球形儲罐的無損檢測技術(shù)

謝艷奇

(洛陽欣隆工程檢測有限公司，河南洛陽 471012)

球形儲罐的無損檢測技術(shù)

謝艷奇

(洛陽欣隆工程檢測有限公司，河南洛陽 471012)

綜述了球形儲罐在制造、安裝和使用過程中不同階段可能出現(xiàn)的缺陷和分別采用的各種無損檢測方法，包括射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測、滲透檢測等技術(shù)。分別介紹了這些無損檢測方法的特點。

球形儲罐;射線與超聲檢測;磁粉檢測與滲透檢測;在用球形儲罐檢驗

壓力容器按幾何形狀分類，有球形容器、圓筒形容器、錐形容器和組合形容器四大類。球形容器由于其幾何形狀的中心對稱性，因此受力最均勻，在相同的壁厚條件下，球形容器的承載能力最高，反之，在同樣的內(nèi)壓條件下，球形容器所需要的壁厚最薄，在相同的容積條件下，球形容器的表面積最小，因此，在儲存相同壓力和體積物料的條件下，采用球形容器最節(jié)約鋼材，而且占地面積最小。

球形容器的結(jié)構(gòu)由球殼和支座兩部分組成，球殼由許多塊球瓣組焊而成，球瓣的拼接方式一般有足球式分瓣和橙皮式分瓣兩種。國內(nèi)建造的球形儲罐大部分為橙皮式分瓣，通常將球面比照地球分為五部分，即赤道帶、南溫帶、北溫帶、南極板(即底版)和北極板(即頂板)。支座的形式主要有支柱和裙座兩類，一般小型球形容器采用裙座式，大于50m3的球罐采用赤道正切支柱式。由于球形儲罐的幾何尺很大，再加上運輸?shù)南拗疲渲圃爝^程為先在壓力容器制造廠壓好球瓣，預(yù)焊好支柱，然后運輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行總體組裝，因此采用的無損檢測方法必須適于現(xiàn)場操作。球形儲罐在使用過程中，內(nèi)部易受介質(zhì)的影響，外部易受大氣環(huán)境的影響，某些情況下可產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂;球罐支柱的角焊縫是應(yīng)力集中最大的部位，也是在用檢驗的重點。本文根據(jù)球形儲罐制造、安裝和使用的特點，簡單介紹了在不同階段采用的無損檢測技術(shù)的特點。

1 球形儲罐制造中采用的無損檢測技術(shù)

球形儲罐在工廠的制造工藝過程包括球殼鋼板的切割及壓制成型，人孔、接管和支柱的焊接等;在工廠制造過程中對無損檢測的要求為球殼鋼板的超聲檢測，球殼板坡口的磁粉或滲透檢測，人孔、接管和支柱焊縫的磁粉或滲透檢測;檢測標(biāo)準(zhǔn)JB4730－1994《壓力容器無損檢測》。

對球殼用鋼板進(jìn)行超聲檢測的主要目的是發(fā)現(xiàn)板材在冶煉和軋制過程中產(chǎn)生的白點、裂紋和分層等缺陷。并非所有球殼用鋼板都需超聲檢測，GB12337－1998《鋼制球形儲罐》規(guī)定，凡符合一定條件的球殼用鋼板，必需逐張進(jìn)行超聲檢測，即①厚度≥30 mm的20R和16MnR鋼板;②厚度≥25 mm的15MnVR和15MnVNR鋼板;③厚度≥20 mm的16MnDR和09Mn2VDR鋼板;④調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨的鋼板;⑤上下極板和與支柱連接的赤道板。

鋼板超聲檢測選用縱波直探頭，6～20 mm厚的鋼板需選用晶片面積≥150 mm2的5MHz雙晶直探頭，檢測用試塊為臺階標(biāo)準(zhǔn)試塊;20～250 mm厚的鋼板需選用的直徑為Φ14～25 mm的圓晶片，或面積≥200 mm2的方晶片2.5MHz單晶直探頭，檢測用試塊為Φ5mm平底孔標(biāo)準(zhǔn)試塊。鋼板的超聲檢測按JB 4730的規(guī)定，熱軋、正火狀態(tài)供貨的鋼板質(zhì)量等級應(yīng)不低于Ⅲ級，調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨的鋼板質(zhì)量等級應(yīng)不低于Ⅱ級。

