無損檢測技術在承壓類特種設備檢驗檢測中的應用

彭武強，李昌盛，木貴軍，冉龍華，關文政

（麗江市質量技術監督綜合檢測中心，云南 麗江 674100）

隨著經濟社會的不斷發展，我國工業技術水平突飛猛進，各種高端裝備廣泛應用于工業生產和日常生活中，這些高端裝備撐起了國民經濟發展的脊梁。特種設備作為一類重要設備廣泛應用于石油化工、醫藥、食品、冶金和電力等行業中，在國民經濟發展和人們的日常生活中起到了舉足輕重的作用。

特種設備可按承壓類和機電類劃分，其中，承壓類主要包括鍋爐、壓力容器（含氣瓶）和壓力管道。承壓類特種設備由于其特殊性和危險性，在使用過程中稍有不慎就會引發安全事故，造成重大人身傷亡和財產損失。為了確保其安全運行，工業發達國家通過頒布極其嚴格的法律法規對其設計、制造、安裝和使用進行了嚴格的監管[1-5]。同時，檢驗檢測技術是保證承壓類特種設備產品制造質量和安全運行的重要手段，在質檢體系中占據重要位置，并得到了廣泛應用。大力發展綠色環保、高效便捷及經濟實用的檢驗檢測技術有助于預防并降低承壓類特種設備安全事故的發生，提高運行的安全經濟性，對國民經濟和社會的發展具有重要的推動作用。近年來，檢驗檢測新技術和新裝備層出不窮，為承壓類特種設備的安全經濟運行提供了強有力地支撐。本文主要概述了承壓類特種設備檢驗檢測中各種無損檢測技術的工作原理、特點及適用范圍，并對我國無損檢測事業的發展提出幾點建議。

1 承壓類特種設備檢驗檢測技術的分類

承壓類特種設備的工作環境較為惡劣，常伴隨著高溫高壓、有毒有害介質的存在，其一旦發生安全事故，將給人們的生命及財產安全造成重大威脅。因此，承壓類特種設備工作的安全性和穩定性至關重要。而特種設備檢測技術是保障其安全運行的重要技術手段。目前，承壓類特種設備的檢驗檢測方法主要分為宏觀檢查、電阻測定、理化檢驗和無損檢測四大類[6-11]，其中：①宏觀檢查的主要目的是探測特種設備外表面缺陷，獲得設備的基本質量狀況，進而為后續的檢驗項目實施提供依據。宏觀檢查主要包括目視檢查、放大鏡檢查和內窺鏡檢查等。②電阻測定主要是進行防靜電接地電阻和法蘭間的接觸電阻值的測定。常用的電阻測量方法有萬用表測量和絕緣電阻測試儀測量。③理化檢驗項目主要包括化學成分分析、金相檢驗、硬度測試和力學性能試驗。理化檢驗主要用于判定特種設備長期使用過程中出現的材料、性能等方面的變化。④無損檢測是以相關物理化學原理為理論基礎，通過先進的技術裝備對特種設備材質、狀態等方面存在的內外部缺陷進行檢查及測試，其優勢在于檢測全過程均不會對被檢測部件造成損傷。

2 承壓類特種設備檢驗檢測中各種無損檢測技術的工作原理及特點

無損檢測技術由于具備不損傷被檢部件、靈敏度高等諸多優點，在承壓類特種設備的各類檢驗檢測過程中得到廣泛運用。以下主要對各種無損檢測技術的工作原理及特點做簡要概述[12-23]。

2.1 射線檢測

射線檢測（RT）主要用于探測試件的內部缺陷，其所用射線分為X射線、γ射線和中子射線。在承壓類特種設備的焊縫及其他缺陷檢測中常使用X射線和γ射線。射線檢測可分為膠片射線檢測、射線數字成像檢測等多種方法。

