壓力容器焊接接頭無(wú)損檢測(cè)可靠性的研究

【摘要】 焊接接頭是壓力容器的重要連接元件，承受壓力、溫度、介質(zhì)的作用，對(duì)在用壓力容器的安全運(yùn)行和使用壽命起著決定性的影響。基于在用壓力容器焊接接頭的損傷機(jī)理，綜合在用壓力容器焊接接頭常用無(wú)損檢測(cè)方法的特性，充分考慮在用壓力容器焊接接頭的材質(zhì)、焊接方法、運(yùn)行參數(shù)及其運(yùn)行環(huán)境，并結(jié)合實(shí)際檢驗(yàn)檢測(cè)工作經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)能夠影響在用壓力容器焊接接頭常用無(wú)損檢測(cè)方法可靠性的因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并提出了減少這些影響因素的方法和措施。

【關(guān)鍵詞】 壓力容器;焊接接頭;無(wú)損檢測(cè);可靠性

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.04.044

Study on Reliability of Nondestructive Testing for Welded Joint of Pressure Vessel

CAI Zhan-he

（Heze Product Inspection and Testing Institute，Heze 274000，China）

Abstract： Welding joints are important connecting elements of pressure vessels，which bear the effects of pressure，temperature，and media，and have a decisive influence on the safe operation and service life of pressure vessels in use. Based on the damage mechanism of the welded joints of pressure vessels in use，combined with the characteristics of commonly used non-destructive testing methods for welded joints of pressure vessels in use，fully consider the materials，welding methods，operating parameters and operating environment of welded joints of pressure vessels in use，and combine actual inspection. Based on the inspection work experience，the factors that can affect the reliability of the commonly used non-destructive testing methods for the welded joints of pressure vessels in use have been systematically studied，and methods and measures to reduce these influencing factors have been proposed.

Key words： pressure vessel;welding joint;nondestructive testing;reliability

1 引言

壓力容器焊接接頭由母材、熔合區(qū)和熱影響區(qū)組成，其主要作用之一是承受力的載荷。焊接接頭各區(qū)在焊接過(guò)程中進(jìn)行了不同的冶金過(guò)程，并經(jīng)受不同的熱循環(huán)和應(yīng)變循環(huán)作用，造成各區(qū)的組織不均勻，進(jìn)而使整個(gè)焊接接頭的力學(xué)性能不均勻[1]。焊接接頭存在幾何不連續(xù)、焊接變形造成內(nèi)部應(yīng)力集中，影響了焊接接頭強(qiáng)度。此外，在焊接過(guò)程中，焊接接頭易產(chǎn)生不同類型的缺陷，進(jìn)一步降低了其強(qiáng)度。因此，焊接接頭是壓力容器力學(xué)性能薄弱的位置，是在用壓力容器安全運(yùn)行的主要隱患之一。

為盡早發(fā)現(xiàn)在用壓力容器，尤其是焊接接頭，存在什么缺陷，進(jìn)而及時(shí)消除安全隱患，保證生產(chǎn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定，我國(guó)相關(guān)法律和安全技術(shù)規(guī)范要求在用壓力容器應(yīng)進(jìn)行定期檢驗(yàn)，未經(jīng)定期檢驗(yàn)或者檢驗(yàn)不合格的壓力容器，不得繼續(xù)使用[2-4]。金屬壓力容器定期檢驗(yàn)項(xiàng)目，以宏觀檢驗(yàn)、壁厚測(cè)定、表面缺陷檢測(cè)、安全附件檢驗(yàn)為主，必要時(shí)增加埋藏缺陷檢測(cè)[5-6]。

