無損檢測技術在承壓類特種設備檢驗中的應用與發展

蔣劍超，邊 緣

（西安特種設備檢驗檢測院，陜西西安 710000）

0 引言

作為與現代產業發展息息相關的特種設備，一方面是國民經濟的重要支撐，另一方面也是經濟發展不可忽視的推動力。特種設備目前的發展特點表現為發展規模全球領先、創新步伐不斷加快、安全綠色協同發展、國產特種設備國際市場占有率日益劇增和法治機制不斷完善。作為特種設備的分支，承壓類特種設備主要包括有壓力容器、壓力管道和鍋爐等[1]，并廣泛應用于食品、醫藥、石油、天然氣和化工等領域，一旦發生安全事故，便會對生命安全和財產安全造成不可估量的損害。

為了確保特種設備的安全運行，需要對特種設備的設計、制造、安裝和使用階段進行監管和檢測。檢測技術是保障承壓類特種設備安全有效生產和運行的關鍵因素[2]，近些年檢測技術的發展趨向于綠色環保、高效便利和經濟可行，應運而生的各種新技術和新設備助力檢驗檢測技術實現質的飛躍。其中，無損檢測技術應用最為廣泛，具有檢測速度快、精度高和無破壞性的特點。

1 無損檢測技術的特性和優勢

1.1 非破壞性

通過聲、光、電、磁等因素與被檢測對象相互作用，因材料內部結構異常或缺陷存在導致產生的變化，可以實現在不損害或不影響被檢測對象使用性能，不傷害被檢測對象內部組織的前提下，獲得檢測結果，包括對缺陷的類型、數量、位置、深度、尺寸等進行檢測。這一特性使得無損檢測具有靈活性和可靠性，并不影響最終的檢測結果。

1.2 互容性

互容性是指不同的檢測方法可以相互兼容，同一被檢測部位可以同時或者依次使用不同的方法進行檢驗，最終獲得可靠性更強的檢測結果，無損檢測所具備的互容性也是基于非破壞性。實際上，不同的無損檢測方法可以檢測到不同類型的缺陷，目前還沒有一種全能的無損檢測方法可以覆蓋所有的缺陷類型。

1.3 嚴格性

無損檢測的過程由無損檢測設備和無損檢測人員協同完成。因此，在特種設備的無損檢測環節中，無損檢測設備確保在有效的基礎上，嚴格按照相關規程和標準進行操作。除此之外，無損檢測人員需要嚴格地執行相關培訓，考核合格后方可進行無損檢測。這兩部分的嚴格執行，確保檢測結果的準確性和可靠性。

1.4 循證性

對于同一處被檢測部位，可能因為檢驗人員的不同，導致最終檢測結果產生變化，此外，對同一被檢測部位使用不同的檢測方法也可能會導致不同的檢測結果。針對不同檢測結果可能產生的分歧，需要進一步對同一被檢測部位，采用特定方法，由多個檢驗員進行檢測，并對最終檢測結果進行比較分析，以達到提升最終無損檢測結果的精確度。

1.5 全程性

在制造和安裝階段，主要驗證鑄造、鍛造、焊接和加工成型等工藝的可行性，實現改進和監督制造工藝，降低廢品率。在使用階段，無損檢測可以有效地發現使用過程中產生的因材質劣化、腐蝕開裂和疲勞開裂等引起的缺陷。動態性的意義在于可發現使用中的特種設備產生的安全隱患。

2 無損檢測技術的類型

近些年，無損檢測技術的發展不斷得到完善。基于無損檢測技術具備的特性和優勢，通過不斷提升檢測結果的精確性和科學性，在檢測效率提升的同時，也為特種設備的安全運行提供了堅實的安全保障，已廣泛應用于特種設備檢測。射線檢測技術、超聲檢測技術、磁粉檢測技術、滲透檢測技術和渦流檢測技術是目前幾種常見的無損檢測技術[3-8]，在本小結將主要對不同無損檢測技術及工作原理進行綜述。

