大型壓力容器的超聲波無(wú)損檢測(cè)

徐麗潔 高小青 徐時(shí)恩

【摘 要】在對(duì)壓力容器缺陷類(lèi)型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)壓力容器的超聲波檢測(cè)原理和方法進(jìn)行了介紹，詳細(xì)探討了壓力容器不同缺陷產(chǎn)生的回波波形和波幅。在對(duì)焊接過(guò)程中造成壓力容器缺陷的主要因素及回波形式加以介紹的基礎(chǔ)上，對(duì)超聲波檢測(cè)壓力容器缺陷時(shí)進(jìn)行定位和定量測(cè)量的影響因素加以分析，以便同行工作者能夠在今后的工作中加以借鑒，提高超聲波檢測(cè)壓力容器的測(cè)量精度。

【關(guān)鍵詞】壓力容器 超聲波 缺陷

隨著技術(shù)水平和的進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，大體積壓力容器使用越來(lái)越多。一旦壓力容器發(fā)生泄露，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和無(wú)法彌補(bǔ)的災(zāi)難性危害，還極有可能帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境危害。因此，《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》強(qiáng)制規(guī)定：“壓力容器應(yīng)當(dāng)在投入使用前或滿(mǎn)3年時(shí)停機(jī)進(jìn)行全面檢驗(yàn)；下次的全面檢驗(yàn)周期，由檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)根據(jù)本次全面檢驗(yàn)結(jié)果按照有關(guān)規(guī)定確定”。無(wú)損檢測(cè)不會(huì)對(duì)被檢試件造成破壞，利用試件材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)異?；蛉毕菟鸬穆暋⒐?、電、磁等反應(yīng)來(lái)判斷被測(cè)試件的材料、零部件、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等是否發(fā)生或出現(xiàn)缺陷，并對(duì)產(chǎn)生的缺陷類(lèi)型、數(shù)量、性狀、位置、尺寸等做出評(píng)價(jià)。隨著壓力容器使用的日益廣泛，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在壓力容器檢測(cè)中所起的作用也越來(lái)越重要。超聲波檢測(cè)是最常用的一種無(wú)損檢測(cè)手段，具有設(shè)備體積小、對(duì)操作人員無(wú)傷害、對(duì)容器缺陷可以進(jìn)行定性和定量分析以及方位判斷、對(duì)于大體積的厚壁的容器可以靈活的進(jìn)行等特點(diǎn)，本研究針對(duì)大體積壓力容器尺寸大、焊縫長(zhǎng)、一般容器器壁較厚的特點(diǎn)，對(duì)使用超聲波技術(shù)對(duì)壓力容器各部位缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)方法做一介紹。

1 壓力容器缺陷類(lèi)型

壓力容器的缺陷包括表面缺陷和內(nèi)部缺陷兩大類(lèi)，表面缺陷可以直接觀察到，內(nèi)部缺陷主要是焊接缺陷和材料本身的雜質(zhì)缺陷。壓力容器缺陷類(lèi)型和產(chǎn)生原因如表1所示。

2 壓力容器超聲波檢測(cè)方法

超聲波檢測(cè)壓力容器過(guò)程中，主要有三種方法：一種是脈沖反射法，另一種是穿透法，還有一種是衍射時(shí)差法，各自原理如下。

2.1 脈沖反射法

脈沖反射法的檢測(cè)原理如圖1所示。

1-超聲波探頭；2-被檢工件；3-缺陷；4-顯示器

圖1 脈沖反射法原理圖

將脈沖振蕩器發(fā)生的電壓加到芯片上時(shí)，芯片發(fā)生振動(dòng)，產(chǎn)生了脈沖超聲波，超聲波以5900m/s的速度在容器器壁內(nèi)部傳播，如果遇到缺陷，超聲波被部分反射，未遇到缺陷的聲波則直到器壁底面才發(fā)生反射，依據(jù)晶面接收到的反射回來(lái)的超聲波的先后時(shí)間以及強(qiáng)弱大小，可以對(duì)壓力容器器壁是否存在缺陷以及缺陷的大小、部位進(jìn)行判斷。

2.2 脈沖穿透法法

脈沖穿透法檢測(cè)原理如圖2所示。

1-超聲波探頭；2-被檢工件；3-缺陷；4-顯示器

此方法是將被檢工件兩側(cè)各放置一個(gè)超聲波探頭，一個(gè)用來(lái)發(fā)射超聲波信號(hào)，一個(gè)用來(lái)接收超聲波信號(hào)，依據(jù)接收到的超聲波信號(hào)的強(qiáng)弱，可以對(duì)是否存在缺陷以及缺陷的大小進(jìn)行判斷，不過(guò)該方法僅能進(jìn)行缺陷識(shí)別，不能進(jìn)行位置的判斷。