無(wú)損檢測(cè)可靠性可以理解為，在給定的檢測(cè)條件和工藝下，能夠檢測(cè)出某一尺寸范圍的缺陷的可能性[7]。值得注意的是，在用壓力容器無(wú)損檢測(cè)的可靠性與在用壓力容器的可靠性是兩個(gè)不同的概念，不可混為一談。保證無(wú)損檢測(cè)的可靠性，并不是要求通過(guò)某種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)方法檢出壓力容器焊接接頭上存在的所有缺陷，因?yàn)榻^對(duì)無(wú)缺陷的設(shè)備是不存在的，而且每種無(wú)損檢測(cè)方法都有其自身局限性，有其自身極限檢測(cè)靈敏度，因此，只能要求通過(guò)某種無(wú)損檢測(cè)方法檢出一定當(dāng)量大小的缺陷。在用壓力容器安全使用的可靠性不僅與無(wú)損檢測(cè)的可靠性有關(guān)，還與設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用管理等密切相關(guān)。

2 影響在用壓力容器焊接接頭無(wú)損檢測(cè)可靠性的因素

2.1 無(wú)損檢測(cè)方法優(yōu)點(diǎn)及其局限性

由于常規(guī)四種無(wú)損檢測(cè)方法所依據(jù)的物理原理是不相同的，所以這就決定了常規(guī)四種無(wú)損檢測(cè)方法各自的特點(diǎn)。射線照相法適用范圍廣，在大多金屬材料上使用均能得到良好的效果，該方法對(duì)檢測(cè)對(duì)象的形狀、表面粗糙度沒(méi)有嚴(yán)格要求;但是射線照相法檢測(cè)成本較高，且對(duì)人體有傷害，需要采取防護(hù)措施[8]。超聲檢測(cè)方法適用于金屬、非金屬和復(fù)合材料，穿透能力強(qiáng)，可對(duì)較大厚度范圍內(nèi)的工件內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè);缺陷定位較準(zhǔn)確，對(duì)面積型缺陷的檢出率較高;檢測(cè)成本低、速度快，設(shè)備輕便，對(duì)人體及環(huán)境無(wú)害，現(xiàn)場(chǎng)使用較方便，但是它難于對(duì)缺陷的精確定性、精確定量[9]。對(duì)于鐵磁性材料表面和近表面的缺陷，磁粉檢測(cè)最是適合，并且磁粉檢測(cè)檢測(cè)靈敏度也很高[10]。滲透檢測(cè)適用范圍廣，并且不受檢測(cè)對(duì)象化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、缺陷形狀、尺寸和方向的限制;但是，滲透檢測(cè)對(duì)多孔的材料不適用。射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)對(duì)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)靈敏度較高，磁粉檢測(cè)對(duì)鐵磁性材料表面、近表面的缺陷檢測(cè)有效，而滲透檢測(cè)只能用于非多孔性材料表面開(kāi)口缺陷的檢測(cè)。因此，檢驗(yàn)檢測(cè)人員應(yīng)熟知常用四種無(wú)損檢測(cè)方法的特點(diǎn)，在進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)應(yīng)充分利用某種無(wú)損檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)，盡量避開(kāi)其局限性。在用壓力容器的無(wú)損檢測(cè)以檢測(cè)表面和近表面缺陷為主，因此對(duì)鐵磁性材料應(yīng)優(yōu)選磁粉檢測(cè)，若選擇滲透檢測(cè)，由于靈敏度的降低，會(huì)造成對(duì)表面細(xì)小缺陷的漏檢，近表面缺陷可能檢不出，從而導(dǎo)致無(wú)損檢測(cè)可靠性降低。此外，由于滲透檢測(cè)的重復(fù)性較差，在對(duì)缺陷部位進(jìn)行復(fù)檢時(shí)，若清洗不徹底，缺陷內(nèi)的滲透檢測(cè)劑仍殘留其中，會(huì)造成缺陷顯示不明顯甚至不顯示，無(wú)損檢測(cè)可靠性也會(huì)下降。檢測(cè)在用壓力容器焊接接頭內(nèi)部埋藏缺陷時(shí)，應(yīng)根據(jù)檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況，靈活使用射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)兩種檢測(cè)方法能夠得到比使用其中一種檢測(cè)方法獲得更高的檢測(cè)可靠性。射線檢測(cè)對(duì)體積型缺陷檢測(cè)靈敏度較高;但對(duì)細(xì)小裂紋和層間未熔合可靠性差，并且對(duì)缺陷深度位置和自身高度較難確定，射線的穿透厚度也會(huì)受到射線能量的限制。超聲檢測(cè)對(duì)面狀缺陷檢出率較高，并且其穿透能力強(qiáng)，能確定缺陷的位置;但對(duì)于粗晶材料中的缺陷較難檢測(cè)。故單獨(dú)使用一種方法檢測(cè)均有不足，只有根據(jù)檢驗(yàn)方案和檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)要求，針對(duì)性地選擇檢測(cè)方法才能獲得更高的檢測(cè)可靠性。

