视力合格；被检对象的距离、缺陷尺寸、进口尺寸、被检对象形状尺寸、被 检对象的景深、视距视向等因素均是应充分考虑；被检对象表面涂层或锈蚀、氧化皮、不 规则、粗糙度、污染物应不影响缺陷指示；仪器类型应满足检测灵敏度要求；照明光源一 般采用冷光源的卤素灯、高亮度的氙光源或黑光灯，对可见光照度应至少在 500 lx 以上2 。其适用范围为：内部表面无涂层、内件、堆积物、附着物等影响对表面的观察时，结构观 察孔等能够允许探头进入的部位；探头长度、弯度、屈伸可及的观察区域和部位；内窥镜 镜头、记录显示器和肉眼的组合分辨力所能够分辨的缺陷。 典型应用包括： 结构中的异物、 内部部件检查；检

5、查管道等结构的内部状况检查；检查结构内表面的腐蚀和结垢、凹坑和 裂纹等缺陷及表面状况检查；难于或无法接近的部位检查。其局限性为：仅限于表面检查；被检表面要求较高；范围不宽，某些部位仍难于检查；漏 检率较高、准确性低；缺陷识别较困难。2 声发射检测 AET是指在加载和保载过程中，利用已有缺陷或应力集中部位产生塑性变形或裂纹开裂扩 展时应变能瞬态释放而发生弹性波的现象，来检测、推断与评价在应力作用下声发射源的 材料变形与裂纹扩展等的性质和状态的一种无损评价方法。其特点是：能够探测到来自被 检物本身的能量，属动态检测；对线性缺陷较为敏感；能够对结构整体的缺陷活动状况进 行探测和评价；承载时能预防灾难

6、性失效并限定最高载荷；在役检验时能缩短检验周期。 现已广泛应用于各种承压设备和海洋石油平台的检测和结构完整性评价；常压贮罐底部、 各种阀门、埋地管道、高压蒸汽汽包、管道的泄漏监测；设备运行状况监测；变压器局部 放电检测；材料性能测试等；大型结构的裂纹开裂扩展连续监视等；加工过程的监测等领 域3 。承压设备 AET适用于：对安全危害性大的缺陷活动性监测、结构完整性评价、缺陷在线监 控及预报、整体或大范围快速检测、 难于或不能接近的环境下的检测以及形状复杂的构件。 主要适用范围有：结构完整性评价：在加载时可对整个设备结构进行 AET监测并确定缺陷所在位置，在最大 载荷下如果没有观测到声发射信号，就

7、可以确定没有正在发展的裂纹等，如在最大载荷之 前就出现大量来自裂纹形成或扩展的声发射信号，则反映结构内部存在危险缺陷，应确定 其位置并采用其它 NDT方法复查、评定和检修。通常复查结果与声发射源有良好对应关系。 如对 P350V50车载无缝气瓶进行了 AET4 ：黄油耦合磁性紧固、线定位、气压试验压力 36.5MPa、门槛电平 40dB。经检测均未发现危险声发射活动源，经测厚、外观、 20%UT抽 查与上述结果相符，可以继续安全使用。可知当没有发现危险声发射活动源时，AET相对于常规 NDT方法能显著缩短周期、节约经费。 超标缺陷活度监测与评价：对局部结构或已知缺陷活度进行监测时，对于平面定位

8、仅需 4 个、对于线定位仅需 2 个探头布点，仪器要求不高，且因局部结构或已知缺陷状况明确， 可事先排除大部分噪声源，并提取适当的声发射信号特征，故检测结果具有较高的可靠性 和准确性。如采用科海恒生公司的 CFAE2001声发射检测仪、 150KHz窄带探头，对材质为 16Mn的中压气罐 AET5 ：真空脂耦合磁性紧固、 4探头面定位、水压 3.15MPa、门槛40dB。 经特征参数检测， 80105#的 D2焊缝缺陷为强活度、弱强度的 D级源，需修复或进行安全 评定后方可使用； 80106#的 C5焊缝缺陷为弱活度、弱强度的 B 级源，需监护使用。上述 缺陷经安全评定，剩余寿命均达 20 年

9、以上。可知，针对常规无损检测已检出的缺陷， AET 通常具有较高的可靠性和准确性。缺陷监护控制：对于重要、大型、关键承压设备， AET还能够在运行中连续或断续对较为 严重的超标危害性缺陷进行监护控制和结构关键部位失效的早期预报。AET还可对腐蚀等缺陷进行监测。AET能够采用线定位、面定位、区域定位、符合鉴别、位置标定等方法确定声发射源的部 位。对声发射源，通常需用其它无损检测方法进行局部复检，以准确确定缺陷的性质与大 小，因此 AET是传统 NDT方法的一种新的补充手段。现有 AET标准相互配套，基本上满足 了工程实际需要， 主要有： GB/T18182-2000金属压力容器声发射检测及结果评

