陳劉輝

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院三明分院，福建三明 365000）

1 壓力容器定期檢驗(yàn)

壓力容器定期檢驗(yàn)作為保障容器安全運(yùn)行的關(guān)鍵措施，發(fā)揮了非常重要的作用。容器的定期檢驗(yàn)中，容器本體的檢驗(yàn)一般采用宏觀檢查、壁厚測(cè)量和表面缺陷檢測(cè)的方法進(jìn)行。但是對(duì)于盛裝有毒、有害介質(zhì)的容器，埋藏缺陷的檢測(cè)和監(jiān)控對(duì)于容器安全狀況的評(píng)定必不可少。超聲波檢測(cè)作為一種高靈敏度、高效率的檢測(cè)方法以及其不斷發(fā)展成熟的新方法、新工藝，在容器的定期檢驗(yàn)中得到了廣泛應(yīng)用。本文主要介紹壓力容器定期檢驗(yàn)中，脈沖反射式超聲檢測(cè)和衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)的組合應(yīng)用。

2 超聲檢測(cè)方法的介紹

超聲檢測(cè)方法分類方式有多種。按原理分類，可分為脈沖反射法、衍射時(shí)差法、穿透法和共振法；按顯示方式分類，可分為A 型顯示和超聲成像顯示（細(xì)分為B、C、D、S、P 型顯示）；按波形分類可分為橫波法、縱波法、表面波法、爬波法和板波法等。每個(gè)具體的檢測(cè)方法都是不同分類方式的組合，每種檢測(cè)方法都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的特性選擇不同的檢測(cè)方法，或者利用兩種以上方法的組合應(yīng)用，來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

超聲檢測(cè)方法很多，應(yīng)用比較多的有脈沖反射式超聲波檢測(cè)方法、衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)、超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)等。各種檢測(cè)方法都有優(yōu)缺點(diǎn)。脈沖反射式超聲檢測(cè)方法無(wú)法直觀地顯示缺陷的位置和記錄缺陷，其檢測(cè)結(jié)果受人為因素的影響較大，大多時(shí)候?qū)θ毕莸奈：π耘袛嘈枰浅ＸS富的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)。但是這種方法的檢測(cè)效率很高，檢測(cè)成本較低，檢測(cè)盲區(qū)較小。衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)的局限性在于檢測(cè)面和底面存在較大的盲區(qū)，對(duì)橫向缺陷的檢測(cè)不可靠。這種不可靠的產(chǎn)生主要是由于橫向條形缺陷或面狀缺陷在衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)非平行掃查圖像中的顯示很容易被誤判為點(diǎn)狀缺陷。當(dāng)然衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)有其獨(dú)特的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在檢測(cè)結(jié)果可以形成圖像記錄并保存、檢測(cè)靈敏度高、對(duì)缺陷高度和深度的測(cè)量精度高。

3 超聲檢測(cè)技術(shù)在容器定期檢驗(yàn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

壓力容器大都是將金屬材料通過(guò)焊接的方法制成的，而焊接質(zhì)量對(duì)容器的制造質(zhì)量起到關(guān)鍵性作用，所以對(duì)焊縫的無(wú)損檢測(cè)尤為重要。目前對(duì)埋藏缺陷檢測(cè)用得較多的方法有射線檢測(cè)、脈沖反射式超聲檢測(cè)、衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)等。衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)近年來(lái)在我國(guó)得到了迅速的發(fā)展，國(guó)家能源局于2010年8月27日發(fā)布了NB/T47013.10-2010《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)，該標(biāo)準(zhǔn)于 2010年12月15日實(shí)施。TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定壓力容器的對(duì)接接頭應(yīng)當(dāng)采用射線檢測(cè)或者超聲檢測(cè)，超聲檢測(cè)包括衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)（TOFD）、可記錄的脈沖反射法超聲檢測(cè)和不可記錄的脈沖反射法超聲檢測(cè)；當(dāng)采用不可記錄的脈沖反射法超聲檢測(cè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用射線檢測(cè)或者衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)作為附加局部檢測(cè)。

