韓鵬飛* 王正方 肖吉敏 李 凱 張金成

（1.淄博市特種設備檢驗研究 2.淄博職業(yè)學院 機電工程學 3.山東理工大學 機械工程學）

1 壓力容器檢驗檢測簡介

壓力容器是一種承壓類特種設備，被廣泛應用于石油、冶金、食品等工業(yè)領域，近年來，工程技術人員對激光應用技術研究不斷深入，三維掃描技術和三維打印技術日趨成熟，其應用范圍也愈來愈廣[1-2]。將三維掃描和打印技術應用到壓力容器的檢驗檢測中，一方面能夠提高工作效率和質量，另一方面還能夠減少磁粉和滲透劑等物料的使用量，實現綠色檢測、健康檢測的目標。

隨著《中國制造2025》實施和國民經濟的持續(xù)發(fā)展，我國特種設備的使用數量不斷增長。截至2021 年底，全國特種設備總量達1 816.23 萬臺，其中壓力容器有469.49 萬臺，另有氣瓶2.02 億只，如圖1 所示。全國共有特種設備綜合性檢驗機構445 個，其中系統內檢驗機構261 個，行業(yè)檢驗機構和企業(yè)自檢機構184 個。以山東省為例，2021 年共檢驗承壓類特種設備141 827 臺，其中壓力容器119 289 臺，鍋爐22 538 臺；定檢率為100%，主要問題是設備腐蝕、安全附件失效及技術資料不完整。

圖1 2021年底全國各類特種設備的數量占比圖（單位：萬臺）

壓力容器檢驗是一項法定檢驗，沒有任何理由可以逃避。在實際檢驗檢測工作中，同一臺設備中往往存在多種損傷模式，檢驗人員必須用“共同體”思想來綜合性地完成檢驗檢測，最終給出檢驗結論并評定相應的級別。

2 三維掃描與打印技術的應用現狀

三維激光掃描技術出現在20 世紀90 年代，之后研發(fā)的三維激光掃描系統使得這一技術快速發(fā)展且被廣泛應用。三維激光掃描系統包括激光掃描儀和系統軟件，能夠獲取近距離、靜態(tài)物體表面的點云，并快速完成數據處理及建模工作。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有效地用到長輸管道變形量的測量中，并對傳統工具、幾何變形檢測器和三維激光掃描3 種檢測結果進行了分析比對，驗證了該技術的高精度和可靠性。朱龍軍等[4-6]采用基于視覺跟蹤拼接和自由設站的三維激光掃描技術，將掃描的點云提取建筑條件點、高度和輪廓線，與傳統測量方式比較后，點位平面、高程、邊長精度均符合要求，極大地提高了建筑驗收測量的效率。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系統，該系統可得到零件表面的三維點云數據，進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。

三維激光掃描技術在測繪方面具有較大優(yōu)勢，本文主要探討了手持式激光掃描系統作為一種檢測手段在壓力容器檢驗中的應用，該技術可以大大提高特種設備檢驗檢測的工作效率和檢測質量。

3D 打印技術出現在20 世紀90 年代中期，不同于傳統的去除材料的加工模式，它是以數字模型文件為導向，利用光、電、熱等媒介將粉末或絲狀等可黏合材料逐層增加，來生成三維實體。目前的常用的3D 打印技術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（SLS）、分成實體制造（LOM）、無模鑄型制造技術（PCM），其中FDM 類型的打印機因為價格低廉、操作簡單，所以被廣大的創(chuàng)客和愛好者所追捧，同時也被應用在中小學、職業(yè)學校、高等院校的日常教學中。圖3 是某3D 打印技術的工藝過程，圖4 是一臺常見的3D 打印機。

圖3 3D打印技術的工藝過程圖

圖4 3D打印機

查閱近幾年關于3D 打印的文章后發(fā)現，研究該技術在醫(yī)療領域應用的文章較多特別是關于牙齒、骨骼（髖關節(jié)）、器官引導治療方面的文章，同時也有大量研究混凝土3D 打印方面的文章。魏浩馨等[9-11]利用影像數據和三維體表信息，通過計算機輔助設計，3D 打印出了一種個性化的、擬具備矯正頸椎曲度功能的頸椎治療枕。肖博豐等[12]綜合了相關的研究成果，闡述了混凝土3D 打印技術的材料與工藝研究、3D 打印混凝土的性能試驗方法研究及混凝土3D打印技術的應用研究，并分析了3D 打印技術現階段存在的問題與不足，對混凝土3D 打印技術的研究方向進行了展望。

在實際的應用中，往往會將三維掃描和打印技術結合起來使用，比如在修復殘缺文物時，先用掃描儀將其轉變?yōu)閿底帜Ｐ停缓罄糜嬎銠C軟件對其殘缺部分進行最合理的修復及優(yōu)化，再使用3D 打印機將修復后的模型變?yōu)閷嵨?。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 在制壓力容器檢驗檢測的應用

