超聲波技術在鍋爐壓力容器檢測中的運用

馮選明

（呂梁市特種設備監督檢驗所，山西呂梁 033000）

0 引言

鍋爐壓力容器廣泛應用于能源、化工、軍工等產業，在使用過程中處于高溫、高壓狀態。如果制造質量把關不嚴，服役期間檢測不到位，就會因存在缺陷而損壞，甚至發生爆炸事故。超聲波檢測既可及時發現鋼板軋制、冷熱成型加工及焊接等制造過程中產生的缺陷，也可發現運行過程中產生的新缺陷及制造缺陷的擴展。超聲波檢測技術具有不破壞被檢對象、設備攜帶方便、適于在各種場所使用等優勢，被普遍運用于鍋爐壓力容器檢測當中。近年來，隨著電子技術的發展和智能化、信息化等方面的要求，超聲波檢測技術仍需不斷地完善。

1 運用原理

超聲波技術能夠清楚呈現出鍋爐壓力容器缺陷，主要利用超聲波的物理特性呈現宏觀缺陷。在采用超聲波技術檢測鍋爐壓力容器時，超聲波束進入鍋爐壓力容器材料、焊縫內部，遇到了存在的缺陷，若a≥λ（超聲波波長為λ，缺陷尺寸為a），則產生反射波，該信息會經由探傷儀反映出來；若a＜λ，則不會產生反射波，探傷儀也不會有對應的反映。在a≥λ 的情況下，反射波會在熒光屏上呈現出相應波形，內部缺陷的信息就儲存在波形當中，通過讀取波形，對波形進行分析、對比，可以準確判斷缺陷的位置和幾何尺寸，檢測人員可以結合自己掌握的材料、焊接知識，對缺陷的形狀、特性進行初步判斷。

因超聲波在金屬材料中穿透性強、靈敏度高，檢測時速度較快，且操作較為簡單，故在鍋爐壓力容器檢測工作中得到廣泛應用。隨著計算機技術、電子技術等不斷發展，超聲波檢測技術在鍋爐壓力容器無損檢測中的運用更加成熟。例如，通過連接計算機與超聲波探傷儀，借助計算機強大的分析及處理能力，可進一步推動鍋爐壓力容器檢測自動化，使檢測過程簡化，判定更加準確，同時使檢測信息以圖表等模式呈現在檢測人員面前，有效降低檢測人員對鍋爐壓力容器缺陷進行綜合判斷的難度。

2 掃描技術分析

超聲波檢測技術有A 型掃描技術、B 型掃描技術、C 型掃描技術、衍射時差法超聲探傷技術。

2.1 A 型掃描技術

該技術用于鍋爐壓力容器檢測時，探傷儀探頭定點發射超聲波，并收集回波信息，然后以回波信息準確判斷鍋爐壓力容器的缺陷長度和深度。但A 型掃描技術在實際運用時有一定局限性，得到的回波圖不能直觀反映缺陷的形狀，檢測人員要判斷出形態、特點、類型的難度較大，對檢測人員的能力及經驗有較高要求。目前，A 掃描檢測技術已經非常成熟，通過對缺陷位置、尺寸的準確定位，可準確找到缺陷進行返修，完全可以滿足一般制造、檢修的需要。

2.2 B 型掃描技術

該技術用于鍋爐壓力容器檢測時，要借助灰度調制來實現成像，通過收集不同位置、不同深度的回波信息，最終得到的圖像可反映出鍋爐壓力容器的剖面信息，根據剖面信息來進一步分析鍋爐壓力容器的缺陷形態和深度。一般情況下與A 型掃描技術相比較，B 型掃描技術的局限性更小。

2.3 C 型掃描技術

該技術運用于鍋爐壓力容器檢測時，借助線陣掃描實現成像，在實際檢測過程中，可通過調整回波信號強度來獲取鍋爐壓力容器任意深度的回波圖像，并通過分析圖像得到鍋爐壓力容器的缺陷情況。與A、B 型掃描技術相比較，C 型掃描技術是平面x、y 坐標綜合歸集規劃，運用C 型掃描技術對鍋爐壓力容器可進行更加全面的檢測，會瞬間先在x 方向上形成一條線圖像，然后再在y 方向上進行掃描。

2.4 衍射時差法超聲探傷技術

利用端點反射原理，將端點反射輪廓反映在顯示屏上，更有利于準確判斷缺陷的位置、尺寸、幾何形狀等，且受檢測人員手法影響較小，利于判定缺陷類型。隨著我國衍射時差法探傷儀器制造技術的成熟，該技術將得到更加廣泛的應用。

3 檢測分析

3.1 常見的鍋爐壓力容器缺陷

常見的鍋爐壓力容器缺陷有裂紋、氣孔、夾渣、未熔合、未焊透等。若出現超標缺陷，鍋爐壓力容器即被判定為不合格，不可投入使用。若不慎將存在嚴重缺陷的鍋爐壓力容器投入使用，則可能誘發安全事故。