2.2 無(wú)損檢測(cè)人員的人為因素

在用壓力容器焊接接頭無(wú)損檢測(cè)可靠性的影響因素中，無(wú)損檢測(cè)人員的人為因素起著關(guān)鍵性的作用，對(duì)無(wú)損檢測(cè)可靠性具有決定性的影響。無(wú)損檢測(cè)人員的人為因素主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：首先，無(wú)損檢測(cè)人員的資質(zhì)技術(shù)水平和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn);其次，無(wú)損檢測(cè)人員的責(zé)任心和執(zhí)業(yè)道德水準(zhǔn);再者，無(wú)損檢測(cè)人員在檢測(cè)工作時(shí)的身心狀態(tài)。以上三個(gè)方面相互關(guān)聯(lián)，其中，無(wú)損檢測(cè)人員的資質(zhì)技術(shù)水平和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)是最主要的，從事無(wú)損檢測(cè)的人員，應(yīng)按照國(guó)家相關(guān)規(guī)定取得相應(yīng)無(wú)損檢測(cè)人員資格和級(jí)別，且只能從事與該方法和該資格級(jí)別相應(yīng)的無(wú)損檢測(cè)工作。未取得相應(yīng)資格和級(jí)別的無(wú)損檢測(cè)人員不允許從事相應(yīng)工作，也不可能獲得高可靠性的檢測(cè)結(jié)果。

2.3 無(wú)損檢測(cè)儀器設(shè)備的性能

目前，在用壓力容器焊接接頭無(wú)損檢測(cè)可靠性在很大程度上依賴于無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的性能和狀況，對(duì)無(wú)損檢測(cè)設(shè)備性能和狀況的掌控也是保障無(wú)損檢測(cè)可靠性的措施。

在檢測(cè)工作中，使用任何一種無(wú)損檢測(cè)方法，其設(shè)備的性能都會(huì)不同程度地影響無(wú)損檢測(cè)工作的可靠性。現(xiàn)階段的超聲檢測(cè)儀，尤其是數(shù)字式超聲檢測(cè)儀，無(wú)論在功能還是在適用性上均有較大幅度的提升，超聲檢測(cè)的靈敏度和可靠性也遠(yuǎn)非早期的超聲檢測(cè)儀所比擬。即使是使用同型號(hào)的探頭，其性能也難免有差異，檢測(cè)靈敏度和可靠性也會(huì)不同。

2.4 無(wú)損檢測(cè)方案的不合理性

在用壓力容器的材質(zhì)、壁厚、制造工藝、運(yùn)行參數(shù)、使用環(huán)境千差萬(wàn)別，為提高在用壓力容器焊接接頭無(wú)損檢測(cè)的靈敏度和可靠性，應(yīng)綜合分析在用壓力容器的狀況，預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生缺陷的性質(zhì)、位置、尺寸、延伸方向等，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)以及本單位的實(shí)際狀況制定合理的檢測(cè)方案。在對(duì)鐵磁性材料的大徑管角接接頭進(jìn)行表面檢測(cè)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇磁粉檢測(cè)，如果采用交叉磁軛法，會(huì)造成磁軛與被檢表面接觸不良，降低磁粉檢測(cè)的可靠性;如果選用滲透檢測(cè)，由于滲透檢測(cè)僅對(duì)開(kāi)口缺陷有效，會(huì)造成近表面缺陷的漏檢。

