三維掃描和打印技術(shù)在壓力容器檢驗(yàn)中的應(yīng)用探析

韓鵬飛* 王正方 肖吉敏 李 凱 張金成

（1.淄博市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究 2.淄博職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué) 3.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)）

1 壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)簡(jiǎn)介

壓力容器是一種承壓類特種設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于石油、冶金、食品等工業(yè)領(lǐng)域，近年來，工程技術(shù)人員對(duì)激光應(yīng)用技術(shù)研究不斷深入，三維掃描技術(shù)和三維打印技術(shù)日趨成熟，其應(yīng)用范圍也愈來愈廣[1-2]。將三維掃描和打印技術(shù)應(yīng)用到壓力容器的檢驗(yàn)檢測(cè)中，一方面能夠提高工作效率和質(zhì)量，另一方面還能夠減少磁粉和滲透劑等物料的使用量，實(shí)現(xiàn)綠色檢測(cè)、健康檢測(cè)的目標(biāo)。

隨著《中國(guó)制造2025》實(shí)施和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，我國(guó)特種設(shè)備的使用數(shù)量不斷增長(zhǎng)。截至2021 年底，全國(guó)特種設(shè)備總量達(dá)1 816.23 萬臺(tái)，其中壓力容器有469.49 萬臺(tái)，另有氣瓶2.02 億只，如圖1 所示。全國(guó)共有特種設(shè)備綜合性檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)445 個(gè)，其中系統(tǒng)內(nèi)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)261 個(gè)，行業(yè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)和企業(yè)自檢機(jī)構(gòu)184 個(gè)。以山東省為例，2021 年共檢驗(yàn)承壓類特種設(shè)備141 827 臺(tái)，其中壓力容器119 289 臺(tái)，鍋爐22 538 臺(tái)；定檢率為100%，主要問題是設(shè)備腐蝕、安全附件失效及技術(shù)資料不完整。

圖1 2021年底全國(guó)各類特種設(shè)備的數(shù)量占比圖（單位：萬臺(tái)）

壓力容器檢驗(yàn)是一項(xiàng)法定檢驗(yàn)，沒有任何理由可以逃避。在實(shí)際檢驗(yàn)檢測(cè)工作中，同一臺(tái)設(shè)備中往往存在多種損傷模式，檢驗(yàn)人員必須用“共同體”思想來綜合性地完成檢驗(yàn)檢測(cè)，最終給出檢驗(yàn)結(jié)論并評(píng)定相應(yīng)的級(jí)別。

2 三維掃描與打印技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

三維激光掃描技術(shù)出現(xiàn)在20 世紀(jì)90 年代，之后研發(fā)的三維激光掃描系統(tǒng)使得這一技術(shù)快速發(fā)展且被廣泛應(yīng)用。三維激光掃描系統(tǒng)包括激光掃描儀和系統(tǒng)軟件，能夠獲取近距離、靜態(tài)物體表面的點(diǎn)云，并快速完成數(shù)據(jù)處理及建模工作。圖2 所示為手持式激光掃描儀。

圖2 手持式三維激光掃描儀

蔡景明等[3]將三維激光掃描技術(shù)有效地用到長(zhǎng)輸管道變形量的測(cè)量中，并對(duì)傳統(tǒng)工具、幾何變形檢測(cè)器和三維激光掃描3 種檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析比對(duì)，驗(yàn)證了該技術(shù)的高精度和可靠性。朱龍軍等[4-6]采用基于視覺跟蹤拼接和自由設(shè)站的三維激光掃描技術(shù)，將掃描的點(diǎn)云提取建筑條件點(diǎn)、高度和輪廓線，與傳統(tǒng)測(cè)量方式比較后，點(diǎn)位平面、高程、邊長(zhǎng)精度均符合要求，極大地提高了建筑驗(yàn)收測(cè)量的效率。劉永治等[7]提出了一種基于線激光掃描的零件三維表面檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可得到零件表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而可判斷出零件表面是否有缺陷,從而減少由缺陷造成的損失。

