特种设备无损检测技术综述

1、特种设备无损检测技术综述特种设备检测审题论坛特种设备无损检测技术综述沈功田(中国特种设备检测研究中心,北京100013)张万岭(河北大学质量技术监督学院,保定071051)摘要:特种设备是在工业生产和人民生活中广泛使用的具有潜在危险的重要设备和设施,无损检测技术在确保特种设备制造安装质量和安全运行中至关重要.综述了特种设备在原材料,制造和使用过程中采用的各种无损检测技术,包括射线检测,超声检测,磁粉检测,渗透检测,涡流检测,声发射检测,红外检测,磁记忆检测和漏磁检测等,论述了采用不同检测技术的目的和意义.关键词:特种设备;超声检测;射线检测;电磁检测;声发射检测;红外线检测;表面检测;在役检测

2、;综述中圈分类号:TG115.28文献标识码:A文章编号:10006656(2006)Ol一0034-06SurveyofNondestructiveTestingTechniquesforSpecialEquipmentSHENGong-tian(ChinaSpecialEquipmentInspectionandResearchCenter-Beijing100013,China)ZHANGWan-ling(TheCollegeofQualityandTechnicalSupervisionofHebeiUniversity,Baoding071051-China)Abstract:Spe

3、cialequipmentsareveryimportantequipmentswithpotentialdanger-whicharewidelyusedinindustrialproductionandpeople'Sdailylife.Nondestructivetesting(NDTJplaysoneofthemostimportantrolesininsuringmanufacturequalityandoperationsafetyofspecialequipments.TheNDTtechniquesusedforrawmaterial,manufactureandin-

4、servicetestingofspecialequipmentsarereviewed,suchasradiographictesting,ultrasonictesting-magneticparticletesting,dyepenetranttesting,eddycurrenttesting,acousticemissiontesting,metalindicated.Keywords:Specialequipment;Ultrasonictesting;Radiographictesting;Electromagnetictesting;Acousticemissiontestin

5、g;Infraredtesting;Surfacetesting;In-servicetesting;Survey2003年3月国务院第373号令颁布的我国特种设备安全监察条例规定,特种设备是指涉及生命安全,危险性较大的锅炉,压力容器(含气瓶),压力管道,电梯,起重机械,客运索道和大型游乐设施等设备.据2003年的不完全统计,我国现有在用锅炉56.24万台,固定式压力容器133.75万台,罐车1.57万辆,气瓶9819.42万只,压力管道(包括长输管道,集输管道,城市内燃气管道和供热管道等)总万台,大型游乐设施1.95万台套,客运索道305条,遍布电力,热能,石油,化工,化肥,冶金,农药,食品

6、收穑日期:2005一l12834撇年第28卷第1期和医药等行业,与经济建设和人民日常生活关系密切.锅炉,压力容器和压力管道类承压特种设备在运行过程中承受着高低温,易燃,易爆,剧毒或腐蚀介质的高压力,一旦发生爆炸或泄漏往往并发火灾,中毒和环境污染等灾难性事故电梯,起重机械,客运索道和大型游乐设施等机电类特种设备在运行过程一旦发生事故,易造成群死群伤,社会影响恶劣.因此,确保特种设备安全是保护和发展社会生产力,促进社会和经济健康发展的基本条件.工业发达国家都颁布有关法规规范对特种设备的设计,制造,安装和使用等过程进行严格控制,以确保其安全运行.我国原劳动部,原国家质量技术沈功田等:特种设备无损检测

7、技术综述监督局和国家质量监督检验检疫总局先后颁布了一系列安全技术监察规程,规定,规则和技术要求对我国特种设备的设计,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质量控制,环节的控制中,无损检测对其制造质量控制和安全使用非常重要,尤其在承压类特种设备中广泛使用,对机电类特种设备一般进行磁粉和渗透检测,对一些大轴等重要部件进行超声检测法,对一些重要焊特种设备采用的主要无损检测标准为JB47302005(承压设备无损检测,目前我国还无专门的机电类特种设备无损检测标准,因此,其无损检测参考测技术进行综述.1特种设备原材料的无损检测为了确保特种设备的质量,其原材料(包括金属板材,管材,

8、锻件,棒材,铸件和钢丝绳等)需要采用各种无损检测技术进行严格控制.特种设备用金属板材一般包括钢板,不锈钢钢板,双相钢钢板,铝及铝合金板材和钛及钛合金板材等,主要用于承压类特种设备简体和封头的制造,其容器制造规范或标准均规定,在特种设备处于巨毒,腐蚀和高压等苛刻工作条件时,压力容器用金属板材必须逐张进行超声检测,即采用单晶或双晶直探头检测金属板材在冶炼和轧制过程中产生的白点,裂纹和分层等缺陷.特种设备用管材包括无缝钢管,焊接钢管,铜及铜合金管,铝及铝合金管和钛及钛合金管等,主要用采用超声波液浸法(使用线聚焦或点聚焦探头)或接触法(使用与钢管表面吻合良好的斜探头或聚焦斜外穿过式或放置式线圈检测;非