4 容器定期檢驗(yàn)中超聲檢測(cè)方法組合應(yīng)用

盛裝有毒、有害介質(zhì)的壓力容器，出于對(duì)成本和安全考慮以及一些生產(chǎn)中無(wú)法停機(jī)檢驗(yàn)的容器，在定期檢驗(yàn)中埋藏性缺陷的檢測(cè)可以通過(guò)采用衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)和脈沖反射式超聲檢測(cè)技術(shù)的組合應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在對(duì)一臺(tái)厚度為22mm 的150m3氮?dú)鈨?chǔ)罐的檢驗(yàn)中，由于生產(chǎn)需要，使用單位無(wú)法停機(jī)檢驗(yàn)，查閱了生產(chǎn)資料后，發(fā)現(xiàn)制造時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行了100%的射線檢測(cè)，射線檢測(cè)記錄顯示存在部分氣孔和一處條形夾渣缺陷，夾渣的長(zhǎng)度為5mm，缺陷的高度沒(méi)有體現(xiàn)。針對(duì)這一結(jié)果，該設(shè)備的檢驗(yàn)，除了常規(guī)的檢驗(yàn)項(xiàng)目外，還應(yīng)該關(guān)注制造時(shí)存在缺陷的部位，制造缺陷是否在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生了擴(kuò)展對(duì)評(píng)定該設(shè)備的安全狀況十分重要。

采用衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)和脈沖反射法超聲檢測(cè)組合應(yīng)用，對(duì)有缺陷部位和應(yīng)力集中部位進(jìn)行埋藏性缺陷的檢測(cè)，衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)布置如圖1所示，檢測(cè)圖譜如圖2所示。

圖1 衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)布置示意圖

圖2 缺陷圖譜示意圖

檢測(cè)結(jié)果中點(diǎn)狀顯示數(shù)量略多于射線檢測(cè)，條形缺陷深度為17.2mm，長(zhǎng)度為5.9mm，高度為1.5mm。將衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)結(jié)果與射線檢測(cè)記錄對(duì)比，檢測(cè)結(jié)果基本吻合。但是由于衍射時(shí)差法是通過(guò)傳播時(shí)間來(lái)判斷缺陷的深度和高度的，經(jīng)過(guò)衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的條形缺陷只能初步判定是射線底片上的條形夾渣，并不能完全確定，主要是因?yàn)橐韵?點(diǎn)。

1）衍射時(shí)差法有兩種掃查方式，即平行掃查和非平行掃查。由于平行掃查需要將焊縫磨平，本次檢測(cè)采用非平行掃查方式，這種掃查方式一般是在對(duì)焊縫整體掃查時(shí)使用的，非平行掃查采用偏置和對(duì)中掃查，圖2為對(duì)中掃查發(fā)現(xiàn)的缺陷圖譜，圖3為向上偏置掃查圖譜，圖4為向下偏置掃查圖譜，雖然理論上可以通過(guò)偏置掃查來(lái)初步確定缺陷的橫向位置，但是受到探頭參數(shù)、偏置距離以及缺陷位置的影響，有些缺陷的具體位置難以確定，如圖3和圖4所示缺陷的位置基本沒(méi)有變化，可以初步判斷缺陷可能位于焊縫的中心附近，但是要確定缺陷的準(zhǔn)確位置還需要通過(guò)缺陷的深度等信息來(lái)綜合判斷。如果采用脈沖反射式超聲檢測(cè)，可以很快確定該缺陷在焊縫上的橫向位置和深度。

圖3 向上偏置掃查圖譜示意圖

圖4 向下偏置掃查圖譜示意圖

（2）由于衍射時(shí)差法存在一個(gè)等時(shí)橢圓線的關(guān)系（圖5），如果缺陷在焊縫中心則測(cè)量的深度是比較準(zhǔn)確的，但是如果缺陷不在焊縫中心，此時(shí)測(cè)量缺陷的深度就存在一定的偏差，這也增加了對(duì)缺陷定位的難度。