鋼板在切割好后，球殼板周邊＜100 mm內(nèi)應(yīng)進(jìn)行100%超聲檢測，檢測工藝與上述要求相同。對于標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度下限值σb＞540 MPa的鋼材，氣割坡口表面應(yīng)進(jìn)行磁粉或滲透檢測。另外，還要對人孔、接管和支柱焊縫的表面進(jìn)行磁粉或滲透檢測。

2 球形儲罐安裝中采用的無損檢測技術(shù)

2.1 射線與超聲檢測

GB 12337 標(biāo)準(zhǔn)第8.6.4.1規(guī)定，凡符合下列條件之一的球殼對接接頭，應(yīng)按圖樣規(guī)定的檢測方法，進(jìn)行100%的射線或超聲檢測，即①厚度δs＞30 mm的碳素鋼和16MnR鋼制球罐;②厚度δs＞25 mm的15MnVR和15MnVNR鋼制球罐;③材料標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度下限值σb＞540 MPa的鋼制球罐;④進(jìn)行氣壓試驗的球罐;⑤圖樣注明盛裝易燃和毒性為極度危害或高度危害物料的球罐;⑥圖樣規(guī)定須進(jìn)行100%檢測的球罐。

對于進(jìn)行100%射線或超聲檢測的焊接接頭，是否采用超聲或射線檢測進(jìn)行相互復(fù)檢，以及復(fù)檢的長度，由設(shè)計者在圖樣上予以規(guī)定。

除上述規(guī)定以外的焊接接頭，允許做局部射線或超聲檢測，具體檢測方法按圖樣規(guī)定。檢測長度不得少于各條焊接接頭長度的20%，而且某些部位必需全部進(jìn)行檢測，即①焊縫的交叉部位;②嵌入式接管與球殼連接的對接接頭;③以開孔中心為圓心，1.5倍開孔直徑為半徑的圓內(nèi)所包容的焊接接頭;④公稱直徑≥250 mm的接管與長頸法蘭、接管與接管對接的焊接接頭;⑤凡被補強圈、支柱、墊板和內(nèi)件等所覆蓋的焊接接頭。

檢測標(biāo)準(zhǔn)按JB 4730進(jìn)行，射線照相的質(zhì)量要求應(yīng)不低于AB級。對100%檢測的對接接頭，檢測結(jié)果不低于Ⅱ級為合格;對局部檢測的對接接頭，檢測結(jié)果不低于Ⅲ級為合格。對于100%超聲檢測的對接接頭，I級為合格;局部檢測的對接接頭，不低于Ⅱ級為合格。

射線檢測使用的探傷設(shè)備包括X射線探傷機和γ射線探傷機，一般X射線探傷機適用于厚度小于50mm的鋼板，75Seγ源檢測厚度范圍為10～40 mm，192lr γ源檢測厚度范圍為20～100 mm，60Co γ源檢測厚度范圍為40～200 mm。球形儲罐射線探傷特別適合采用γ源，將γ源放在球罐的中心，一次透照即可完成所有焊縫的檢測，效率很高。

超聲檢測適用于母材厚度＞8mm，全焊透熔化焊對接焊縫內(nèi)部缺陷的檢測。采用的儀器為A型脈沖反射式超聲波探傷儀，儀器的工作頻率范圍為1～5MHz。采用的探頭一般為2～5MHz的K值探頭，利用一次反射法在焊縫的單面雙側(cè)對整個焊接接頭進(jìn)行檢測。當(dāng)母材厚度＞46 mm時，采用雙面雙側(cè)的直射波檢測。對于要求比較高的焊縫，根據(jù)需要可將焊縫余高磨平，直接在焊縫上進(jìn)行檢測。檢測區(qū)域的寬度是焊縫本身加上焊縫兩側(cè)各相當(dāng)于母材厚度30%的一段區(qū)域，而且最小為10mm。

2.2 磁粉檢測與滲透檢測

由于球形儲罐在現(xiàn)場安裝焊接，工作條件較差，易出現(xiàn)表面裂紋，因此對重要部位的焊縫，其表面應(yīng)進(jìn)行磁粉滲透檢測。GB 12337規(guī)定，符合下列條件的部位應(yīng)按圖樣規(guī)定的方法，進(jìn)行表面檢測，即:①嵌入式接管與球殼連接的對接接頭表面;②焊補處的表面;③工卡具拆除處的焊跡表面和缺陷修磨處的表面;④支柱與球殼連接處的角焊縫表面;⑤凡進(jìn)行100%射線或超聲檢測的球罐上公稱直徑＜250 mm的接管與長頸法蘭、接管與接管對接接頭表面。