2.3 衍射時(shí)差法

衍射時(shí)差法的檢測(cè)原理如圖3所示。

當(dāng)超聲波在傳輸過(guò)程中遇到不同介質(zhì)時(shí)（如裂紋上），在裂紋尖端會(huì)出現(xiàn)超聲波振動(dòng)效果，從而產(chǎn)生衍射波，采用合理的手段接收衍射波，利用幾何學(xué)原理和傳播時(shí)間就可以對(duì)裂紋尖端的位置和深度進(jìn)行測(cè)定。

3 脈沖反射法超聲波檢驗(yàn)的常見(jiàn)波形及缺陷類(lèi)型

利用脈沖反射法對(duì)壓力容器進(jìn)行檢驗(yàn)是目前使用最多的一種超聲波檢驗(yàn)方法[5]，因此對(duì)脈沖反射法超聲波檢驗(yàn)的常見(jiàn)波形及缺陷類(lèi)型進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，以便檢測(cè)人員能夠根據(jù)波形特征對(duì)壓力容器的缺陷類(lèi)型有一個(gè)初步了解。

3.1 單個(gè)小缺陷

如果容器內(nèi)部有一個(gè)單個(gè)的直徑較小小缺陷，則在顯示儀上表現(xiàn)出一個(gè)尖銳的單個(gè)回波，當(dāng)移動(dòng)探頭的時(shí)候，波幅會(huì)經(jīng)歷一個(gè)逐漸增大并減小至零的過(guò)程。波幅變化如圖4所示。

3.2 單個(gè)大缺陷（表面光滑）

如果容器內(nèi)部有一個(gè)單個(gè)的具有一定長(zhǎng)度和寬度的缺陷，則在顯示儀上表現(xiàn)出一個(gè)單獨(dú)尖銳回波，且當(dāng)探頭移動(dòng)時(shí)，波幅會(huì)平穩(wěn)的由零增至最大值，出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定平臺(tái)，然后又逐漸減小至零。波幅變化如圖5所示。

3.3 單個(gè)大缺陷（表面粗糙）

如果缺陷具有一定的長(zhǎng)度和寬度，且表面粗糙不平，則在顯示儀上表現(xiàn)出一個(gè)鋸齒峰，且移動(dòng)探頭時(shí)，波幅變化幅度較大；還有可能出現(xiàn)的一種形式是顯示儀上出現(xiàn)一個(gè)鐘形脈沖包絡(luò)形狀，表現(xiàn)為出現(xiàn)很多波峰，探頭移動(dòng)時(shí)，每個(gè)波峰在脈沖包絡(luò)中移動(dòng)，波幅由零增長(zhǎng)至最大值，又逐漸減弱至零，且波幅變化較大。波幅變化如圖6和圖7所示。

3.4 密集型缺陷

當(dāng)有密集型缺陷的時(shí)候，顯示儀上出現(xiàn)一組密集缺陷回波，像多個(gè)單獨(dú)缺陷的集合，移動(dòng)探頭時(shí)，波幅此起彼伏，高低不平。密集型缺陷的波幅變化圖如圖8所示。

4 焊縫的典型缺陷及其判斷

焊接質(zhì)量對(duì)壓力容器的質(zhì)量和安全影響很大，因此對(duì)焊縫中缺陷的類(lèi)型和產(chǎn)生原因做一介紹，以便檢驗(yàn)工作者在今后工作中做出有效準(zhǔn)確判斷。

4.1 氣孔

焊接過(guò)程中吸收或反應(yīng)產(chǎn)生了氣體，在金屬冷卻前未及時(shí)逸出，從而殘留在焊縫中形成氣孔，是體積型缺陷，危害較小。其在超聲波檢驗(yàn)中表現(xiàn)為反射率高，波形陡直尖銳，如果是一群氣孔密集出現(xiàn)，則表現(xiàn)為一簇信號(hào)，波幅高低不平。如果大型容器是采用單面焊雙面成型工藝時(shí)，有可能出現(xiàn)的情況是密集氣孔呈鏈狀分布，形似“八”字，也就是我們常說(shuō)的八字孔。在檢查過(guò)程中，要注意探頭應(yīng)與焊縫成一定夾角，以避免漏檢。

4.2 夾渣

夾渣表面粗糙，且有一定棱角，顯示儀上會(huì)出現(xiàn)寬度大且?guī)т忼X狀波形，波峰較圓潤(rùn)，移動(dòng)探頭時(shí)，信號(hào)滾動(dòng)明顯，當(dāng)探頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，波幅此起彼伏，從不同方向探測(cè)，波幅不同，平移探頭時(shí)，波幅有一定變化。

4.3 未焊透

如果在焊接過(guò)程中，由于操作不當(dāng)，發(fā)生未焊透的情況時(shí)，當(dāng)用超聲波檢測(cè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)回波出現(xiàn)時(shí)間很快，形成矩形波形，且在焊縫兩側(cè)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，情況大致相同；沿著焊道移動(dòng)探頭時(shí)，波幅變化不大，而當(dāng)探頭垂直焊縫轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，波形消失很快。