射線檢測的原理：射線在穿透物體過程中會與物質發生相互作用，因吸收和散射而使其強度減弱。當被透照物體的局部存在缺陷時，該局部區域的透過射線強度就會與周圍產生差異。通過透過射線的作用使膠片感光，經暗室處理得到底片，然后根據底片上不同形狀的影像來判斷缺陷情況并評價試件質量。X射線檢測原理如圖1所示。

圖1 X射線檢測原理示意圖

射線檢測的主要特點：①檢測結果有直接記錄——底片，檢測信息豐富，保存時間長；②通過觀察缺陷在底片上圖像，可對其進行精確地定性及定量分析；③對氣孔、夾渣等三維型缺陷具有較高的檢出率；④適宜檢測較薄的工件，被檢測試件的厚度一般不超過100 mm；⑤比較適合檢測對接焊縫，對鍛件及板棒材等型材的缺陷檢出率較低。此外，射線檢測存在檢測成本高、效率低及危害人體健康等缺點。

2.2 超聲波檢測

超聲波檢測（UT）主要用于探測試件的內部缺陷，其原理是利用超聲波在物體中的多種傳播特性（如散射、反射和衍射等）來測知物體的尺寸、表面和內部缺陷、組織變化等。超聲波檢測根據原理不同可分為脈沖反射法、穿透法及共振法。目前最常用的是脈沖反射法，其原理如圖2所示。脈沖反射法在探傷過程中所使用的波形分為縱波和橫波兩種，其中縱波易于檢出與檢測面平行或傾角較小的缺陷，常用于鑄鍛件及金屬板材的檢測，而橫波則易于檢出與檢測面垂直或傾角較大的缺陷，常用于各種焊縫的檢測。

圖2 脈沖反射法原理示意圖

超聲波檢測的主要特點：①易于檢出二維型缺陷，對三維型缺陷的檢出率不高；②適宜檢測具有一定厚度的部件，不適宜檢測較薄的部件，其原因在于當厚度較小時，上下表面的形狀回波易與缺陷波混淆，波形較難區分；③可用于檢測各種類型的部件；④檢測效率高、經濟性好，現場檢測方便；⑤由于得不到缺陷的直觀圖像，無法進行精確地定性及定量分析；⑥檢測結果無直接見證記錄；⑦較難檢測粗晶粒原材料和焊接接頭中存在的缺陷；⑧當表面粗糙度較高時會對耦合及掃查造成影響，降低檢測精度。

2.3 磁粉檢測

磁粉檢測（MT）主要用于探測試件表面開口缺陷和近表面缺陷，其原理是鐵磁性材料（鐵、鈷、鎳、釓及其合金等）被磁化后，其內部產生很強的磁感應強度。當磁力線通過材料中的缺陷位置時會產生畸變，形成漏磁場（圖3）。此時在材料表面撒上磁粉，磁粉就會在漏磁場的作用下形成磁痕，從而顯示缺陷。

圖3 缺陷漏磁場示意圖

磁粉檢測的主要特點：①只能用于檢測鐵磁材料；②只能用于檢測表面及近表面缺陷；③檢測靈敏度高，可檢測出微小裂紋及其他缺陷；④檢測成本低，速度快；⑤難以檢測幾何結構復雜的工件。

2.4 滲透檢測

滲透檢測（PT）的原理：試件表面被施涂含有染料的滲透液后，通過毛細作用，滲透液會進入試件表面開口缺陷中，再經過清洗、顯像等工序，可將缺陷處的滲透液痕跡顯示出來，從而探測出缺陷的形貌及分布狀態。

滲透檢測的主要特點：①無法檢測疏松多孔性材料；②可用于檢測形狀復雜的試件；③可同時檢測不同方向的缺陷；④通常表面粗糙度值越低，檢測效果越好；⑤適用于檢測表面開口缺陷，無法檢測埋藏缺陷及閉合型的表面缺陷；⑥檢測效率低、成本較高；⑦檢測劑大部分易燃有毒，檢測人員必須做好安全防護。