磁粉或滲透檢測前應(yīng)打磨受檢表面至露出金屬光澤，并應(yīng)使焊縫與母材平滑過渡。檢測標(biāo)準(zhǔn)按JB4730進(jìn)行，檢測結(jié)果Ⅰ級合格。

3 在用球形儲罐檢驗采用的無損檢測技術(shù)

為了確保壓力容器安全運行，世界各國對壓力容器均采用運行期間內(nèi)的定期檢驗制度。壓力容器在用檢驗分不停止運行的外部檢驗和停止運行后的內(nèi)外部全面檢驗。外部檢驗的周期一般為1～2年，內(nèi)外部全面檢驗的周期一般為5～10年。

對于新投入使用的球形儲罐，如使用標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度下限值σb≥540 MPa的材料制造，投用1年后應(yīng)當(dāng)開罐進(jìn)行全面檢驗;否則，最長可到投用3年后開罐進(jìn)行全面檢驗。球罐的年度檢查內(nèi)容包括使用單位壓力容器安全管理情況檢查、球罐本體及運行狀況檢查和安全附件檢查等。檢查方法以宏觀檢查為主，必要時進(jìn)行測厚和腐蝕介質(zhì)含量測定。如需檢查球罐外表面是否有疲勞裂紋或應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生，可采用表面裂紋電磁檢測的方法。

在用球罐的開罐全面檢驗周期一般為6年，但對安全狀況等級為1級或2級的球罐，在實測介質(zhì)對材料腐蝕速率每年低于0.1mm或者內(nèi)部有熱噴涂金屬(鋁粉或者不銹鋼粉)涂層，并通過1～2次全面檢驗確認(rèn)腐蝕輕微者，開罐全面檢驗周期最長可以延長至12年。球罐的開罐全面檢驗的重點是在運行過程中受介質(zhì)、載荷、溫度和環(huán)境等因素的影響而產(chǎn)生的腐蝕、沖蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、疲勞開裂和材料劣化等缺陷，因此除宏觀檢查外，還應(yīng)包括磁粉檢測、滲透檢測、超聲檢測、射線檢測等無損檢測方法。由于球罐的檢測在其安裝使用的現(xiàn)場進(jìn)行，受檢測條件的限制，因此，采用的無損檢測方法為適用于現(xiàn)場應(yīng)用的技術(shù)，采用的無損檢測儀器均為適用于現(xiàn)場檢測的便攜式儀器。

目前在用球罐全面檢驗采用常規(guī)無損檢測方法和聲發(fā)射檢測方法兩種模式。常規(guī)無損檢測方法的模式為，對內(nèi)外表面焊縫和焊疤部位進(jìn)行100%磁粉或滲透檢測，對接焊縫內(nèi)部進(jìn)行20% ～100%超聲檢測，對超聲檢測發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部超標(biāo)缺陷進(jìn)行射線檢測以確定缺陷的性質(zhì)，并為返修確定具體部位。這種檢測方法一般用于焊縫內(nèi)部無已知超標(biāo)缺陷或超標(biāo)缺陷很少的球罐，但該法所需的檢驗時間相對較長。采用聲發(fā)射檢測方法的模式為，球罐停用后首先進(jìn)行水壓試驗和聲發(fā)射檢測，然后對聲發(fā)射檢測指定的活性源部位進(jìn)行表面檢測和超聲檢測復(fù)驗，并適當(dāng)擴大表面檢測的比例到20%以上，對超聲檢測發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部超標(biāo)缺陷進(jìn)行射線檢測照相以確定缺陷的性質(zhì)，并為返修確定具體部位;這種檢測方法一般用于已知焊縫內(nèi)部存在或可能存在大量超標(biāo)缺陷的球罐，聲發(fā)射檢測可以從大量超標(biāo)缺陷中識別出活性缺陷進(jìn)行返修;對于無超標(biāo)缺陷的球罐，采用此種模式，也可大大縮減開罐檢驗的時間，減少停產(chǎn)損失。然而，值得提醒的是，對于一些較小的表面裂紋，耐壓試驗過程中可能不產(chǎn)生聲發(fā)射定位源信號，因此，聲發(fā)射檢測有時不能發(fā)現(xiàn)小的表面裂紋。

