無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在壓力容器檢測(cè)中的應(yīng)用研究

陳映余

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院順德檢測(cè)院，廣東 佛山 528300）

壓力容器的使用遍及我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，特別是機(jī)械、石油、化工等工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)。因?yàn)閴毫θ萜鹘橘|(zhì)一般具有高壓高溫等特征，壓力容器具有爆炸風(fēng)險(xiǎn)性，對(duì)其造成破壞容易導(dǎo)致災(zāi)難發(fā)生。壓力容器所受到的應(yīng)力、本體材質(zhì)的力學(xué)性能及存在的缺陷是決定壓力容器失效與否的三個(gè)基本因素。在相當(dāng)一部分壓力容器安全事故當(dāng)中，壓力容器的焊接質(zhì)量問(wèn)題是最直接最根本的原因之一。在壓力容器的制造和使用中，迫切需要一種可靠、安全的方法。采用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，以檢查焊縫氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，防止惡性事故的發(fā)生。

無(wú)損檢測(cè)(nondestructive testing，NDT)，是在現(xiàn)代化儀器設(shè)備幫助下，能可靠靈敏地檢測(cè)出被檢測(cè)對(duì)象內(nèi)外的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)及其是否存在缺陷等等性能指標(biāo)的不會(huì)對(duì)被檢測(cè)對(duì)象造成物理傷害和化學(xué)改變的先進(jìn)技術(shù)。當(dāng)下傳統(tǒng)的NDT 技術(shù)主要包括超聲波、射線、磁粉、滲透、渦流等，這些技術(shù)各有所長(zhǎng)，同時(shí)也存在它的局限性和短板。

超聲探傷法適合檢測(cè)表面與內(nèi)部缺陷，具有速度快、平面型缺陷靈敏高的特點(diǎn)；射線探傷法適用于內(nèi)部缺陷，檢測(cè)直觀，對(duì)體積型缺陷靈敏度高；磁粉探傷法適用于表面缺陷的檢測(cè)，且僅適用于磁鐵材料的構(gòu)件；滲透探傷法適用于表面開口缺陷，操作簡(jiǎn)單；渦流探傷法適用于表面缺陷，適用于導(dǎo)體材料的構(gòu)件。

1 常用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

1.1 超聲探傷法

超聲波作為一種無(wú)損檢測(cè)方法來(lái)探測(cè)物體內(nèi)部的缺陷和結(jié)構(gòu)出現(xiàn)于20 世紀(jì)20 年代后期。F.A.Firestone 的超聲脈沖檢測(cè)法的提出標(biāo)志著超聲用于探傷檢測(cè)的開始。1964 年，Krautkramer 公司成功研制出小型超聲探傷儀，其主要性能指標(biāo)取得了突破性進(jìn)展，標(biāo)志著近代超聲檢測(cè)技術(shù)的誕生。我國(guó)于1981 年12 月31 日，由第一機(jī)械工業(yè)部、化學(xué)工業(yè)部、石油工業(yè)部共同發(fā)布三部聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)《鍋爐與鋼制壓力容器對(duì)接焊縫超聲探傷》，此后，多個(gè)版本的新標(biāo)準(zhǔn)相繼面世，目前，該技術(shù)已成為一項(xiàng)成熟、經(jīng)典的基本技術(shù)。

目前，該技術(shù)的突破主要體現(xiàn)在自動(dòng)化和信息化兩方面。自動(dòng)化是指超聲探傷工業(yè)檢測(cè)機(jī)器人的研制，在容器內(nèi)部、管道內(nèi)部等檢測(cè)中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，具備驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢測(cè)及控制等功能。李東升等通過(guò)實(shí)驗(yàn)，首次引入掃描帶重疊系數(shù)的概念,建立了多探頭陣列式、多探頭旋轉(zhuǎn)式和單探頭旋轉(zhuǎn)反射鏡式檢測(cè)頭的不漏檢條件，設(shè)計(jì)了超聲智能爬機(jī)并對(duì)其測(cè)試技術(shù)進(jìn)行研究。信息化主要是對(duì)超聲數(shù)字信號(hào)處理軟件等信息化處理，莊圣賢等對(duì)超聲數(shù)字信號(hào)處理軟件固化進(jìn)行研究，為超聲數(shù)字化信號(hào)研發(fā)提出新方向。

