大型壓力容器的超聲波無損檢測

徐麗潔 高小青 徐時恩

（西藏那曲地區質量技術監督局，西藏那曲地區 852000）

大型壓力容器的超聲波無損檢測

徐麗潔 高小青 徐時恩

（西藏那曲地區質量技術監督局，西藏那曲地區 852000）

在對壓力容器缺陷類型進行分析的基礎上，對壓力容器的超聲波檢測原理和方法進行了介紹，詳細探討了壓力容器不同缺陷產生的回波波形和波幅。在對焊接過程中造成壓力容器缺陷的主要因素及回波形式加以介紹的基礎上，對超聲波檢測壓力容器缺陷時進行定位和定量測量的影響因素加以分析，以便同行工作者能夠在今后的工作中加以借鑒，提高超聲波檢測壓力容器的測量精度。

壓力容器 超聲波 缺陷

隨著技術水平和的進步和工業生產的發展，大體積壓力容器使用越來越多。一旦壓力容器發生泄露，將造成巨大的經濟損失和無法彌補的災難性危害，還極有可能帶來嚴重的環境危害。因此，《特種設備安全監察條例》強制規定：“壓力容器應當在投入使用前或滿3年時停機進行全面檢驗；下次的全面檢驗周期，由檢驗機構根據本次全面檢驗結果按照有關規定確定”。無損檢測不會對被檢試件造成破壞，利用試件材料內部的結構異常或缺陷所引起的聲、光、電、磁等反應來判斷被測試件的材料、零部件、內部結構等是否發生或出現缺陷，并對產生的缺陷類型、數量、性狀、位置、尺寸等做出評價。隨著壓力容器使用的日益廣泛，無損檢測技術在壓力容器檢測中所起的作用也越來越重要。超聲波檢測是最常用的一種無損檢測手段，具有設備體積小、對操作人員無傷害、對容器缺陷可以進行定性和定量分析以及方位判斷、對于大體積的厚壁的容器可以靈活的進行等特點，本研究針對大體積壓力容器尺寸大、焊縫長、一般容器器壁較厚的特點，對使用超聲波技術對壓力容器各部位缺陷進行無損檢測方法做一介紹。

圖1 脈沖反射法原理圖

圖2 脈沖透射法原理圖

1 壓力容器缺陷類型

壓力容器的缺陷包括表面缺陷和內部缺陷兩大類，表面缺陷可以直接觀察到，內部缺陷主要是焊接缺陷和材料本身的雜質缺陷。壓力容器缺陷類型和產生原因如表1所示。

2 壓力容器超聲波檢測方法

超聲波檢測壓力容器過程中，主要有三種方法：一種是脈沖反射法，另一種是穿透法，還有一種是衍射時差法，各自原理如下。

2.1 脈沖反射法

脈沖反射法的檢測原理如圖1所示。

將脈沖振蕩器發生的電壓加到芯片上時，芯片發生振動，產生了脈沖超聲波，超聲波以5900m/s的速度在容器器壁內部傳播，如果遇到缺陷，超聲波被部分反射，未遇到缺陷的聲波則直到器壁底面才發生反射，依據晶面接收到的反射回來的超聲波的先后時間以及強弱大小，可以對壓力容器器壁是否存在缺陷以及缺陷的大小、部位進行判斷。

2.2 脈沖穿透法法

脈沖穿透法檢測原理如圖2所示。

此方法是將被檢工件兩側各放置一個超聲波探頭，一個用來發射超聲波信號，一個用來接收超聲波信號，依據接收到的超聲波信號的強弱，可以對是否存在缺陷以及缺陷的大小進行判斷，不過該方法僅能進行缺陷識別，不能進行位置的判斷。

2.3 衍射時差法

衍射時差法的檢測原理如圖3所示。

當超聲波在傳輸過程中遇到不同介質時（如裂紋上），在裂紋尖端會出現超聲波振動效果，從而產生衍射波，采用合理的手段接收衍射波，利用幾何學原理和傳播時間就可以對裂紋尖端的位置和深度進行測定。

3 脈沖反射法超聲波檢驗的常見波形及缺陷類型

利用脈沖反射法對壓力容器進行檢驗是目前使用最多的一種超聲波檢驗方法［5］，因此對脈沖反射法超聲波檢驗的常見波形及缺陷類型進行簡單介紹，以便檢測人員能夠根據波形特征對壓力容器的缺陷類型有一個初步了解。

圖3 單個大的表面粗糙的缺陷波幅變化圖（I）

圖4 單個大的表面粗糙的缺陷波幅變化圖（II）

表1 壓力容器缺陷類型及產生原因

3.1 單個小缺陷

如果容器內部有一個單個的直徑較小小缺陷，則在顯示儀上表現出一個尖銳的單個回波，當移動探頭的時候，波幅會經歷一個逐漸增大并減小至零的過程。波幅變化如圖4所示。

3.2 單個大缺陷（表面光滑）

如果容器內部有一個單個的具有一定長度和寬度的缺陷，則在顯示儀上表現出一個單獨尖銳回波，且當探頭移動時，波幅會平穩的由零增至最大值，出現一個穩定平臺，然后又逐漸減小至零。波幅變化如圖5所示。

3.3 單個大缺陷（表面粗糙）

如果缺陷具有一定的長度和寬度，且表面粗糙不平，則在顯示儀上表現出一個鋸齒峰，且移動探頭時，波幅變化幅度較大；還有可能出現的一種形式是顯示儀上出現一個鐘形脈沖包絡形狀，表現為出現很多波峰，探頭移動時，每個波峰在脈沖包絡中移動，波幅由零增長至最大值，又逐漸減弱至零，且波幅變化較大。波幅變化如圖6和圖7所示。