2.5 壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的欠缺性

焊接接頭的結(jié)構(gòu)形式直接影響對(duì)其無(wú)損檢測(cè)的方便性和可靠性。對(duì)于射線檢測(cè)，應(yīng)提前根據(jù)焊接接頭形式來(lái)確定透照方向和底片的放置。一般說(shuō)來(lái)，各種焊接接頭中，對(duì)接接頭最適宜底片的放置，對(duì)某一固定位置一次照射即可;而對(duì)于角接接頭，底片不易緊貼被檢焊接接頭表面，且對(duì)某一固定位置需要從多個(gè)透照方向進(jìn)行檢測(cè)才不至于漏檢。對(duì)接接頭兩側(cè)母材厚度不同時(shí)，圖1所示，兩側(cè)母材厚度差較大，且過(guò)渡陡峭，易導(dǎo)致底片黑度差過(guò)大，影響射線檢測(cè)靈敏度，其可靠性也得不到保障。圖2所示過(guò)渡有所平緩，但局部的厚度差仍會(huì)影響射線檢測(cè)的靈敏度和可靠性。圖3所示，將焊接接頭移到過(guò)渡段以外，變?yōu)閮蓚?cè)母材等厚焊接，消除了兩側(cè)母材因厚度差引起的問(wèn)題，射線檢測(cè)的靈敏度和可靠性得到保障。

對(duì)于超聲檢測(cè)，為使超聲檢測(cè)覆蓋整個(gè)檢測(cè)區(qū)、對(duì)缺陷進(jìn)行定量等，往往需要進(jìn)行雙面雙側(cè)超聲檢測(cè)，且探頭移動(dòng)區(qū)寬度應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，對(duì)于不等厚焊接的焊接接頭，應(yīng)設(shè)計(jì)有適當(dāng)?shù)谋诤襁^(guò)渡區(qū)，以使超聲檢測(cè)探頭移動(dòng)區(qū)寬度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。圖5的結(jié)構(gòu)形式就比圖4的結(jié)構(gòu)形式易進(jìn)行雙面雙側(cè)檢測(cè)，前者的超聲檢測(cè)靈敏度和可靠性也較后者高。

3 結(jié)語(yǔ)

為提高在用壓力容器焊接接頭無(wú)損檢測(cè)可靠性，應(yīng)著重做好以下幾點(diǎn)。

一是提高無(wú)損檢測(cè)人員的執(zhí)業(yè)素養(yǎng)和技術(shù)水平。首先，要加強(qiáng)無(wú)損檢測(cè)人員的法律意識(shí)和安全意識(shí)，使其充分認(rèn)識(shí)到無(wú)損檢測(cè)人員對(duì)其檢測(cè)結(jié)果直接負(fù)責(zé);其次，無(wú)損檢測(cè)人員要嚴(yán)格遵守職業(yè)操守，嚴(yán)格根據(jù)相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，排除外界干擾，做好無(wú)損檢測(cè)工作，客觀公正地出具檢測(cè)報(bào)告;再者，無(wú)損檢測(cè)人員應(yīng)不斷提高自身業(yè)務(wù)能力和技術(shù)水平，及時(shí)掌握相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的更新情況，關(guān)注無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展前沿動(dòng)態(tài)，合理選用無(wú)損檢測(cè)方法及其工藝，確保無(wú)損檢測(cè)的可靠性和有效性。

二是提高無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化程度，減少人為因素對(duì)無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中的影響。

三是在給定條件下，選用最適合的無(wú)損檢測(cè)方法和最優(yōu)的無(wú)損檢測(cè)工藝。由于每種無(wú)損檢測(cè)方法均具有各自的局限性，不能適用于所有在用壓力容器和所有缺陷，為提高無(wú)損檢測(cè)結(jié)果的可靠性，應(yīng)根據(jù)被檢壓力容器的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、運(yùn)行參數(shù)和使用環(huán)境，預(yù)計(jì)可能產(chǎn)生缺陷的性質(zhì)、部位、尺寸、延伸方向等，選擇最適合的無(wú)損檢測(cè)方法和最優(yōu)的無(wú)損檢測(cè)工藝。

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【個(gè)人簡(jiǎn)介】

蔡占河（1979-），男，高級(jí)工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)閴毫θ萜鳌毫艿罊z驗(yàn)及無(wú)損檢測(cè)和技術(shù)管理。