9、铁磁性材料由于管材口径较小,一般采用外穿过式线圈检测.特种设备中锅炉和压力容器用钢锻件主要包括接管,法兰,凸元,管板和圆筒等;大型游乐设施使用危害性缺陷(如气孔,疏松,偏析和夹杂等),如用纵波直探头检测加工过程中的实心锻件,横波斜探头检测内外径之比<80%的环形或筒形锻件.>50mm的钢螺栓件需要采用超声纵波检测(采用单晶或双晶直探头)螺栓杆内存在的气孔,疏松,偏析和夹杂等冶金缺陷.常用的特种设备铸铁件为造纸用烘缸,铸铁锅炉炉片,压力管道元件和阀门等,通常采用射线法检测铸件内的气孔类缺陷.2特种设备制造过程中的无损检测特种设备制造过程中应用无损检测控制加工成型和焊接

10、质量,特种设备的焊接接头包括对接焊缝测,根据所用钢板厚度,材料强度,工作介质,工作压力或载荷,焊缝系数和制造工艺等的不同,检测的比的焊缝采用射线或超声检测,对机电类特种设备的局部抽查比例的要求不同,以锅炉和压力容器为例,我国规定每条焊缝的局部抽查比例均2O;美国ASME规定抽查比例一般为109/5;德国AD规范规按标准规定采用磁粉或渗透检测.射线法适用于特种设备对接焊缝内部缺陷的检测,使用的射线源有X射线探伤机,7射线探伤机和射线加速器.x射线探伤机的能量为5O450kV,适用于厚度<50mm钢板的单面透照和<2Omm厚钢管的双面透照;常用的7射线源包括Se(检测厚

11、度440ram),.Ir(检测厚度20100ram)和.Co(检测厚度404200mm).由于7源的几何尺寸小且能量高,既适用于开孔小,X射线机和人无法进入的容器和管道,也适用于X射线无法穿透的厚壁材料.对于锅炉压力容器简体和管道的对接焊缝,采用7源一次曝光可完成一条环焊缝的检测;对于现场组装的球形压力容器,一次曝光几乎可完成所有壳体铷lo6年奠28卷第1期35沈功田等;特种设备无损检测技术综述特点是无需电源,因此特别适合现场和野外压力容器和管道安装的检测.厚度2>200mm压力容器对接焊缝射线探伤须采用加速器.常用射线加速器能量为29MeV,和回旋加速器两类.直线加速器为固定式

12、,只可安装在车间使用;回旋加速器为移动式,能量在27.5MeV,原则上可在现场检测厚壁压力容器对接焊缝,但因安全防护问题,国内目前仍未现场应用.射线检测成像系统分胶片成像和实时成像两类.实时成像检测速度快,成本低,因此在国内外气瓶,锅炉管和批量生产的标准压力容器焊接检测中州三磊公司,其系统成像分辨率最高可达125m,一次成像范围较小,价格较低;国外制造商主要有美国Evnision,日本东芝,荷兰飞利浦和法国汤姆逊等公司,其系统成像分辨率最高可达39m,一次成像范围大,但价格较高.磁粉或渗透检测通常用于特种设备制造时钢板的坡口,角焊缝,对接焊缝和大型锻件等机加工后的坡口和焊缝表面的检测.磁粉探伤

13、设备包括用于工件磁化的磁粉探伤机和用于显示表面或近表面缺陷的干磁粉或磁粉悬浮磁粉探伤机需根据工件的形状和大小设计制造,目口便携式磁粉探伤机为直接使用交流电的单磁轭式,无变压器,使用十分方便;国产便携式磁粉探伤机有单磁轭式和双磁轭旋转磁场式两种,均需采用变压器将220V交流电转换为24V的低压交流电,不适用于高空作业且后者在探伤时很难实现四个磁轭同时与壳体接触,影响探伤灵敏度,因此已被逐步淘汰.目前特种设备检测主要采用湿磁粉检测法,所用磁悬液分为黑磁粉和荧光磁粉两种(视照明条件选用).渗透检测使用的渗透剂包括清洗剂,着色剂和显像剂,着色剂分为普通红色和荧光两种(根据照明条件选用).目前国内外均有