3.1 表面檢測

表面檢測方法是在球罐停產(chǎn)進(jìn)行全面檢驗中首選的無損檢測方法。表面檢測的部位為球罐的對接焊縫、角焊縫、工卡具拆除處的焊跡表面等。鐵磁性材料對接焊縫的表面一般采用磁粉檢測方法，球罐的外部一般采用濕式黑磁粉檢測，內(nèi)部由于照明條件不好，通常采用熒光磁粉檢測，角焊縫無法采用磁粉檢測時可用滲透檢測。非鐵磁性材料的表面采用滲透檢測，壓力容器的內(nèi)部采用熒光滲透檢測，壓力容器的外部采用著色滲透檢測。

3.2 超聲檢測

在用球罐的全面檢驗一般采用超聲檢測方法對對接焊縫進(jìn)行抽查或100%檢測，以發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部可能出現(xiàn)的疲勞裂紋或已存在的焊接埋藏缺陷，對于不易打開的球罐也可從外部檢測球罐焊縫的內(nèi)表面裂紋，對于球罐外部有保溫覆蓋層的情況，也可從球罐的內(nèi)部對焊縫外表面出現(xiàn)的裂紋進(jìn)行檢測，但超聲檢測方法一般只能發(fā)現(xiàn)1mm深、5mm長以上的表面裂紋。由于超聲波探傷儀體積小、質(zhì)量輕，十分便于攜帶和操作，而且與射線相比對人體無害，因此在在用球罐檢驗中得到廣泛使用。

目前，超聲檢測主要發(fā)現(xiàn)的還是球罐安裝過程中漏檢的氣孔、夾渣、未熔合和未焊透等原始焊接缺陷。許多情況下對超標(biāo)的焊接缺陷采取缺陷安全評定的方法予以保留，而安全評定需要知道缺陷的長度和自身高度。超聲檢測方法的特點是可以較精確測出焊縫內(nèi)缺陷的長度和自身高度，為缺陷的安全評定提供缺陷的幾何尺寸數(shù)據(jù)。新修訂的JB 4730規(guī)定超聲檢測缺陷自身高度測量方法有缺陷端點衍射波法、端部最大回波法和6dB法等，但目前使用測量精度最高的方法是缺陷端點衍射波法，精度達(dá)0.5～1mm。另外，在國外超聲檢測的TOFD法和全息成像法已得到推廣應(yīng)用，這些方法可以對內(nèi)部缺陷得到更直觀和更精確的數(shù)據(jù)，目前國內(nèi)也已啟動這些方法的研究和應(yīng)用工作，因此將來這些方法在球罐的定期檢測中必將發(fā)揮重要作用。

3.3 射線檢測

對于在用壓力容器的全面檢驗，射線檢測方法主要用于板厚＜12 mm的壓力容器對接焊縫內(nèi)部埋藏缺陷的檢測，因為薄板采用超聲檢測有一定難度，而采用射線檢測不需要太高的管電壓。由于球形儲罐的壁厚一般20 mm，適合進(jìn)行超聲檢測，因此目前大部分在用球罐的全面檢驗很少采用射線檢測方法。但對于20世紀(jì)80年代前制造安裝的球罐，由于當(dāng)時質(zhì)量控制不嚴(yán)，許多焊縫內(nèi)存在大量的超標(biāo)缺陷，因此全面檢驗時通常采用射線檢測方法。檢測時將源放在球罐內(nèi)部的中心，一次幾個小時的透照即可完成100%對接焊縫的檢測，效率很高。另外，對于超聲檢測發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)缺陷，通常采用射線檢測進(jìn)行復(fù)驗，以進(jìn)一步確定這些缺陷的性質(zhì)和具體部位，為缺陷返修提供依據(jù)。

4 結(jié)論

無損檢測技術(shù)在球罐的制造、安裝和使用過程中，對保證其質(zhì)量和安全運行扮演極其重要的角色。對于制造過程，以球殼板的超聲波檢測方法為主;對于安裝過程，以對接焊縫的射線或超聲檢測方法為主;對于在用過程的定期檢驗，以表面檢測和聲發(fā)射檢測方法為主。另外，電磁渦流檢測和磁記憶檢測等新技術(shù)在在線檢測方面已開始得到應(yīng)用。隨著新的無損檢測技術(shù)的發(fā)展，必將有一些檢測速度更快、靈敏度和可靠性更高、缺陷顯示更直觀的新方法在球罐的檢測中得到應(yīng)用。

TQ050.7

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1003－3467(2010)12－0049－03

2010－04－28