承壓設備監(jiān)理過程中無損檢測靈敏度的控制

(江蘇天達燃氣監(jiān)理有限公司， 南京 210037)

在承壓設備的制造過程中，焊接施工占有重要的地位，焊接質量在很大程度上決定了承壓設備的質量。焊接質量的檢查主要依靠專業(yè)的無損檢測。應用最廣泛的無損檢測方法有目視檢測、射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測和滲透檢測等。這些無損檢測方法專業(yè)性很強，對檢測操作的規(guī)范性要求很高，對檢測人員的技能水平和責任心要求也很高。只有符合相關檢測標準要求的合格的無損檢測才能滿足焊接質量檢查的要求。

近年來，國家對承壓設備的安全性要求越來越高,規(guī)范和標準對無損檢測的要求也越來越高。隨之而來的是用于無損檢測的成本支出也逐年提高。如何在控制好無損檢測質量，確保承壓設備安全運行的前提下，控制好無損檢測的造價,是設備監(jiān)理工程師必須關注的問題。故,合理地制定無損檢測的質量控制要求是解決此問題的關鍵。

1 無損檢測的質量控制

監(jiān)理想要做好無損檢測的質量控制，首先應明確無損檢測監(jiān)理的質量控制要求。無損檢測是利用專業(yè)技術手段對金屬結構中的缺陷進行探測的過程，其目的是檢測出超過標準或規(guī)范規(guī)定的缺陷。無損檢測監(jiān)理是對無損檢測單位進行的無損檢測過程實施的監(jiān)督檢查，以保證超標缺陷的檢出率在合理的可接受范圍內(nèi)。所謂“檢出率”就是已檢出的超標缺陷和實際存在的超標缺陷數(shù)量之比。這樣說比較容易理解，但是這僅僅是一個理想化的質量控制指標，因為實際存在的超標缺陷究竟有多少，只有對構件進行完全解剖或者進行精確地斷層掃描才能確認，而解剖會破壞構件的完整性，金屬結構的斷層掃描技術又尚未完全成熟。

因此在得不到準確“檢出率”的情況下，是無法使用“檢出率”來對檢測過程進行有效度量的，所以“檢出率”這個控制指標并沒有實際的意義。檢測過程所能達到的效果只能用檢測靈敏度來度量，也就是檢測過程所能發(fā)現(xiàn)的最小缺陷的尺寸——此處所提及的缺陷本應該是實際缺陷，但實際缺陷種類繁多、形狀復雜，用于度量檢測靈敏度并不方便，所以只能用形狀簡單、易于標準化的人工缺陷來模擬實際缺陷，從而對檢測靈敏度進行度量。即，滲透檢測和磁粉檢測使用的是帶有壓裂痕的靈敏度試塊和試片，超聲檢測使用的是試塊中的橫孔、平底孔和槽，射線檢測使用的是像質計的金屬絲。但人工缺陷和實際缺陷有明顯差別，用人工缺陷來度量實際缺陷的檢測靈敏度，可能會發(fā)生偏差。

2 實際焊接缺陷檢測靈敏度和人工缺陷檢測靈敏度

無損檢測質量控制指標應該是實際缺陷的檢測靈敏度。人工缺陷檢測靈敏度可以在一定程度上反應實際缺陷的檢測靈敏度，但不能完全代替實際缺陷檢測靈敏度。NB/T 47013-2015《承壓設備無損檢測》(以下簡稱NB/T 47013)標準中除了規(guī)定人工缺陷檢測靈敏度的具體要求外，還規(guī)定了與常規(guī)無損檢測方法相關的檢測程序、步驟、工藝參數(shù)和操作細節(jié)的要求，這些檢測要求對于實際焊接缺陷的檢測靈敏度也是十分重要的。

2.1 射線檢測

射線檢測中使用較多的人工缺陷是金屬絲像質計。就形態(tài)上來講，金屬絲和焊接缺陷有很大的差異。射線穿過像質計的金屬絲和穿過焊接缺陷的衰減量相差很大，其影像在底片上產(chǎn)生的黑度差也很大。 一般焊接缺陷的黑度大于母材的黑度，而像質計金屬絲的黑度比母材的要小，造成人工缺陷檢測靈敏度和實際焊接缺陷檢測靈敏度的對比效果不直觀，對焊接缺陷在厚度方向上的尺寸估計沒有參考作用。