14、多家渗透剂生产厂商,产品质量差别不大.362o年奠28卷第1期超声检测用于发现母材厚度为8300mm的常采用A型扫描超声波脉冲反射式检测,在此基础上采用P扫描对发现的缺陷进行成像以测量其形状和尺寸;近几年国外开发出相控阵超声波检测技术用于长输管道安装环焊缝的快速检测;为了精确测量缺陷的自身高度,对于薄壁材料可采用单个聚焦探头的超声波端点衍射法,对于厚壁材料国外开发出双探头超声波端点衍射时差法(TOFD);另外,对于直径32159mm,壁厚48mm的小直径薄壁管道,我国已开发出特殊的超声波检测方法.A型脉冲反射式超声波探伤仪工作频率为15MHz.采用25MH斜探头和一次反射法在焊要求较高的焊缝,

15、根据实际需要可将焊缝余高磨平,型脉冲反射式超声波探伤仪国内外均有多个生产厂家,国内现阶段使用较多的为模拟式探伤仪,但目前3倍.超声相控阵检测是由加拿大RDTeek公司提出的超声检测新技术,其原理是在一个超声波探头内按一定阵列设置多个发射和接收晶片,这些晶片在主机控制下发射不同相位的超声波,通过不同晶片发射波的叠加,在保持探头不动时,实现波束对焊输管道环焊缝和常规超声波无法满足的部件的检点,加拿大RDTeck,英国Hanfang和法国Sonatest发阶段,主要是还未掌握多阵列大功率相控阵探头的制造技术.超声波端点衍射技术可精确测量缺陷自身高中国特种设备检测研究中心在国家"八五&quo

16、t;科技攻关计划中开展了超声波端点衍射的研究,并开发出专用聚焦探头,测量缺陷自身高度的精度达0.5mm.目前此技术已在全国推广,制定的检测方法已纳入2005版JB4730标准.沈功田等:特种设备无损检测技术综述超声衍射时差法(TOFD)是将一个发射和一个焊缝时,如果焊缝内有埋藏缺陷,则缺陷的上下端会产生衍射波,根据衍射波到达接收探头的时差即可以计算出焊缝内缺陷的埋藏深度和自身高度,通过前,加拿大RDTeck公司拥有该技术,美国ASME也制订了相应的检测规范,我国第一重型机械公司为了某项目的焊缝检测已引进了TOFD检测设备,但我国还未开展TOFD检测设备的研制.承压类特种设备在制造完成后,最终都

17、要进行求的承压设备,在水压试验同时还进行声发射监测,以检测其在水压过程中可能出现的缺陷开裂,裂纹萌生与扩展,并对结构的完整性进行评价.承压设备一般采用多通道声发射仪检测,探头100m.石油液化气卧罐需用17个通道,400rn球罐需用18个通道,1000m.球罐需用26个通道.第一次水压试验时,承压设备残余应力得到逐步释放,声发射信号很丰富,其定位源较均匀分散在壳体的各个部位,但在人孔,支座或支柱角焊缝,错边,热处理不均匀和有缺陷开裂的部位等,由于应力较集中,易出现声发射定位源集团;为了区分残余应力释放和缺陷开裂引起的声发射信号源,根据金属材料的Kaiser效应,采用从试验压力降到设计压力后再次

18、上升至试验压力的方法,残余应力释放部位在第二次升压时几乎无声发射信号产生,但缺陷开声发射源内缺陷的性质,需要采用常规无损检测方法进行复验声发射仪制造商国外有美国PAC和德国Vallen公司,国内有广州声华和科海恒生公司,均采用数字化硬件技术采集和存储声发射信号的波形和特征参数,进行信号处理和模式识别分析.3在役特种设备的无损检测特种设备在役检验分为运行中的外部检验和停机后的全面检验.设备不同,检验周期也不相同.在用锅炉一般每年一次外部检验,两年一次内外部检验,六年一次水压试验在用压力容器一般每年一次外部检验,六年一次内外部检验,12年一次水压试验;在用工业压力管道一般每年一次在线检验,六年一次

19、全面检验和一次压力试验;在用机电类特种设备,运营方需按要求进行日检,周检和月检,每年介质,载荷和温度等因素影响而产生的腐蚀,冲蚀,应力腐蚀开裂,磨损,疲劳开裂和材料劣化等缺陷,特种设备的检测(除移动式设备外)一般在现场进行,需用适用于现场的无损检测技术和便携式仪器.表面检测普遍应用于特种设备停产时的内外部检验,检测部位为对接焊缝,角焊缝,焊疤和高强螺栓等.铁磁性材料多采用磁粉检测,内部照明不好时采用荧光磁粉;外部采用湿式黑磁粉;角焊缝无法采用渗透检测,内部采用荧光渗透剂,外部采用着色渗透剂.超声法主要用于检测对接焊缝内部埋藏缺陷和人接触不到的焊缝内表面裂纹;外部有保温覆盖层时,从设备内部检测焊