2.5 渦流檢測概述

渦流檢測（ET）的理論基礎為電磁感應原理。當金屬試件位于交變磁場中時，在試件中會形成渦流，根據檢測到的試件中的渦流，就可以取得關于試件材質、缺陷和形狀尺寸等信息。

渦流檢測的主要特點：①可用于檢測各種類型的導電材質；②可檢出試件表面和近表面缺陷；③易實現自動化檢測，檢測效率高；④不適宜檢測形狀復雜的部件，常用于檢測管材和板材；⑤無法顯示缺陷圖像，因而不能判定缺陷性質；⑥深埋缺陷檢出率低（受集膚效應的影響）；⑦不適用于非導電的材料。

2.6 其他無損檢測技術

隨著科學技術的不斷進步，各種新型無損檢測方法不斷涌現并在承壓類特種設備檢驗檢測中得到應用。以下主要對承壓類特種設備檢驗檢測中幾種先進的無損檢測技術做簡單介紹。

2.6.1 衍射時差法超聲檢測

衍射時差法超聲檢測（TOFD）技術最初是被開發用作缺陷自身高度的測定工具。由于具有缺陷檢出率高、檢測結果可靠等優點，近年來在特種設備檢驗檢測行業中得到了廣泛認可和運用。TOFD是利用缺陷端點的衍射波信號進行檢測，其采用一發一收探頭的工作模式。當試件中存在缺陷時，到達接收探頭的超聲波信號依次為表面直通波、缺陷衍射波和底面反射回波。

2.6.2 聲發射檢測

聲發射檢測技術是通過探測受力時材料內部發出的應力波判斷承壓設備內部損傷程度，其主要用于在用承壓設備整個系統安全性評價。基本原理：材料在應力作用下發生裂紋產生與擴展、塑性變形和位錯運動時，其內部從不穩定的高能量應力集中狀態快速過渡到穩定的低能量狀態，在此平衡過程中釋放出來的多余能量會以彈性應力波形式表現，從而產生聲發射現象，通過分析接收到的聲發射信號對聲發射源作出評價和判斷，其主要用于檢測活動性缺陷。

2.6.3 超聲相控陣檢測

超聲相控陣檢測技術是借鑒相控陣雷達技術的原理發展起來的，目前已應用于石油天然氣管道環焊縫檢測等。

超聲相控陣檢測技術是利用電子方式控制相控陣探頭合成的聲束來實現超聲波發射、接收的檢測方法。由于其聲束角度可控且可動態聚焦，故可用于檢測復雜結構件、盲區位置缺陷等，能夠實現全方位、多角度地快速檢測。對于管形焊縫、管材等規則部件，還可提高檢測效率、降低成本。

2.6.4 射線數字成像檢測

射線數字成像檢測技術是使用數字探測器把射線光子轉換成數字信號，再由計算機處理顯示數字圖像的一種新型射線檢測技術。

射線數字成像檢測技術的主要特點：①可利用計算機軟件強大的圖像處理功能和多種手段得到信息豐富的數字圖像；②電子文檔資料數據庫檢索、調用等快速方便；③檢測結果可長期保存并可通過互聯網實現信息共享；④檢測效率高⑤可實現缺陷的自動識別及自動化檢測；⑥價格高昂、成本高。

3 承壓類特種設備檢驗檢測中無損檢測技術的應用特點

每一種無損檢測技術均有其能力范圍和局限性，因此在承壓類特種設備檢驗檢測中應用無損檢測技術時應掌握以下幾個方面的特點[24-26]。

3.1 無損檢測要與破壞性檢測相結合

無損檢測的優勢在于檢測過程中不會對被檢部件的結構、材料等造成損傷，故檢查率可達100%。然而，無損檢測技術自身也存在局限性，無法完成所有項目需要的檢測，某些項目只能采取破壞性檢測。因此，要對承壓類特種設備的狀況作出準確地判定，把2種技術的檢測結果結合起來，綜合分析。