（1）裂紋缺陷。是設備材料和焊縫中致命的缺陷，由于裂紋屬于面積型缺陷，當超聲波聲束方向平行于裂紋方向時，基本沒有回波產生。在實際的檢測中，必須根據材料特性、焊接工藝，初步判斷焊接過程中可能產生裂紋的方向，用不同的探頭，在不同的材料表面進行掃查，才能發現存在的裂紋缺陷。

（2）焊接未熔合缺陷。在焊接時若焊接金屬與母材未充分熔合可能導致鍋爐壓力容器強度降低，在投入使用后，隨著缺陷的擴展還會出現其他問題。焊接未熔合缺陷可能出現在鍋爐壓力容器任一采用了焊接工藝的地方，有根部未熔合、坡口未熔合、層間未熔合等狀態。在通過超聲波技術對鍋爐壓力容器未熔合缺陷進行檢測時，可參考缺陷出現的位置對鍋爐壓力容器是否具備該缺陷進行判斷，并采用合適的探頭進行檢測。

（3）未焊透缺陷。當借助超聲波技術對鍋爐壓力容器是否存在該缺陷進行判斷時，若鍋爐壓力容器的確存在該缺陷，那么回波速度往往很快，反射當量往往很大。

（4）氣孔、夾渣等體積型缺陷。超聲波探傷比較容易發現，但從不同的角度進行檢測，回波信號有一定差異，發現比較弱的缺陷信號時，有經驗的檢測人員會調整掃查角度，進一步對缺陷做出準確判斷。

3.2 檢測時存在的干擾因素分析

超聲波技術用于鍋爐壓力容器檢測時會遇到各種干擾因素的影響，使檢測結果存在一定誤差。干擾因素可分為定位因素與定性因素。

（1）常見的定位干擾因素：①數據讀取偏差干擾，即在檢測過程中因儀器存在問題，可能導致測得的數據出現偏差，使檢測結果精準度下降，例如水平線性出現問題會影響檢測人員對深度位置進行準確判斷；②波束方向偏離干擾，即在檢測過程中，因某些原因（如鍋爐壓力容器的材質）波束方向發生偏離，導致檢測結果出現誤差，不能準確反映出鍋爐壓力容器的缺陷位置及缺陷狀態。

（2）常見的定性干擾因素：①耦合和衰減干擾，檢測結果可能被耦合層厚度、耦合效果等因素影響，使最終檢測結果出現誤差，無法準確判斷鍋爐壓力容器的缺陷情況；②性能干擾，超聲波檢測儀器結構復雜，當性能不佳時會導致檢測結果不準，例如靈敏度較差會遺漏較小的缺陷，垂直線性出現問題會影響對缺陷尺寸的判斷；③操作人員干擾，在檢測過程中，操作人員的水平會對檢測結果的精準度和檢測速度產生直接影響，不同的操作人員對同一鍋爐壓力容器進行檢測，也可能出現檢測結果不同的情況；④工件干擾，被檢測的工件，某些端角可能產生反射波，產生偽缺陷。

3.3 檢測的實踐舉例

（1）角焊縫的檢測實踐。常用的檢測方法有：①采用雙晶直探頭對角焊縫是否存在未熔合缺陷進行檢測；②采用斜探頭對角焊縫是否存在未焊透缺陷進行檢測。在獲得檢測波形后可移動探頭，當角焊縫存在缺陷時，伴隨半透移動波形圖中的底波高度多不下降。檢測時還需注意：①在同時采用雙晶直探頭與斜探頭時，要綜合考慮鍋爐壓力容器的實際情況，比如要考慮鍋爐壓力容器的大小、壁厚等因素，根據實際檢測需要，來選擇不同型號的探頭；②為提高檢測結果的精準性，可借助一次反射法跨距公式、三角定理來輔助確定探傷面，通過掃描線調節和靈敏度校驗來降低某些干擾因素對檢測結果的影響。

（2）內壁裂紋檢測的實踐。選用的是不同K 值的斜探頭，其存在明顯差異，對鍋爐壓力容器內部裂紋的檢測會出現不同的結果。檢測時需注意：①在進行縱向缺陷檢測時，要根據檢測需要選擇型號合適的探頭做軸向或周向百分百掃查；②在進行環向缺陷檢測時，可同時采用K 值存在明顯差異的斜探頭來驗證檢測過程中的缺陷，從而提高檢測結果的精準度；③還可采取前后、左右移動探頭的做法來降低干擾因素影響。

（3）封頭管板裂紋檢測的實踐。在實踐過程中需注意：①合理控制掃描速度；②在檢測前調整檢測儀器的靈敏度；③掃查方式的選擇。

4 結語

由于超聲波技術可以較為精準、快速地檢測出鍋爐壓力容器存在的缺陷，有效提高鍋爐壓力容器檢測質量、降低安全事故及財產風險，因此近年來超聲波技術在鍋爐壓力容器檢測中得到了較為廣泛的應用。在實踐過程中，因定性因素與定位因素的影響，檢測結果仍在一定程度上會受到干擾，尚存在很大的提升空間。進一步引入計算機技術、電子技術等可提高檢測效率與精準度，對B 掃描、C 掃描進行研究，開發超聲波成像技術，有利于對鍋爐壓力容器設備缺陷更直觀地判斷。