板焊結構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、熱處理、耐壓試驗和泄漏試驗等。制造過程中各工序特別是關鍵工序的質量控制工作十分重要，且最終質量驗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、總體宏觀質量檢查、焊接接頭的無損檢測和整體結構的耐壓試驗及泄漏試驗等?！吨腥A人民共和國特種設備安全法》和《特種設備安全監(jiān)察條例》規(guī)定，對壓力容器的制造、安裝、改造和重大修理過程應當進行監(jiān)督檢驗，而且是強制性的法定檢驗，未經監(jiān)督檢驗或者監(jiān)督檢驗不合格的產品不得出廠或交付使用。目前，多數企業(yè)對產品的內外表面仍使用磁粉檢測、滲透檢測等常規(guī)無損檢測方式實施檢測，檢測效率低、污染程度高。隨著3D 掃描和打印技術不斷發(fā)展，部分單位已經開始應用在某些壓力容器的宏觀檢測、尺寸核定、無損檢測等方面，并且取得了不錯的效果。

3.1 在換熱器制造中的應用

在傳統的機械制造過程中，一般采用人工測量或者三坐標測量機等完成尺寸測量和形狀測繪，但對于體積過大或者過小以及形狀復雜的零件或設備，測量工作就難以完成，且需要進行爬高等危險作業(yè)。人工測量一般只能測量長度、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據（高處部分使用滾動設備完成掃描，不需爬高），測量精度最高可達到0.03 mm。圖6 是某公司使用三維掃描系統進行測試的現場圖和獲取的三維數據。

圖6 某公司實驗現場及獲取的數據模型

3.2 在制壓力容器無損檢測中的應用

對于常規(guī)容器外表面及近表面缺陷，一般采用磁粉或者滲透檢測，存在效率低、誤差難以控制、有污染等缺點。在實際生產過程中，可以結合三維掃描技術快速、準確地完成部件的外觀檢測；如在驗收外協加工的封頭或檢測本廠制造的封頭時，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 打印機將掃描的模型打印成實物，便于技術人員研究形成缺陷的原因，從而進一步優(yōu)化制造工藝。

在檢查焊接工藝時，也可以使用三維掃描系統獲取完整的焊接接頭數據，在電腦上形成三維模型并自動對比焊縫參數及檢測有無裂紋等缺陷，對需要保存的典型模型直接導出并打印成實物。

4 在壓力容器定期檢驗檢測中的應用

4.1 在輔助工具制造中的應用

磁粉檢測是傳統無損檢測方法中不可或缺的一種，缺陷檢出率較高且較為準確、直觀。檢測用的標準試片是作業(yè)前必不可少的輔助工具，目的是驗證整個檢測系統的靈敏度和有效性。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。筆者在經過大量的工程實踐后，研發(fā)設計了一款一體式磁粉檢測用試片固定裝置，并成功利用三維打印技術將其變?yōu)閷嵨?，目前已應用在罐體表面的磁粉檢測作業(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，從而實現快速固定和靈敏度驗證，優(yōu)勢是提高檢測效率及實現循環(huán)利用的目的。經過與其他一線檢測人員溝通交流，他們對該工具非常滿意，同時也提出了很多建議，該工具已獲得了實用新型專利的授權。圖7 是一體式磁粉檢測用試片固定裝置實物。

圖7 一體式磁粉檢測用試片固定裝置實物圖

4.2 在外表面缺陷檢測中的應用

筆者從事承壓類特種設備檢驗檢測工作已有5年，主要負責大容積鋼制無縫氣瓶的磁粉檢測和滲透檢測工作，目的是檢測設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對瓶體外表面進行磁粉檢測時，經常會發(fā)現開口缺陷，但往往取決于檢測系統的靈敏度、檢測人員的技術水平及疲勞程度等因素；在做磁粉檢測前，先用三維掃描系統掃描后得到模型數據，對發(fā)現的缺陷部位再使用磁粉檢測驗證并確定缺陷的具體位置和大?。ㄓ绕涫悄軌蛱岣呶⒘鸭y的檢出率），同時根據需要即時打印出缺陷案例模型，從而減輕檢測人員的工作強度，并提高檢測效率。目前，由于筆者缺乏高精度三維掃描系統和工業(yè)級3D 打印機，還未正式開展研究工作。圖8 是設備中長細型的開口缺陷，圖9 是短粗型的開口缺陷。

圖8 長細型開口缺陷

圖9 短粗型開口缺陷

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

圖10 內表面焊接接頭局部圖

5 結語

三維掃描和打印技術在智能制造、質量檢測、文物復制等領域應用的優(yōu)勢顯而易見，本文通過綜述兩者在醫(yī)療、建筑等行業(yè)的應用研究現狀，展現了其在壓力容器檢驗檢測行業(yè)應用的美好前景;探析了其在在制壓力容器檢驗和定期檢驗中的應用，并利用3D打印機完成了缺陷封頭模型的試打印;研發(fā)設計、制造、應用了一款一體式磁粉檢測用試片固定裝置，并獲得了實用新型專利的授權。