3.4 密集型缺陷

當有密集型缺陷的時候，顯示儀上出現一組密集缺陷回波，像多個單獨缺陷的集合，移動探頭時，波幅此起彼伏，高低不平。密集型缺陷的波幅變化圖如圖8所示。

4 焊縫的典型缺陷及其判斷

焊接質量對壓力容器的質量和安全影響很大，因此對焊縫中缺陷的類型和產生原因做一介紹，以便檢驗工作者在今后工作中做出有效準確判斷。

4.1 氣孔

焊接過程中吸收或反應產生了氣體，在金屬冷卻前未及時逸出，從而殘留在焊縫中形成氣孔，是體積型缺陷，危害較小。其在超聲波檢驗中表現為反射率高，波形陡直尖銳，如果是一群氣孔密集出現，則表現為一簇信號，波幅高低不平。如果大型容器是采用單面焊雙面成型工藝時，有可能出現的情況是密集氣孔呈鏈狀分布，形似“八”字，也就是我們常說的八字孔。在檢查過程中，要注意探頭應與焊縫成一定夾角，以避免漏檢。

4.2 夾渣

夾渣表面粗糙，且有一定棱角，顯示儀上會出現寬度大且帶鋸齒狀波形，波峰較圓潤，移動探頭時，信號滾動明顯，當探頭旋轉時，波幅此起彼伏，從不同方向探測，波幅不同，平移探頭時，波幅有一定變化。

4.3 未焊透

如果在焊接過程中，由于操作不當，發生未焊透的情況時，當用超聲波檢測時會出現回波出現時間很快，形成矩形波形，且在焊縫兩側進行檢測時，情況大致相同；沿著焊道移動探頭時，波幅變化不大，而當探頭垂直焊縫轉動時，波形消失很快。

4.4 未熔合

當未熔合發生在根部時，波形與單個氣孔的波形相似，不過為一連續波形。當從焊縫兩側對未熔合部分進行檢測時，兩側的波形各不相同，甚至僅能在一側檢測出異常現象。由于其方向性很強，因此選用不同K值的探頭，回波波幅相差較大。

4.5 裂紋

如果焊接過程中出現裂紋，則在超聲波檢測過程中的回波波幅寬且強，有多峰現象出現，探頭平移時，連續出峰，且波幅有一定變化；探頭轉動時，波峰出現位錯現象。

5 影響超聲波檢驗的因素

在超聲波檢驗過程中，有許多因素影響到檢驗結果的準確性，因此對這些因素做一個分析，以便檢驗工作者提高定位、定量測量精度。

5.1 影響定位測量的因素

5.1.1 儀器的影響

主要是儀器水平線對缺陷定位影響較大，當顯示儀水平線精度不準時，缺陷定位的誤差較大；當儀器水平線性不準時，缺陷的定位誤差也較大。因此在進行缺陷檢測時，首先要確保使用的超聲波儀器的精確度達到要求。

5.1.2 探頭的影響

如果探頭性能不佳，有兩個主聲束被發出，則儀器自然無法檢測出缺陷是由那個聲束發現的，定位不可能準確；如果聲束發聲后與中心線偏離，則缺陷定位無法做到精確；如果在操作過程中，探頭斜楔由于用力不當出現磨損，當斜楔前面磨損，則K值增大，反之，斜楔后面磨損，K值減少，都會影響到缺陷定位；探頭的半擴角大小也會影響到缺陷定位，半擴角越大，缺陷定位越不準確。

5.1.3 工件影響

工件表面粗糙度、工件的材質、表面形狀等都會影響到缺陷定位。表面越粗糙、曲率半徑越大，缺陷定位越難精確。

5.1.4 操作人員影響

由于操作人員的讀數誤差不完全相同，自然影響到缺陷定位準確程度，此外，尤其需要注意針對不同的容器形狀需要選擇不同的缺陷定位方法，避免操作方法失誤，造成缺陷無法定位。

5.2 影響缺陷定量的因素

5.2.1 儀器和探頭性能的影響

超聲波儀器和探頭對缺陷定量影響很大，主要包括探頭形式、晶片尺寸、折射角大小和儀器的垂直線性、衰減器的精密程度、超聲波頻率等方面。因此在進行超聲波無損檢測時，應注意選擇適合的儀器和探頭。

5.2.2 試件幾何形狀的影響

如果試件的底面是凹曲面，則會使聲波聚集，回波波幅升高，如果試件底面是凸曲面，則會使回波發散，回波波幅減小，如果試件是圓柱實心體，從圓柱外表面向內表面檢測時，由于圓柱面耦合性差于平面，因此雖然理論上應該與平面回波相同，實際中往往是較平面回波弱。而如果試件的底面與探測面不能保證平行、有污物、粗糙時，往往也會造成底波下降，從而導致底波調節偏高，定量誤差變大。

5.2.3 耦合與衰減的影響

如果試件晶粒度較大，尺寸較大時，應測量試件的半衰期，以免由于聲波衰減過快造成定量分析不準確；當探頭與靈敏調節試塊與被探工件表面耦合不同時，測量精度下降；耦合劑的耦合層也會對缺陷定量分析有影響。

6 結語

（1）對大型壓力容器的超聲波檢測技術原理進行了介紹，并對檢測過程中常見的缺陷類型和缺陷產生波形加以描述，以便超聲波檢測工作者更好的對壓力容器的缺陷狀態有一個了解；

（2）針對焊接過程中引起的缺陷類型和判斷方法進行了介紹，并對檢測過程中的缺陷定位和定量影響因素加以分析，以便同行能更好的對壓力容器進行準確的檢驗，保證生產安全。