3.2 正確選擇實施無損檢測的時間

要依據無損檢測目的正確選擇實施檢測的時機。例如，對高強鋼焊縫進行無損檢測時，要在焊接完成24 h以后再實施檢測，只有這樣才能檢測出焊縫中是否存在延遲裂紋。抓住正確的檢測時機至關重要，其直接關系到檢測結果的可靠性。

3.3 選用最適當的無損檢測技術

每種無損檢測技術都有其能力范圍和局限性。為了能夠得到可靠的檢測結果，必須針對被檢試件的特點（應綜合考慮材質、形狀、尺寸和經濟性等多種因素）正確合理地選用無損檢測技術。例如，檢測試件表面是否有微裂紋，應選用磁粉或滲透檢測，而不宜采用超聲波或射線檢測。與此同時，除了考慮技術層面的因素，還應充分考慮檢測的經濟性，做到既能保證被檢試件的質量安全，又能保證其經濟適用性。

3.4 綜合應用各種無損檢測技術

在實施無損檢測的過程中，要盡量綜合應用各種無損檢測技術，實現優勢互補，以便獲取更多關于被檢部件的檢測信息，從而得到較為準確和可靠的檢測結果。例如，超聲波對裂紋等面積型缺陷檢測靈敏度高，但卻不能準確地定性，而射線檢測在缺陷定性方面比較可靠，將2種檢測技術聯合運用可大幅提高檢測結果的可靠性。除此之外，還應結合被檢部件材質、制造工藝、結構等諸多因素對檢測結果進行綜合判定。

5 結束語

承壓類特種設備廣泛應用于人們的日常生產生活中，是我國經濟社會可持續發展的重要支撐力量。承壓類特種設備能否安全運行直接關系到國家財產安全和人民的生命健康。無損檢測技術作為保障特種設備安全運行的重要技術手段，近年來得到了長足的發展。隨著改革開放不斷深化，我國的無損檢測技術水平突飛猛進，與科技發達國家之間的差距不斷縮小，特種設備的檢測能力和裝備水平得到了空前的發展。但也應該清楚地認識到，隨著承壓類特種設備技術水平的不斷提升，特種設備正朝著大型化、復雜化和智能化發展，其測試和檢測方法越來越復雜，檢驗檢測工作的難度也越來越大，而我國目前的無損檢測技術水平已不能滿足日趨嚴峻的特種設備檢驗檢測狀況。因此，大力發展無損檢測技術，解決相關“卡脖子”問題，實現無損檢測技術的高質量快速發展迫在眉睫。只有無損檢測技術進一步發展才能更好地滿足我國特種設備檢驗檢測的需求，才能為我國特種設備的綠色安全運行保駕護航。筆者認為，現階段我國大力發展無損檢測技術和裝備水平，提升特種設備檢驗檢測能力，可從以下幾個方面入手。

1）人員方面。當前，我國的大部分檢測人員依然從事的是簡單的檢測操作，并依靠個人經驗進行相應的檢測結果判定，缺乏專業的檢測理論知識和系統的教育培訓，人員素質普遍較低。亟需培養大量的高素質無損檢測專業技術人員，打造一批高素質無損檢測團隊，以滿足現階段我國特種設備檢驗檢測事業的需求。

2）技術及裝備方面。當前，我國先進的無損檢測裝備和檢測技術主要依靠從國外引進，缺乏相關的核心技術，自主創新能力不足。要在現有基礎上不斷加強無損檢測方面的技術和理論創新，加大研發投入和研究力度，有針對性地提高研發領域的技術水平，推動無損檢測技術向自動化和高精準度等方向發展，開展大型設備可靠性、高效性和安全性研究，研制各種特種設備安全檢測裝備，使我國的無損檢測技術和裝備趕超國外先進水平。

3）制度方面。國家相關部門應進一步完善相關法律法規和檢測標準，提高無損檢測人員及企業的準入資質門檻，建立和完善特種設備安全監察及評價體系，牽頭搭建特種設備安全科技平臺，進一步強化安全監管。