談壓力容器測厚值異常的原因

邢國強 張廣興

作者通聯：河北省電力研究院 河北石家莊市 050021

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容器壁厚在使用一定年限以后必然會減薄，當壁厚減薄到一定程度時，就會給安全生產造成威脅。如果是盛裝易燃、易爆或者是有毒介質的壓力容器，其危害性就更大。因此，厚度測量是在用壓力容器檢驗中最常見的檢測項目。

超聲波測厚儀是最常用的厚度測量儀器，其示值是判斷壓力容器壁厚腐蝕狀態的主要依據。在實際檢驗中，厚度測量值波動較大，經常出現異常值，造成錯誤的結論和處理。所以，測厚異常值的判斷及處理，對在用壓力容器使用狀況的正確診斷意義重大。

一、超聲測厚值異常顯示現象

（1）一次對某電廠低壓加熱器安裝前的測厚檢驗中，發現一個筒體短節有大面積厚度減薄現象。該容器壁厚設計值為30mm，但絕大多數測點示值為14～15mm。由于該容器還未投入運行，排除了腐蝕和沖刷等因素，用雙晶片探頭進行了超聲波探傷復核，未發現有較大面積夾層的存在。

（2）某電廠A級檢修對低壓加熱器進行壁厚檢驗時，發現容器氣室封頭有一面積為500mm×300mm的厚度減薄區。該容器的設計厚度為12mm，實測最小壁厚3.45mm，小于最小理論計算壁厚，不能滿足該容器的安全運行要求。用雙晶片探頭進行超聲波探傷復核，確定該處壁厚確實減薄。割開封頭（圖1）進一步觀察，發現減薄處內壁平滑均勻，經查閱圖紙知，該封頭壁厚減薄區正對疏水口，減薄為長時間疏水沖刷所致。

圖1 汽室封頭沿壁厚剖開照片

（3）在對某電廠除氧頭進行測厚檢驗時，發現容器壁厚普遍小于設計壁厚值。容器的設計厚度為30mm，而測點示值均為20mm左右。查看資料后發現，該容器為復合材料制作，由于聲波在不同材料中的傳播速度不一樣，從而對測厚示值產生了影響。

二、測厚示值異常原因分析

超聲測厚的工作原理是根據超聲波脈沖反射原理來進行厚度測量的，當探頭發射的超聲波脈沖通過被測物體到達材料分界面時，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。

容器中的宏觀、微觀缺陷一旦達到一定面積（尺寸），足以使反射信號被儀器接受并顯示時，就會反映出缺陷所在部位的厚度（深度）。由于超聲波在傳播過程中路徑發生變化，如折射或產生波形變換，有時就會產生“增值”或其他變化，從而引起失真。因此，在排除因儀器本身、探頭和工件表面接觸以及使用操作等因素的影響外，示值異常的直接原因就是被測工件本身了。

（1）材料傳播聲速的不同會產生不同的結果。聲波在不同的材料中傳播速度是不一樣的，根據超聲波測厚原理可知，其顯示的結果必然不一樣。因此，在測量前一定要查清被測物是哪種材料，從而選擇合適的聲速進行測量。

（2）晶粒各向異性對聲波傳播的影響。正常結晶狀態下，金屬材料具有統計性的各向同性。由于結晶時的條件不同，也有可能使結晶方向有序和定向，或在壓延拉伸時使晶粒變形，從而使聲波的傳播速度、路徑及方向發生變化，產生散射、折射、繞射及波形轉換等，這些變化被儀器接收并放大，即產生示值的變化和異常顯示。

（3）材料中的夾雜物對超聲波傳播的影響。被測材料中的夾雜物、非金屬也會使聲波傳播路徑、方向和速度發生變化。如硫化物、氮化物或其他類型夾渣等，這些夾雜物在鋼材軋制時被碾平，極易使聲波產生反射和折射，從而使測厚示值發生變化。