標準NB/T 47013中的射線檢測部分，對像質計靈敏度的判定是這樣規(guī)定的：如果底片黑度均勻部位(一般是指臨近焊縫的母材金屬區(qū))能夠清晰地看到長度不小于10 mm的連續(xù)金屬絲影像時，則認為該金屬絲是可以識別的。也就是說像質計靈敏度所指的需識別的金屬絲在臨近焊縫的母材金屬區(qū)內(nèi)可識別，就可以滿足檢測標準的要求。對于在焊縫金屬區(qū)內(nèi)是否可識別沒有要求，而實際焊接缺陷大部分都是在焊縫金屬內(nèi)的。母材區(qū)厚度相同、表面平整，底片上母材區(qū)的黑度相同，金屬絲的影像識別不受干擾。而焊縫金屬區(qū)厚度不同、表面有波紋和溝槽，焊縫金屬區(qū)在底片上面的影像黑度時常會存在較大的梯度，焊縫缺陷的識別受到的干擾大。特別是在焊縫的中部，當焊縫的余高比較高時，黑度往往不達標或接近標準規(guī)定的下限，這就使缺陷的識別更加困難；也就是說當母材較薄，焊縫余高較高時，像質計靈敏度和焊接缺陷檢測靈敏度的關聯(lián)比較差。所以，完全依賴像質計靈敏度來判斷透照工藝是否合適是不全面的，還應當根據(jù)其選取的透照工藝參數(shù)(如底片的黑度、透照的厚度比、焦距、曝光電壓、底片的顆粒度等)的恰當程度來判斷，并且參照底片上焊縫影像的細節(jié)(焊縫表面的溝槽波紋等)的清晰程度作出判斷。像質計靈敏度和實際缺陷靈敏度同步形成，直接驗證實際缺陷的檢測過程。

2.2 超聲檢測

影響超聲波實際缺陷檢測靈敏度的因素主要有以下3個方面。

(1) 標準反射體檢測靈敏度。標準反射體檢測靈敏度是指在確定的探測范圍內(nèi)，最大聲程處發(fā)現(xiàn)規(guī)定大小和形狀的標準反射體(也就是在試塊中預先加工的標準尺寸和形狀的人工缺陷)的能力。標準反射體靈敏度是在實際焊接缺陷檢測開始之前在標準規(guī)定的試塊上進行調(diào)整的，對實際缺陷的檢測過程沒有同步的直接驗證作用。試塊內(nèi)的標準反射體的大小、形狀、位置都是已知的，其反射波很容易被發(fā)現(xiàn)，也很容易識別。

超聲波標準反射體靈敏度在相關標準中有明確的規(guī)定。過高的檢測靈敏度會使顯示屏上雜波增加，反而會對實際缺陷檢測靈敏度有不利影響。

(2) 檢測的完善程度。實際焊接缺陷比試塊中的標準反射體要復雜得多，其位置不確定，形狀不規(guī)則，性質也不確定，對聲波的反射有很大的差異。對于一些危險性較大的面狀缺陷，只有當聲束以接近垂直的方向入射時，才能獲得較高的反射波。發(fā)現(xiàn)實際焊接缺陷必須經(jīng)過一個搜索過程，搜索的徹底程度取決于檢測的完善程度，其主要包括掃查聲束是否覆蓋了整個檢測區(qū)域，聲速的入射角度是否滿足各類方向性強的缺陷檢出要求。其取決于檢“面”和“側”的數(shù)量，使用不同K值探頭的多少，是否檢測橫向缺陷，焊縫余高是否磨平，掃查區(qū)修模后達到的粗糙度，掃查方式是否完全，掃查速度及耦合條件等諸多因素。實際上也就是使?jié)M足聲能要求的聲束以利于各類實際缺陷檢出角度的方向穿過整個被檢測區(qū)域的完全程度。