2.1 射線檢測技術

射線檢測技術被廣泛應用于檢測特種設備的性能和結構[9]。目前，射線的種類分為x射線、γ射線和中子射線，其中，x射線和γ射線主要應用于焊縫缺陷檢測。射線檢測技術的原理主要是依靠x射線和γ射線穿透試件，基于射線穿過試件的衰減作用和照相作用，利用散射和吸收的現象來檢測被檢測試件的材料性能。當試件中存在的缺陷，便會影響射線的吸收，造成透過射線強度發生變化，并在底片上顯現影像得到檢測結果，根據底片上的黑度變化，判斷試件是否有缺陷，或者缺陷的種類、數量和大小等。

射線檢測技術具有良好的可追溯性，適宜檢測板厚較薄的工件，可以精準對缺陷定性，對于體缺陷的檢測效果要優于面缺陷的檢測效果，因此，對于氣孔和夾渣等體缺陷的檢出率要更高。

2.2 超聲波檢測技術

超聲波檢測具有指向性和小缺陷也能夠較好地反射等特點，主要應用于檢測試件的內部缺陷[10]。超聲波檢測技術主要有脈沖反射法、穿透法和共振法。目前，主要使用脈沖反射法進行無損檢測，根據缺陷的回波和底面的回波進行判斷，其中，縱波垂直探傷和橫波傾斜入射探傷是主要使用的兩種方式，前者更容易發現與被檢測部位的表面平行或傾斜角度較小的缺陷，主要包括鋼板、鍛件和鑄件等無損檢測，后者更容易發現與被檢測部位的表面垂直或傾斜角度較大的缺陷，主要應用于焊縫的無損檢測。

超聲波檢測技術對于面缺陷的檢出率較高，而體缺陷的檢出率并不樂觀，也更容易對缺陷在工件厚度方向上進行定位。其次，更適合檢驗厚度較大的工件。作為首選的內部缺陷檢測方法應用于包括板件、管材、鍛件和復合材料等。除此之外，檢測成本低、速度快、現場檢驗方便也是超聲波檢測技術的特點。

2.3 磁粉檢測技術

磁粉檢測技術廣泛地應用于鐵磁性材料表面和近表面的無損檢測中[11]，磁粉檢測的工作原理是鐵磁性材料（鐵、鈷和鎳及其合金等）被磁化后，在內部會產生很強的磁感應強度，磁力線密度會增加百倍甚至千倍，如果材料中存在缺陷造成不連續性和結構、形狀、材質等原因造成的不連續性，會導致磁力線發生畸變，并部分逸出材料表面，穿過空間形成漏磁場，使吸附在表面噴灑的干磁粉或者磁懸液形成與缺陷性狀接近的磁痕[12]。

磁粉檢測技術檢測成本低，速度快，對于表面裂紋的檢測靈敏度最高。但僅適宜鐵磁材料的無損檢測，不適應于對非鐵磁材料的檢測。此外，對于缺陷埋藏越深，缺陷的檢出率就會降低，甚至漏檢。

2.4 滲透檢測技術

滲透檢測技術的工作原理是通過在試件表面噴涂著色染料的滲透液，由于毛細管作用，滲透液會滲進表面開口的缺陷，然后進一步用清洗劑去除試件表面的滲透液后，通過噴涂顯像劑，同樣在毛細血管的作用下，缺陷會回滲到顯像劑上，從而探測出缺陷的形貌及分布狀態。

滲透檢測技術可以檢測形狀復雜的部件，工件的幾何形狀對滲透檢測的影響很小，并且可以憑借一次檢測就能檢出多個不同方向的缺陷，此外，所需儀器簡單，操作便捷。除疏松多孔性材料外，對于非鐵磁材料，滲透檢測是首選的無損檢測方，表現出較高的適應性。然而，滲透檢測技術對于表面的光滑度要求很高，粗糙度過高會影響最終的檢測效果，不同于磁粉檢測可以同時檢測表面和近表面缺陷，滲透檢測智能檢測出表面開口缺陷，檢測靈敏度也更低。除此之外，檢測工序多和速度慢，甚至所用檢測試劑依然有毒都限制了滲透檢測技術的應用。