（4）鑄件、奧氏體鋼因組織不均勻或晶粒粗大，超聲波在其中穿過時產生嚴重的散射衰減，被散射的超聲波沿著復雜的路徑傳播，有可能使回波淹沒，造成不顯示或異常顯示。因此，可選用頻率較低的粗晶專用探頭（2.5MHz）。

（5）金屬表面氧化物或油漆覆蓋層的影響。金屬表面產生的致密氧化物或油漆防腐層，雖與基體材料結合緊密，無明顯界面，但聲速在兩種物質中的傳播速度是不同的，從而造成誤差，且隨覆蓋物厚度不同，誤差大小也不同。

（6）溫度的影響。一般固體材料中的聲速隨其溫度升高而降低，有試驗數據表明，熱態材料每增加100℃，聲速下降1%。對于高溫在役設備常常碰到這種情況。

（7）層疊材料、復合（非均質）材料。要測量未經耦合的層疊材料是不可能的，因超聲波無法穿透未經耦合的空間，而且不能在復合（非均質）材料中勻速傳播。對于由復合材料包扎制成的設備（如除氧頭），測厚時要特別注意，測厚儀的示值僅表示與探頭接觸的那層材料厚度。

（8）被測壓力容器內有沉積物，當沉積物與容器聲阻抗相差不大時，測厚儀顯示值為壁厚加沉積物厚度。

（9）材料合金成分的偏析對超聲波性能的影響。液態金屬結晶時所產生的化學成分和非金屬夾雜物的不均勻現象統稱為偏析，如區域偏析、晶內偏析等。而所有偏析均會使聲波在材料中的傳播發生變化，從而使測厚示值發生變化。

（10）耦合劑的影響。耦合劑是用來排除探頭和被測物體之間的空氣，使超聲波能有效地穿入工件達到檢測目的。如果選擇種類或使用方法不當，將造成誤差或耦合標志閃爍，無法測量。應根據使用情況選擇合適的種類，當使用在光滑材料表面時，可以使用低黏度的耦合劑；當使用在粗糙表面、垂直表面及頂表面時，應使用黏度高的耦合劑。高溫工件應選用高溫耦合劑。其次，耦合劑應適量使用，涂抹均勻，一般應將耦合劑涂在被測材料的表面，但當測量溫度較高時，耦合劑應涂在探頭上。

（11）工件內部有氫腐蝕。在測定臨氫介質的壓力容器壁厚時，如果發現壁厚“增值”，應考慮氫腐蝕的可能性。氫腐蝕是指高溫下氫和鋼中的滲碳體發生還原反應生成甲烷而導致沿晶界的腐蝕。甲烷的形成使晶界產生大量的微裂紋，并相應地有明顯的脫碳，使超聲波的衰減、聲速受到影響，晶粒與晶粒間的縫隙會迫使超聲波的傳播路線改變、聲程加大，從而使測厚儀上的顯示值大于實際厚度。

（12）被測物背面有大量腐蝕坑。由于被測物另一面有銹斑、腐蝕凹坑，造成聲波衰減，導致讀數無規則變化，在極端情況下甚至無讀數。因此應增加測點數量或者觀察被測物背面的腐蝕狀況。

（13）測厚儀性能對超聲波在某些材料中傳播的影響。當測厚儀的靈敏度較高或探測頻率較高時，內應力較大、冷變形硬化及未經回火的淬火鋼，都會引起超聲波的異常反射，影響示值。這類似于超聲波探傷時的簇射波、鱗狀波、應力波等。

（14）某些缺陷對超聲波傳播的影響。材料中的其他缺陷，如微裂、疏松等，也會產生超聲波的異常反射或波形轉換，影響聲波的傳播。

以上分析只是超聲波測厚中引起異常顯示原因的粗淺分析。在實際檢驗中，情況千變萬化，聲波在介質中的傳播理論也比較復雜。只有結合實際情況分析原因，才能得到正確可靠的測厚數據。