1.2 射線探傷法

射線檢測(cè)，是利用射線在穿透物體時(shí)因被物質(zhì)粒子相互作用而產(chǎn)生強(qiáng)度衰減程度不同，對(duì)物體內(nèi)部宏觀情況進(jìn)行記錄的一種檢測(cè)方法。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)、安保等領(lǐng)域，是一種宏觀上無(wú)損的基礎(chǔ)檢測(cè)方法。壓力容器檢測(cè)中多使用X 或者γ 射線，由于穿透后射線強(qiáng)度衰減程度的不同，膠片感光的程度產(chǎn)生差異，即可對(duì)缺陷進(jìn)行分辨和判斷。

射線探傷技術(shù)在國(guó)內(nèi)起步較晚，1959 年上海探傷機(jī)廠成功研發(fā)中國(guó)的第一臺(tái)工業(yè)的探傷機(jī)；中國(guó)的X 射線特別是實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng)、工業(yè)CT 等方面在進(jìn)入21 世紀(jì)后有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從而此檢測(cè)設(shè)備使用較為普遍，其中在X 射線機(jī)和r 射線機(jī)的性能及結(jié)構(gòu)方面都有較大的變化。

但是X 線探傷機(jī)具有輻射及泄漏的危險(xiǎn)，故目前的研究除了致力于X 線檢測(cè)輔助裝置、實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)等方面外，對(duì)其安全性的研究更為重要。中北大學(xué)的索丹分析研究了建立便攜式X 射線機(jī)硬件環(huán)境中特別是無(wú)線遠(yuǎn)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遇到的關(guān)系到對(duì)人身是否安全、控制和檢測(cè)是否及時(shí)以及所得結(jié)果是否可靠等問(wèn)題，為X 線探傷機(jī)的安全性研究提供了思路。

1.3 滲透探傷法

滲透檢測(cè)是一種以毛細(xì)作用原理為基礎(chǔ)的檢查被檢測(cè)對(duì)象表面開口缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。其原理就是在被檢測(cè)對(duì)象表面施涂含有熒光染料或著色染料的滲透劑后，經(jīng)過(guò)特定時(shí)間的毛細(xì)作用下，表面開口缺陷里面便存儲(chǔ)了足量的染料，在去除多余滲透劑并干燥后再施涂吸附介質(zhì)——顯像劑，使開口缺陷中殘留的滲透劑回滲到顯像劑中，這樣缺陷的形態(tài)就能在合格的光源下顯示出來(lái)。滲透檢測(cè)最早在19 世紀(jì)末期應(yīng)用于鐵道車軸、車輪、車鉤，所用的滲透劑是稀釋了重滑油的煤油。從20 世紀(jì)30 年代到40 年代初期，美國(guó)工程技術(shù)人員斯威策（R.C.Switzer）等人進(jìn)一步發(fā)明了熒光滲透劑，第二次世界大戰(zhàn)期間在軍工檢測(cè)中被廣泛運(yùn)用。

中國(guó)在20 世紀(jì)前半世紀(jì)當(dāng)中主要使用以煤油+機(jī)油為滲透劑的主要載體，軍工領(lǐng)域和機(jī)械領(lǐng)域使用的滲透檢測(cè)材料主要從蘇聯(lián)引入應(yīng)用于產(chǎn)品的檢驗(yàn)；直到60 年代初，熒光滲透檢測(cè)才被航空工業(yè)使用，染料基礎(chǔ)使用熒光黃，進(jìn)入21 世紀(jì)之后，國(guó)產(chǎn)滲透劑在質(zhì)量及靈敏度方面獲得大幅度的提高，主要應(yīng)用領(lǐng)域在壓力容器、航空航天、管道等。