20、缝外表面裂纹以及锻件和高压螺栓裂纹.由于超声波探伤仪体积小,重量轻,便于携带且对人体无害,因此在在用特种设备检验中广泛使用.超声端点衍射波法,端部最大回波法和6dB法等可用于测量缺陷的自身高度,有利于进行缺陷的安全评定.现场射线检测主要针对板厚<12mm的特种设备对接焊缝内部缺陷,这是因为超声法较难检测入的承压设备,不能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7射线检测.另外,射线检测也常用于对超声检测发现缺陷的复验,以进一步确定缺陷性质,为返修提供依据.涡流检测主要用于在用压力容器换热器换热管过式探头,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

21、技术,以发现穿孔,蚀坑和壁厚均匀减薄等腐蚀缺陷涡流检测仪的国外制造商主要有美国Zetec,加2006年第28卷第1期37沈功田等:特种设备无损检测技术综述主要用于检测核电站蒸发器,Russel公司的远场涡在阵列探头技术,远场涡流技术方面较国外存在一定差距,但国外仪器价格是国内的23倍.磁粉或渗透检测需要事先清理被检焊缝表面的防腐层或污垢,且由100oA焊缝内外表面检测发现,>8o的压力容器无任何表面裂纹,即使存在少量表面裂纹,也只占焊缝总长的l以下,大量的打磨将增加容器停产检验的时间和费用,还会减小焊缝部位的壁厚,因此,磁粉和渗透方法不适用于压力容器的在线检测.涡流技术可以在不去

22、除表面涂层的情况下探测表面光滑母材上的裂纹,对焊缝上的裂纹检测会因焊缝在高温熔合时产生的铁磁性变化和表面高低不出基于复平面分析的金属材料焊缝电磁涡流检测技术,采用特殊的点式探头(电流扰动磁敏探头)检测带有一定厚度的防腐层,因此可在容器运行和停产时进行快速检测,而且提离效应对检测结果的影响很小.对可疑部位进行磁粉或渗透复验,以确定表在涂层厚度<0.2mm时,灵敏度优于检测出0.5mm深,5mm长的表面裂纹;在有2mm表面涂层时,灵敏度优于检测出1mm深,5mm长的表面裂纹该仪器还可对<5mm深的裂纹进行深度测定.3.6脉冲涡流检测技术8脉冲涡流检测原理是利用激励线圈产

23、生快速变化的脉冲磁场,在被检试件内诱发产生涡流,通过探信号强度由提离距离(绝缘层厚度)而定,持续时间随金属壁厚的不同变化,检测信号受金属材料性质行自校准,通过对比给出其它部位厚度的当量(百分比)数据,精度误差为59,6左右.荷兰RTD公司于1997年成功开发了适用于带保温层铁磁性材料(低合金钢)腐蚀状态的脉冲涡流检测设备(RTD-INC0TEST).该设备可以不接触物体表面,检测带有绝缘层,石棉层,防火层,沥青382oo6年麓2B卷第1撕涂层,混凝土或其它涂层的低合金钢管道或钢板的大面积腐蚀缺陷(不能检测单个小的腐蚀坑),从而避免拆卸覆盖层所要花费的高额费用,并且适用于气候和温度变化较大的情况

24、.该技术已在德国,美国,加拿大和中国等国家得到应用.脉冲涡流检测技术的优点为,不用打磨被检容器表面;不必去除绝缘层或涂层;可检测用铝或钢作保温层外壳(厚度<1ram)的高低温压力容器和管道;被检测物表面允许粗糙或结壳;允许保温层不规则或不均匀;允许保温层内有加强作用的金属网.其不足为,只适合于低合金钢;不能检测小的独立凹坑;精度比超声波检测低;部件温度会影响检测精度;只能检测壁厚为6-65mm的压力容器;不能检测管径<50mm的管道;会受150mm检测范围内障碍物的影响;不能区分内外表面缺陷等.声发射用于检测特种设备可能存在的活动性缺陷,也可用于已知缺陷的活性评价【

25、9.不同于其它无损检测方法,声发射检测必须在检测过程中对特种设备进行加载,常用的加载方法为承压设备停止运行后的水压或气压试验,也可采用工况进行直接加载.对活动性缺陷,在加载过程中用多个声发射传感器对被检件进行整体监测,以发现活性声发射源,然后通过对活性声发射源进行表面和内部缺陷在加载过程中监测已知缺陷,如果无声发射定位源产生,则认为缺陷是非活性的;若有大量声发射定位源信号产生,则认为已知缺陷是活性的.金属磁记忆检测是俄罗斯杜波夫教授于2O世纪9O年代初提出,并于9O年代后期发展起来的一种材料应力集中和疲劳损伤无损检测与诊断的新方法1n.其原理是利用铁磁工件在受载过程中,在应力和变形区域内产生的磁状态不可逆变化,该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.磁记忆检测用于发现特种设备存在的应力集中部位,这些部位容易产生应力腐蚀开裂和疲劳损伤,时,通常采用磁记忆检测仪