4.4 未熔合

當(dāng)未熔合發(fā)生在根部時(shí)，波形與單個(gè)氣孔的波形相似，不過(guò)為一連續(xù)波形。當(dāng)從焊縫兩側(cè)對(duì)未熔合部分進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，兩側(cè)的波形各不相同，甚至僅能在一側(cè)檢測(cè)出異常現(xiàn)象。由于其方向性很強(qiáng)，因此選用不同K值的探頭，回波波幅相差較大。

4.5 裂紋

如果焊接過(guò)程中出現(xiàn)裂紋，則在超聲波檢測(cè)過(guò)程中的回波波幅寬且強(qiáng)，有多峰現(xiàn)象出現(xiàn)，探頭平移時(shí)，連續(xù)出峰，且波幅有一定變化；探頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，波峰出現(xiàn)位錯(cuò)現(xiàn)象。

5 影響超聲波檢驗(yàn)的因素

在超聲波檢驗(yàn)過(guò)程中，有許多因素影響到檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此對(duì)這些因素做一個(gè)分析，以便檢驗(yàn)工作者提高定位、定量測(cè)量精度。

5.1 影響定位測(cè)量的因素

5.1.1 儀器的影響

主要是儀器水平線對(duì)缺陷定位影響較大，當(dāng)顯示儀水平線精度不準(zhǔn)時(shí)，缺陷定位的誤差較大；當(dāng)儀器水平線性不準(zhǔn)時(shí)，缺陷的定位誤差也較大。因此在進(jìn)行缺陷檢測(cè)時(shí)，首先要確保使用的超聲波儀器的精確度達(dá)到要求[7]。

5.1.2 探頭的影響

如果探頭性能不佳，有兩個(gè)主聲束被發(fā)出，則儀器自然無(wú)法檢測(cè)出缺陷是由那個(gè)聲束發(fā)現(xiàn)的，定位不可能準(zhǔn)確；如果聲束發(fā)聲后與中心線偏離，則缺陷定位無(wú)法做到精確；如果在操作過(guò)程中，探頭斜楔由于用力不當(dāng)出現(xiàn)磨損，當(dāng)斜楔前面磨損，則K值增大，反之，斜楔后面磨損，K值減少，都會(huì)影響到缺陷定位；探頭的半擴(kuò)角大小也會(huì)影響到缺陷定位，半擴(kuò)角越大，缺陷定位越不準(zhǔn)確。

5.1.3 工件影響

工件表面粗糙度、工件的材質(zhì)、表面形狀等都會(huì)影響到缺陷定位。表面越粗糙、曲率半徑越大，缺陷定位越難精確。

5.1.4 操作人員影響

由于操作人員的讀數(shù)誤差不完全相同，自然影響到缺陷定位準(zhǔn)確程度，此外，尤其需要注意針對(duì)不同的容器形狀需要選擇不同的缺陷定位方法，避免操作方法失誤，造成缺陷無(wú)法定位。

5.2 影響缺陷定量的因素

5.2.1 儀器和探頭性能的影響

超聲波儀器和探頭對(duì)缺陷定量影響很大，主要包括探頭形式、晶片尺寸、折射角大小和儀器的垂直線性、衰減器的精密程度、超聲波頻率等方面。因此在進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)時(shí)，應(yīng)注意選擇適合的儀器和探頭。

5.2.2 試件幾何形狀的影響

如果試件的底面是凹曲面，則會(huì)使聲波聚集，回波波幅升高，如果試件底面是凸曲面，則會(huì)使回波發(fā)散，回波波幅減小，如果試件是圓柱實(shí)心體，從圓柱外表面向內(nèi)表面檢測(cè)時(shí)，由于圓柱面耦合性差于平面，因此雖然理論上應(yīng)該與平面回波相同，實(shí)際中往往是較平面回波弱。而如果試件的底面與探測(cè)面不能保證平行、有污物、粗糙時(shí)，往往也會(huì)造成底波下降，從而導(dǎo)致底波調(diào)節(jié)偏高，定量誤差變大[8]。

5.2.3 耦合與衰減的影響

如果試件晶粒度較大，尺寸較大時(shí)，應(yīng)測(cè)量試件的半衰期，以免由于聲波衰減過(guò)快造成定量分析不準(zhǔn)確；當(dāng)探頭與靈敏調(diào)節(jié)試塊與被探工件表面耦合不同時(shí)，測(cè)量精度下降；耦合劑的耦合層也會(huì)對(duì)缺陷定量分析有影響。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)大型壓力容器的超聲波檢測(cè)技術(shù)原理進(jìn)行了介紹，并對(duì)檢測(cè)過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷類(lèi)型和缺陷產(chǎn)生波形加以描述，以便超聲波檢測(cè)工作者更好的對(duì)壓力容器的缺陷狀態(tài)有一個(gè)了解；

（2）針對(duì)焊接過(guò)程中引起的缺陷類(lèi)型和判斷方法進(jìn)行了介紹，并對(duì)檢測(cè)過(guò)程中的缺陷定位和定量影響因素加以分析，以便同行能更好的對(duì)壓力容器進(jìn)行準(zhǔn)確的檢驗(yàn)，保證生產(chǎn)安全。