10、价方法 、 GJB2044-1994钛合金压力容器检测方法、 JB/T6916-1993 在役高压气瓶声发射检测 和评定方法等。AET的局限性包括：干扰因素众多，声发射特性对材料甚为敏感，又易受到机电噪声的干 扰，其它影响（如内件、附着层等）也十分明显，因而对检测数据的正确解释要有相当丰 富的现场检测经验；因 Kaiser 效应，需对结构适当加载，一般结合耐压试验进行；所发 现声发射源，仍需依赖于 UT、RT、 MT等其它无损检测方法进行定量定性。3 超声检测广义地讲， UT一般是指超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试 件进行宏观缺陷检测、几何特征测量、组织结构和力学性能

11、变化的检测和表征，并进而对 其特定应用性能进行评价的技术 6 。一般认为， UT主要包括针对宏观缺陷检测的超声波 探伤，以及针对几何特征测量的超声波测量技术两类。3.1 超声波探伤 其特点是：可用于金属、非金属、复合材料制件的无损评价，应用范围广；对确定内部缺 陷的大小、方位、取向、埋藏深度、性质等参数较其它 NDT方法具有明显的综合优势；仅 需从一侧接近试件，适用于外表面检测结构内表面缺陷状况和几何特征检测；对人体及环 境无害，采用便携式设备时，可方便开展野外、高空、狭小空间等的现场检测；采用数字 式设备时，所用参数设置及有关波形均可存储记录。 由于应用条件等的因素，最常用的从外部检测内表面

12、缺陷的可靠NDT是 UT方法。主要有：单探头、双斜探头和多探头的横波、纵波、变型横波斜射法；单直、联合双直和双直探头 的一次、二次和多次回波法等。 对于承压设备，其适用于：对接、角接焊接接头检测；堆焊层检测；管道环向对接焊接街 头检测；螺柱检测；在役新生缺陷检测与监护；缺陷尺寸定量检测；缺陷类型识别和性质 估判等领域。典型应用： 内部埋藏缺陷检测： 通常采用单探头或双探头在外焊缝两侧进行一次波或二次波探测纵向 缺陷；采用一种（或二种） K 值探头在外焊缝两侧作 10°斜平行扫查探测横向缺陷；要求 较高时，应磨平焊缝加强高，直接在焊缝上扫查；通常，中厚板焊缝采用深度定位，薄板 焊缝采用

13、水平区域定位。 内表面缺陷检测：对于裂纹、根部未焊透和未熔合、内凹、形状缺陷、针孔腐蚀、发纹、 加工损伤以及堆焊层内缺陷、未接合和堆焊层下母材再热裂纹等内表面缺陷，可采用横波 斜探头、纵波单直探头进行周向和轴向扫查。一般均需要采用与攻坚材质相同或声学特征 相近的材料制作对比试块。无缝钢管、水晶斧等的检测可按照JB/T4730.3 、GB/T5777等标准，针孔腐蚀等也可参照检测。缺陷性质的定性检测： 检测人员应有较为熟练的经验， 宜使用数字仪、 采用两种以上探头。 应在区分不同反射特征的回波动态波形的基础上，根据前后、左右、转动和环绕多种扫查 方式，对各种超声信息进行综合评定来识别区分点状、线

14、状、体积状、平面状、多重缺陷 的性质，并依据工件结构与坡口形式、 母材与焊材、 焊接方法和焊接工艺、 缺陷几何位置、 缺陷最大反射回波高度、缺陷定向反射特性、缺陷回波静态波形、缺陷回波动态波形等进 行缺陷性质估判。定性检测方法可参照 JB/T4730.3 附录 L。UT还能够应用于氢损伤检测 6,P1024 ：对在高温下暴露在高压氢气环境下的钢，氢损伤 发生在设备内壁表面。由于氢损伤造成纵波、横波速度下降，对10MHz的超声纵波，速度下降 10%，衰减约增加 42dB/ mm，反向散射幅度增加 21dB。可采用衰减法探测氢损伤，而 速度变化测量能够反映氢损伤程度信息。 对于厚壁部位宜采用直射法

15、测量速度比和反向散 射，对于管道，宜检测其纵波或横波的速度减小。UT的局限性包括：对材料及制件缺陷作精确的定性、定量表征仍需作深入研究；通常需要 通过耦合来实现换能器与试件的声学接触；对形状复杂试件的应用有限制。3.2 超声测量技术 针对几何特征测量的超声测量技术适用于： 剩余壁厚检测：一般采用数字式测厚仪，其精度一般为，k 为通常取 0.5 或 1.0 的系数；T为壁厚； 为数字仪读数误差，一般为 0.1mm。对于采用超声探伤仪测厚，需要校准始 波偏移和比例，其精度较低。测厚时，均应对大于和小于 T 的两点进行校验。 缺陷尺寸的定量检测：针对缺陷沿壁厚方向上的自身高度或其它尺寸进行，常采用端