(3) 對實際焊接缺陷波的識別與解讀。在實際焊接缺陷檢測中發(fā)生的邊角反射、表面溝槽反射、根部焊瘤反射等類非缺陷反射波比試塊中邊角反射波要復雜，容易發(fā)生誤判，或者造成缺陷漏檢。在掃查過程中，缺陷波往往是稍縱即逝的，如何能及時捕捉到缺陷波，隨即變化掃查方式或更換不同入射角的探頭，反復探測，使反射波高達到最大，正確地對缺陷定位、定量、甚至定性，是對操作者責任心和技能水平的較大考驗。NB/T 47013的第3部分6.3.14.1 明確要求對“超過評定線的信號，應注意其是否具有裂紋、未熔合、未焊透等類缺陷特征，如有懷疑時，應采取改變探頭折射角(K值)，增加檢測面，觀察動態(tài)波形并結合工藝特征做出判定，如對波形不能判斷時，應輔以其他檢測方法做綜合判定?！边@需要檢測人員具有比較豐富的操作經(jīng)驗和較高的技術水平，才能正確地解讀缺陷波的動態(tài)波形并結合結構工藝特征做出判斷。

2.3 磁粉檢測和滲透檢測

磁粉檢測中使用帶有人工刻槽的標準試片是非常重要的，其可以檢驗磁粉檢測設備、磁粉和磁懸液的綜合性能，了解被檢工件表面有效磁場強度和方向，有效檢測區(qū)是否完全覆蓋焊縫缺陷發(fā)生區(qū)域，以及磁化方向是否正確。但標準試片靈敏度和實際缺陷檢測靈敏度還是有明顯區(qū)別：靈敏度試片表面平整光滑，刻痕的顯示容易被觀察到，而焊縫表面粗糙且常帶有溝槽，雖然按照要求進行了修磨，但粗糙度很難達到標準試片的水平。實際缺陷形態(tài)復雜，有時隱藏在焊縫表面溝槽的底部不易觀察，標準試片靈敏度不能反映被測焊縫表面預處理的質量，這對于磁粉檢測實際缺陷檢測靈敏度是十分重要的。另一方面標準試片檢測和焊縫實際缺陷檢測不是完全實時同步的。標準試片的檢測條件和實際焊縫的檢測條件是否完全一致，存在不確定性。

滲透檢測人工缺陷標準試塊(試片)靈敏度也存在類似的局限性。此外滲透檢測的實際缺陷檢測靈敏度對被檢測表面的污垢、氧化皮、金屬屑十分敏感，這些東西很容易阻塞缺陷的開口，嚴重影響檢測效果。而滲透檢測靈敏度試塊(試片)表面是潔凈的。滲透檢測人工缺陷靈敏度無法反映實際缺陷檢測預清洗的質量。通過以上分析可以看出用人工缺陷確定檢測靈敏度，尚存在諸多不足之處，實際缺陷檢測靈敏度完全依賴人工缺陷檢測靈敏度作出判斷是不全面的。

3 無損檢測技術等級的選擇

為了適應各類承壓設備對無損檢測靈敏度的不同要求，NB/T 47013對各種常規(guī)無損檢測方法規(guī)定了不同的技術等級。

3.1 射線檢測

對射線檢測技術分為3級，即A級(低靈敏度技術)，AB級(中靈敏度技術)，B級(高靈敏度技術)；并明確承壓設備焊接接頭的射線檢測，一般應采用AB級射線檢測技術進行檢測。對重要的設備、結構、特殊材料和特殊焊接工藝制作的焊接接頭可采用B級技術進行檢測，射線檢測技術等級在相應的法規(guī)、規(guī)范、標準中有要求。采用B級技術進行檢測，會顯著增加檢測投入。設計人員在沒有充分依據(jù)的情況下，是不會要求用B級技術進行檢測的；在承壓設備標準中明確要求采用B級技術進行射線檢測的也很少見。所以，實際上對于絕大多數(shù)承壓設備焊接接頭的射線檢測，幾乎只有一個技術等級可以選擇，也就是AB級。