三維激光掃描技術(shù)在測(cè)繪方面具有較大優(yōu)勢(shì)，本文主要探討了手持式激光掃描系統(tǒng)作為一種檢測(cè)手段在壓力容器檢驗(yàn)中的應(yīng)用，該技術(shù)可以大大提高特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)的工作效率和檢測(cè)質(zhì)量。

3D 打印技術(shù)出現(xiàn)在20 世紀(jì)90 年代中期，不同于傳統(tǒng)的去除材料的加工模式，它是以數(shù)字模型文件為導(dǎo)向，利用光、電、熱等媒介將粉末或絲狀等可黏合材料逐層增加，來生成三維實(shí)體。目前的常用的3D 打印技術(shù)主要有融融沉積快速成型（FDM）、光固化成型（SLA）、三維粉末粘合（3DP）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、分成實(shí)體制造（LOM）、無模鑄型制造技術(shù)（PCM），其中FDM 類型的打印機(jī)因?yàn)閮r(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單，所以被廣大的創(chuàng)客和愛好者所追捧，同時(shí)也被應(yīng)用在中小學(xué)、職業(yè)學(xué)校、高等院校的日常教學(xué)中。圖3 是某3D 打印技術(shù)的工藝過程，圖4 是一臺(tái)常見的3D 打印機(jī)。

圖3 3D打印技術(shù)的工藝過程圖

圖4 3D打印機(jī)

查閱近幾年關(guān)于3D 打印的文章后發(fā)現(xiàn)，研究該技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的文章較多特別是關(guān)于牙齒、骨骼（髖關(guān)節(jié)）、器官引導(dǎo)治療方面的文章，同時(shí)也有大量研究混凝土3D 打印方面的文章。魏浩馨等[9-11]利用影像數(shù)據(jù)和三維體表信息，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，3D 打印出了一種個(gè)性化的、擬具備矯正頸椎曲度功能的頸椎治療枕。肖博豐等[12]綜合了相關(guān)的研究成果，闡述了混凝土3D 打印技術(shù)的材料與工藝研究、3D 打印混凝土的性能試驗(yàn)方法研究及混凝土3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究，并分析了3D 打印技術(shù)現(xiàn)階段存在的問題與不足，對(duì)混凝土3D 打印技術(shù)的研究方向進(jìn)行了展望。

在實(shí)際的應(yīng)用中，往往會(huì)將三維掃描和打印技術(shù)結(jié)合起來使用，比如在修復(fù)殘缺文物時(shí)，先用掃描儀將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字模型，然后利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)其殘缺部分進(jìn)行最合理的修復(fù)及優(yōu)化，再使用3D 打印機(jī)將修復(fù)后的模型變?yōu)閷?shí)物。圖5 是通過3D 打印完成的兩枚印章。

圖5 3D打印的兩枚印章

3 在制壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)的應(yīng)用

板焊結(jié)構(gòu)壓力容器適用于各種類型的壓力容器，其基本制造工序包括：下料、坡口加工、拼接、成形、組裝、焊接、開孔、無損檢測(cè)、熱處理、耐壓試驗(yàn)和泄漏試驗(yàn)等。制造過程中各工序特別是關(guān)鍵工序的質(zhì)量控制工作十分重要，且最終質(zhì)量驗(yàn)收檢查是不可或缺的環(huán)節(jié)，主要包括總體幾何尺寸檢查、總體宏觀質(zhì)量檢查、焊接接頭的無損檢測(cè)和整體結(jié)構(gòu)的耐壓試驗(yàn)及泄漏試驗(yàn)等。《中華人民共和國(guó)特種設(shè)備安全法》和《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》規(guī)定，對(duì)壓力容器的制造、安裝、改造和重大修理過程應(yīng)當(dāng)進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)，而且是強(qiáng)制性的法定檢驗(yàn)，未經(jīng)監(jiān)督檢驗(yàn)或者監(jiān)督檢驗(yàn)不合格的產(chǎn)品不得出廠或交付使用。目前，多數(shù)企業(yè)對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)外表面仍使用磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)等常規(guī)無損檢測(cè)方式實(shí)施檢測(cè)，檢測(cè)效率低、污染程度高。隨著3D 掃描和打印技術(shù)不斷發(fā)展，部分單位已經(jīng)開始應(yīng)用在某些壓力容器的宏觀檢測(cè)、尺寸核定、無損檢測(cè)等方面，并且取得了不錯(cuò)的效果。