滲透檢測(cè)不受被檢對(duì)象化學(xué)成分限制，不受被檢對(duì)象結(jié)構(gòu)限制，也不受缺陷形態(tài)大小的限制，只需一次滲透便能同時(shí)檢查開口于表面的所有缺陷。但它的短板也很明顯，首先，靈敏度相對(duì)于磁粉檢測(cè)來(lái)說(shuō)比較低，并且檢測(cè)步驟多、檢測(cè)所需時(shí)間長(zhǎng)。其次，所能檢測(cè)只有存在于被檢對(duì)象表面的開口缺陷，無(wú)法檢查多孔材料，耗材價(jià)格較高且易燃有毒，儲(chǔ)存與使用過(guò)程中須采取保護(hù)措施。所以滲透檢測(cè)使用的實(shí)用性不高。

1.4 磁粉探傷法

鐵磁性材料對(duì)象在強(qiáng)磁場(chǎng)中被磁化后，在表面或近表面的不連續(xù)處磁導(dǎo)率變化的影響下，磁感應(yīng)線溢出被檢對(duì)象形成漏磁場(chǎng)，吸附施加在被檢對(duì)象表面的磁粉后，能形成合格光照下肉眼能見的磁顯痕跡，就是磁粉檢測(cè)技術(shù)的原理。磁粉檢測(cè)是壓力容器檢測(cè)中最常用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一，可檢測(cè)出鐵磁性材料表面和近表面的缺陷并能很直觀的顯示出來(lái)，靈敏度高，可檢測(cè)微米級(jí)寬度的缺陷，耗材成本價(jià)格低廉，單個(gè)工件檢測(cè)速度快，工藝簡(jiǎn)單。但是局限性在于它只適用于鐵磁性材料，受被檢對(duì)象幾何形狀的影響容易產(chǎn)生偽缺陷，無(wú)法檢測(cè)內(nèi)部缺陷。

導(dǎo)線通電能產(chǎn)生磁效應(yīng)在1820 年由丹麥的奧斯特（H.C.Oersted）發(fā)現(xiàn)，而磁粉檢測(cè)是1918 年在美國(guó)第一次被使用；磁粉檢測(cè)引入到工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域是在1930 年由德國(guó)的福斯特完成的；1933 年至1947 年間，隨著科技的發(fā)展，漏磁檢測(cè)的理論及技術(shù)被研究成功。我國(guó)磁粉檢測(cè)技術(shù)在60年代開始發(fā)展，第一臺(tái)磁粉探傷機(jī)就是這個(gè)時(shí)期開始仿制，進(jìn)入到70 年代，我國(guó)開始對(duì)磁粉檢測(cè)半自動(dòng)化及其輔助裝置方面進(jìn)行優(yōu)化，并同時(shí)大量運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域；上世紀(jì)90年代初，北京航空材料研究所鄭文研發(fā)制造出了國(guó)產(chǎn)熒光磁粉并迅速推廣帶航空機(jī)械領(lǐng)域；到了21 世紀(jì)以后，我國(guó)在半自動(dòng)化、自動(dòng)化磁粉探傷設(shè)備方面的研發(fā)快速發(fā)展，例如采用CCD 攝像記錄及自動(dòng)爬行器等，配套的輔助配件也有了較快的更替于發(fā)展，例如黑光燈、標(biāo)準(zhǔn)試塊、靈敏度試片等。

目前國(guó)內(nèi)常規(guī)磁粉檢測(cè)是最常用的表面檢測(cè)之一，能直觀的顯示缺陷，但由于工藝關(guān)系無(wú)法自動(dòng)化與批量化，導(dǎo)致工作效率較低，同時(shí)人為觀察漏檢可能性較大。

2 結(jié)語(yǔ)

綜上，應(yīng)用于壓力容器檢測(cè)中的常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)原理已經(jīng)基本成熟，未來(lái)新技術(shù)的發(fā)展在于傳感精度的提升及計(jì)算分析技術(shù)的發(fā)展，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能的發(fā)展、第五代移動(dòng)通訊及大數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用等。