16、点反 射法、端点衍射法、半波高度法、 20dB 降低法、当量面积法等。其中，端点反射法和端点 衍射法检测数据较为准确，精度约达到± 1mm量级；半波高度法等适应面广，但有系统误 差，应修正。定量检测人员应有较为熟练的经验；检测面应平整以便耦合良好；宜用数字 仪、深度定位、直射波、球面点聚焦、小前沿斜探头；应采用与工件相同或相近材料制作 的对比试块进行精度校验。要求可参照 JB/T4730.3 附录 Ik 。 超声测量技术还能够进行内表面复合层测厚、内部介质流速测定、液位测定等。4 其它方法的应用4.1 RTRT是利用 X 射线、射线等在穿透物体过程中受到吸收和散射而衰减的性质， 在感

17、光材料上 获得与材料内部结构和缺陷相对应的黑度不通的图像，从而检测出物体内部缺陷的种类、 大小、分布状况并做出评价的检测方法。其特点是检测结果显示直观、可以长期保存；检 测技术和检验工作质量可以监测。其应用范围包括质量检验、测量厚度、物品检查、动态 研究等领域，适用于所有金属或非金属材料。其局限性包括：检测成本较高；对体积性缺 陷敏感，对线性缺陷有方向性限制；需考虑安全防护问题；受所使用的射线源和最大可行 的曝光时间的限制，检测厚度受到一定限制。典型应用： RT作为针对工件内部埋藏缺陷的检测方法， 对于壁厚满足射线检测仪器穿透能 力、直径等要求的承压设备，如管道、中小直径容器等，当采用双壁透照

18、法时，能够有效 检测其内部结构、内表面的体积性和部分面状缺陷，如内部凹坑、根部咬边、局部针孔腐 蚀、未焊透等。为了确定缺陷深度尺寸，可采用槽型对比试块通过黑度比较检测出深度尺 寸。4.2 压力试验 压力试验是用水或其它适宜的液体(或气体)作为加压介质，在设备内施加一个高于其最 高工作压力的试验压力，检查其有无泄漏、明显的塑性变形或其它缺陷。其目的是：检验 受压部件的强度、改善存在的缺陷处的受力状况、消除应力集中、发现某些潜在的缺陷以 保证设备的安全使用。 但一次薄膜应力应不得超过试验温度下材料屈服极限的 90%(液压， 气压时为 80)，必要时应进行温度修正、 加压介质温度、 Cl 量的控制。

19、 对于结构复杂、 不允许进入、 常规检验检测无法开展时， 如气瓶、压力管道、小型压力容器、锅炉等领域， 压力试验得到广泛应用。实际上，在所有承压设备的检验中，压力试验也是传统的、十分 重要的内部检验手段。4.3 漏磁和低频磁轭磁粉检测 漏磁场检测可应用于地埋油气管线、钢丝绳、螺纹检测等的检测，采用漏磁技术的" 管道猪" 能够可靠的检测出为壁厚 510的缺陷，检测的壁厚范围可达 30mm。低频磁轭磁粉检 测采用可控硅控制等获得低于工频的低频交变磁场，既有针对一定的穿透能力，又有利于 磁粉的有效迁移，能够有效检测出埋藏深度达 68mm的未焊透缺陷 6,P494 。4.4 带保温

20、层承压设备的检测 能源与化工部门的承压设备涂装有防腐层与保温层，带防腐层与保温层的检测技术包括： 采用非接触式的可检出 100mm厚保温层下腐蚀状况的脉冲或低频涡流检测技术；可检测带 保温层小管的铁磁性材料磁伸缩声发射检测技术； 用于检测直径 300mm以下管道的腐蚀与 裂纹的低频( 50500kHz)超声导波检测技术；钢管与焊缝腐蚀或裂纹的漏磁检测技术等 7 。5 综述 针对承压设备内部缺陷、表面状况和结构：1) 内窥镜检查简单、快速，但受表面状况、观查范围等的限制；2) AET能对结构整体、缺陷进行评价、监测，但不适用于内部表面状况、结构的检测，需 加载，干扰众多，技术经验要求较高，发现源时还需常规无损检测复验；3) UT 具有最广泛的适应性，但定量定性有难度，结构复杂时应用受限；4) RT具有一定的适应性，但不适用于内部表面状况、线性缺陷检测，且受结构、厚度、 成本等的影响；5）耐压试验适应范围广，是十分重要的内部检验手段；6）在某些情况下，也可采用漏磁、低频磁轭、导波等检测技术进行内部检测。参考文献1 国家质量监督检验检疫总局 .TSGR7001-2004压力容器定期检验规则， 20042 李家伟等编 . 无损检测手册，北京：机械工业出版社， 2002.1 ，P5853 沈功田等