3.1 在換熱器制造中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的機(jī)械制造過程中，一般采用人工測(cè)量或者三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等完成尺寸測(cè)量和形狀測(cè)繪，但對(duì)于體積過大或者過小以及形狀復(fù)雜的零件或設(shè)備，測(cè)量工作就難以完成，且需要進(jìn)行爬高等危險(xiǎn)作業(yè)。人工測(cè)量一般只能測(cè)量長(zhǎng)度、直徑等基本尺寸且誤差較大、效率較低，而使用三維掃描儀只需要一次完成整體掃描后，便可以獲取完整的三維數(shù)據(jù)（高處部分使用滾動(dòng)設(shè)備完成掃描，不需爬高），測(cè)量精度最高可達(dá)到0.03 mm。圖6 是某公司使用三維掃描系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)圖和獲取的三維數(shù)據(jù)。

圖6 某公司實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及獲取的數(shù)據(jù)模型

3.2 在制壓力容器無損檢測(cè)中的應(yīng)用

對(duì)于常規(guī)容器外表面及近表面缺陷，一般采用磁粉或者滲透檢測(cè)，存在效率低、誤差難以控制、有污染等缺點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可以結(jié)合三維掃描技術(shù)快速、準(zhǔn)確地完成部件的外觀檢測(cè)；如在驗(yàn)收外協(xié)加工的封頭或檢測(cè)本廠制造的封頭時(shí)，三維掃描后查看是否存在外表面裂紋，如果遇到需要記錄的特殊缺陷案例，還可以直接使用3D 打印機(jī)將掃描的模型打印成實(shí)物，便于技術(shù)人員研究形成缺陷的原因，從而進(jìn)一步優(yōu)化制造工藝。

在檢查焊接工藝時(shí)，也可以使用三維掃描系統(tǒng)獲取完整的焊接接頭數(shù)據(jù)，在電腦上形成三維模型并自動(dòng)對(duì)比焊縫參數(shù)及檢測(cè)有無裂紋等缺陷，對(duì)需要保存的典型模型直接導(dǎo)出并打印成實(shí)物。

4 在壓力容器定期檢驗(yàn)檢測(cè)中的應(yīng)用

4.1 在輔助工具制造中的應(yīng)用

磁粉檢測(cè)是傳統(tǒng)無損檢測(cè)方法中不可或缺的一種，缺陷檢出率較高且較為準(zhǔn)確、直觀。檢測(cè)用的標(biāo)準(zhǔn)試片是作業(yè)前必不可少的輔助工具，目的是驗(yàn)證整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度和有效性。通常使用透明膠帶或者其他自制工具將又薄又輕的試片固定在待檢體表面，效率較低且操作繁瑣。筆者在經(jīng)過大量的工程實(shí)踐后，研發(fā)設(shè)計(jì)了一款一體式磁粉檢測(cè)用試片固定裝置，并成功利用三維打印技術(shù)將其變?yōu)閷?shí)物，目前已應(yīng)用在罐體表面的磁粉檢測(cè)作業(yè)中，效果較好。該工具的原理是利用磁力吸附將試片夾在罐壁和該工具之間，從而實(shí)現(xiàn)快速固定和靈敏度驗(yàn)證，優(yōu)勢(shì)是提高檢測(cè)效率及實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用的目的。經(jīng)過與其他一線檢測(cè)人員溝通交流，他們對(duì)該工具非常滿意，同時(shí)也提出了很多建議，該工具已獲得了實(shí)用新型專利的授權(quán)。圖7 是一體式磁粉檢測(cè)用試片固定裝置實(shí)物。