2.5 渦流檢測技術

渦流檢測技術基于電磁感應理論，通過實驗線圈載有交變電流靠近導體工件，線圈產生的交變磁場使導體生成感應電流（即渦流），金屬材料產生渦流的大小和分布進一步檢測出鐵磁性和非鐵磁性材料的缺陷。渦流檢測技術可應用于制造工藝階段進行質量控制，也可為投入使用的設備，如熱交換管等設施進行定期檢驗，檢測導電金屬材料表面及近表面的宏觀幾何缺陷、涂層測厚、材質分選和電導率測量等。

渦流檢測技術的優點包括對各種導電材質的試件進行無損檢測，不需要接觸工件，也不需要耦合劑，可以在高溫環境下進行檢測，檢測速度快，效率高，并可實現對檢測結果進行數字化處理，對于表面和近表面缺陷的檢測精準度很高。目前渦流檢測技術多應用于管材和板材等軋制型材。

3 其他無損檢測技術

3.1 聲發射檢測技術

聲發射檢測技術是一種動態無損檢測方法主要檢測活動性缺陷。當材料或結構受到外力或內力產生變形或者斷裂，并以彈性波形式釋放出應變能，內部會發生從不穩定的高能量應力集中狀態過渡至低能量的穩定狀態，在這種自發形成的穩定狀態過程中，會釋放出彈性應力波，聲發射檢測技術是通過探測受力時材料發出的應力波來判斷容器內部結構損傷程度。材料在力的作用下可以產生多種聲發射信號，但目前無損檢測致力于關注裂紋的形成和擴展。聲發射檢測技術的特點具有可以探測活動的缺陷，為安全性評價提供依據，其次可以遠距離操作和監控。

3.2 衍射時差法超聲檢測技術

衍射時差法超聲檢測技術屬于超聲波檢測技術的一種，工作原理是通過采用一對頻率、尺寸和角度相同的縱波斜探頭一收一放相向對稱裝置，由大角度發射探頭向試件內發射一個短的超聲脈沖，若存在缺陷，則會先后經過試件上表面、缺陷上尖端、缺陷下尖端和底部，分別產生直通波、底面回波和缺陷上下尖端產生的缺陷波，最終探測缺陷和測定缺陷尺寸，對垂直于探測面缺陷的尺寸測量具有獨特的優勢，在結構焊縫檢測上的應用已經較為成熟。

衍射時差法超聲檢測技術的優勢明顯，可對缺陷的深度和尺寸進行精準量度。此外，對于垂直缺陷檢測效果十分理想，同時也可有效地實時監控裂紋的變化。不僅如此，也已成熟應用于厚度較厚壓力容器或表面溫度超過2000 ℃的設備。

4 總結

隨著科學技術不斷發展和日益更新，無損檢測應用于承壓類特種設備的檢測比重必將呈現上升的趨勢。盡管目前各種無損檢測技術針對不同類型的缺陷都表現出相對優異的缺陷檢出率，但依然還有需要根據不足改進的地方，以期望尋求更為全面、便捷、環保和經濟的檢測方法，幫助檢測人員更高效和精準地發現缺陷和消除缺陷，保障特種設備安全運行，最終實現企業安全生產。本文綜述了無損檢測的特點，以及各種不同無損檢測技術的工作機理，相匹配的使用條件，并總結優勢和局限，幫助無損檢測人員更好地應用到實踐中。希望新技術的不斷發展，實現多種無損檢測技術更為完美的融合，提升檢測精度，并反過來進一步推動技術發展。