圖5 衍射時(shí)差法存在一個(gè)等時(shí)橢圓線的關(guān)系示意圖

衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)面和底面存在較大的盲區(qū)，本次檢驗(yàn)所用參數(shù)試塊上實(shí)測(cè)得到檢測(cè)面盲區(qū)高度約為2mm，底面盲區(qū)高度理論計(jì)算值3.9mm，當(dāng)然檢測(cè)面盲區(qū)高度是在偏置掃查的情況下得到的，試塊表面耦合情況較好，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)檢測(cè)面的耦合條件較差。加之其對(duì)橫向缺陷顯示的局限性，所以需要通過(guò)脈沖反射式超聲檢測(cè)方法來(lái)彌補(bǔ)這些局限性，從而提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性。本次脈沖反射式超聲檢測(cè)采用一次反射法和斜掃查2種掃查方法，探頭型號(hào)：2.5P9×9K2，檢測(cè)結(jié)果顯示缺陷位于焊縫中心，且缺陷的深度與衍射時(shí)差法測(cè)量所得到的深度基本相同，最終確定了該缺陷與射線檢測(cè)得到的缺陷是同一個(gè)。結(jié)合脈沖反射式超聲檢測(cè)法的應(yīng)用，不僅減小了底面檢測(cè)盲區(qū)，而且運(yùn)用斜平行掃查進(jìn)一步對(duì)焊縫的橫向裂紋進(jìn)行了檢測(cè)，從而提高了檢測(cè)可靠性。

容器定期檢驗(yàn)中采用衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)一個(gè)很重要的意義是對(duì)焊縫已經(jīng)存在的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)結(jié)果來(lái)判斷缺陷的危害性，了解缺陷是否在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生了擴(kuò)展。當(dāng)然缺陷的擴(kuò)展必然是朝裂紋方向發(fā)展，所以了解裂紋的顯示特征非常重要。裂紋是面積型缺陷，圖像顯示最明顯的特征是有上下端點(diǎn)衍射信號(hào)且信號(hào)的相位相反，上端點(diǎn)信號(hào)相位與直通波相反，下端點(diǎn)信號(hào)相位與直通波相同。當(dāng)然信號(hào)相位的觀察是在信號(hào)波幅相差不大的情況下。制造時(shí)焊接產(chǎn)生的裂紋上下端點(diǎn)一般都不太規(guī)則，在深度平面上很少是一條直線，但也有一些焊接過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋，上端點(diǎn)被后面的焊接所熔化，因此看上去上端點(diǎn)可能比較平直。對(duì)于脈沖反射式超聲檢測(cè)而言，定性是個(gè)難點(diǎn)，需要非常豐富的經(jīng)驗(yàn)。一般情況下裂紋的波幅較高且波形不平滑有時(shí)成雙波峰狀，探頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)波幅逐漸降低。超聲檢測(cè)對(duì)于焊接缺陷的定性較為復(fù)雜，需要結(jié)合焊接工藝、檢測(cè)工藝、缺陷位置、圖像或波形特征等各方面因素綜合評(píng)定。

5 組合應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)和局限性

兩種方法組合應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）靈敏度高，提高了缺陷檢出率。

（2）可以精確計(jì)算出缺陷的高度，為后期擴(kuò)展的監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

（3）檢測(cè)結(jié)果可以直接生成圖像，直觀且可以永久保存。

（4）減小上下表面盲區(qū)。

（5）準(zhǔn)確定位缺陷位置，為缺陷的定性提供參考。

當(dāng)然兩種方法的組合應(yīng)用也存在局限性，主要表現(xiàn)在以下2點(diǎn)。

（1）對(duì)晶粒較粗和各向異性的材料檢測(cè)難度大。

（2）對(duì)缺陷定性較困難，檢測(cè)人員的技術(shù)水平要求較高。

6 結(jié)語(yǔ)

壓力容器定期檢驗(yàn)主要是在使用一定時(shí)間后對(duì)容器的安全狀況進(jìn)行檢查，所以對(duì)制造時(shí)焊縫埋藏缺陷的高度進(jìn)行監(jiān)控就顯得尤為重要。射線檢測(cè)對(duì)缺陷高度的測(cè)量誤差較大，影響因素較多。衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)對(duì)缺陷高度的測(cè)量精度很高，而且可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的長(zhǎng)期保存。所以衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)埋藏性缺陷的監(jiān)控是有效的。通過(guò)與上次定期檢驗(yàn)中缺陷高度的比較，可以判斷缺陷的擴(kuò)展及危害。這為容器的安全狀況評(píng)定和監(jiān)控使用情況提供了參考和依據(jù)。而脈沖反射式超聲檢測(cè)方法的補(bǔ)充，很大程度上減少了衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)的盲區(qū)，確定了缺陷的位置，結(jié)合衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)圖譜為缺陷的定性提供了參考。衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)和脈沖反射法超聲檢測(cè)的組合應(yīng)用，為埋藏缺陷的檢測(cè)提供了可靠的方法。