圖7 一體式磁粉檢測(cè)用試片固定裝置實(shí)物圖

4.2 在外表面缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

筆者從事承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)工作已有5年，主要負(fù)責(zé)大容積鋼制無縫氣瓶的磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)工作，目的是檢測(cè)設(shè)備表面及近表面是否存在裂紋等缺陷。在使用大型固定式磁粉探傷機(jī)對(duì)瓶體外表面進(jìn)行磁粉檢測(cè)時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)開口缺陷，但往往取決于檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度、檢測(cè)人員的技術(shù)水平及疲勞程度等因素；在做磁粉檢測(cè)前，先用三維掃描系統(tǒng)掃描后得到模型數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷部位再使用磁粉檢測(cè)驗(yàn)證并確定缺陷的具體位置和大小（尤其是能夠提高微裂紋的檢出率），同時(shí)根據(jù)需要即時(shí)打印出缺陷案例模型，從而減輕檢測(cè)人員的工作強(qiáng)度，并提高檢測(cè)效率。目前，由于筆者缺乏高精度三維掃描系統(tǒng)和工業(yè)級(jí)3D 打印機(jī)，還未正式開展研究工作。圖8 是設(shè)備中長(zhǎng)細(xì)型的開口缺陷，圖9 是短粗型的開口缺陷。

圖8 長(zhǎng)細(xì)型開口缺陷

圖9 短粗型開口缺陷

對(duì)承壓類汽車罐車進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)需要檢驗(yàn)人員攜帶設(shè)備進(jìn)入罐體完成檢驗(yàn)作業(yè)，通常是對(duì)焊縫進(jìn)行100%滲透檢測(cè)（非鐵磁性材料制）或者熒光磁粉檢測(cè)（鐵磁性材料制）；狹小空間對(duì)于懸浮顆粒物來說特別敏感，少量的滲透劑等試劑在短時(shí)間內(nèi)就能讓人無法正常呼吸、視線模糊，嚴(yán)重影響滲透檢測(cè)的質(zhì)量。隨著三維掃描精度不斷提高，筆者認(rèn)為使用三維掃描儀輔助滲透檢測(cè)完成罐內(nèi)檢測(cè)作業(yè)，能夠改善惡劣的檢測(cè)環(huán)境并提高檢測(cè)質(zhì)量；作業(yè)時(shí)只需攜帶手持式三維掃描儀和手提電腦，由于不銹鋼制罐內(nèi)表面非常干凈光亮，完全能夠完成對(duì)焊接接頭等部位的掃描及建模檢測(cè)，比傳統(tǒng)滲透檢測(cè)的效率要高得多。近年來，常壓汽車罐車的安全運(yùn)行及檢驗(yàn)質(zhì)量越來越受到重視，各個(gè)省份均搭建了專門用于高效監(jiān)管常壓罐車運(yùn)行、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)的智慧平臺(tái)，三維掃描系統(tǒng)及3D打印技術(shù)的應(yīng)用無疑會(huì)提高其檢驗(yàn)質(zhì)量，比如通過內(nèi)部掃描建模來計(jì)算罐體容積等參數(shù)。圖10 是某不銹鋼罐體內(nèi)部封頭與筒體處的焊接接頭局部圖。

圖10 內(nèi)表面焊接接頭局部圖

5 結(jié)語(yǔ)

三維掃描和打印技術(shù)在智能制造、質(zhì)量檢測(cè)、文物復(fù)制等領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)顯而易見，本文通過綜述兩者在醫(yī)療、建筑等行業(yè)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，展現(xiàn)了其在壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)行業(yè)應(yīng)用的美好前景;探析了其在在制壓力容器檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)中的應(yīng)用，并利用3D打印機(jī)完成了缺陷封頭模型的試打印;研發(fā)設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用了一款一體式磁粉檢測(cè)用試片固定裝置，并獲得了實(shí)用新型專利的授權(quán)。