3.2 對接接頭超聲檢測

對接接頭的超聲檢測，NB/T 47013中也規(guī)定了A，B，C 3個檢測技術等級。就標準反射體靈敏度而言，3個技術級別都是一樣的，但在檢測的完全程度上存在很大的不同。B級技術要求檢測的“面”或“側”比A級技術的多，而且要求進行橫向缺陷檢查。C級比B級要求使用不同K值的探頭數(shù)多，且要求把焊縫余高磨平等。關于超聲檢測技術等級的選擇，NB/T 47013除了要求滿足制造、安裝標準、規(guī)范的規(guī)定和設計圖樣的規(guī)定外，明確規(guī)定承壓設備焊接接頭的制造、安裝時的超聲檢測，一般應采用B級技術等級進行。對于重要設備的焊接接頭可采用C級技術等級進行檢測。超聲檢測技術等級在相應的法規(guī)、規(guī)范、標準中有要求。絕大多數(shù)承壓設備，包括一些高強度鋼制造的高壓設備的制造、安裝規(guī)范和標準中都沒有明確要求采用C級超聲檢測技術等級進行檢測。

3.3 磁粉檢測

對磁粉檢測，NB/T 47013中沒有規(guī)定技術等級，但規(guī)定了不同規(guī)格的靈敏度試片，反映了檢測的不同靈敏度要求，同時也規(guī)定了常用的靈敏度試片規(guī)格，從而也確定了一般檢測的靈敏度要求。

3.4 滲透檢測

NB/T 47013規(guī)定，滲透檢測靈敏度等級分為A，B，C三級，其中A級最低，C級最高，但標準沒有對靈敏度等級的選擇做出說明。

4 實際缺陷檢測靈敏度的控制

4.1 常用無損檢測技術等級的最低要求和較高要求

(1) 射線檢測。NB/T 47013第2部分《射線檢測》中規(guī)定承壓設備焊接接頭的射線檢測一般應采用AB級射線檢測技術進行檢測。根據(jù)原則，射線檢測AB級靈敏度技術是承壓設備焊縫檢測的最低靈敏度要求。從滿足AB級靈敏度的最低要求到達到B級靈敏度技術要求之間，有相當大的空間對檢測靈敏度進行調(diào)控。例如，根據(jù)被檢測設備的結構條件和環(huán)境條件適當降低曝光電壓，降低固有不清晰度，適當加長焦距降低幾何不清晰度，盡可能降低透照厚度比，控制黑度至更合適的范圍，采取措施降低散射線對清晰度的影響，甚至可在施焊時對焊縫余高進行適當?shù)乜刂频取?/p>

(2) 超聲檢測。NB/T 47013第3部分 《超聲檢測》 中明確規(guī)定承壓設備焊接接頭在制造、安裝時的超聲檢測，對厚度在6～200 mm間的工件，一般應采用B級超聲檢測技術等級。同樣在滿足B級技術等級到滿足C級技術等級之間,也有一定的調(diào)控空間。C級區(qū)別于B級的主要規(guī)定是：C級要求將焊縫余高磨平。這是一項很費時費工的工作，檢測的投入大大增加，但對于橫向缺陷的檢出是很有效的。在不磨平焊縫余高的情況下，采用以下措施可以在一定程度上彌補橫向缺陷的檢測靈敏度：在焊縫兩側的斜平行掃查區(qū)，加大清理的力度以使掃查面更加光潔；增加多種K值、多種頻率的探頭的斜平行掃查；增加不同檢測人員的復測等。

(3) 磁粉與滲透檢測。NB/T 47013的第4部分《磁粉檢測》 中沒有靈敏度技術等級的規(guī)定，只明確要求磁粉檢測一般應選用A1，30/100型標準試片。

NB/T 47013的第5部分 《滲透檢測》 中對承壓設備制造檢測靈敏度等級如何選擇沒有具體的規(guī)定。

NB/T 47013.4中磁粉檢測和滲透檢測的適用范圍不僅包括焊縫，還包括經(jīng)過機械加工的法蘭、高壓螺栓等表面粗糙度較高的零件。焊縫表面粗糙時，缺陷顯示的觀察條件受到限制，過高的試塊或試片靈敏度并不能明顯提高實際缺陷檢出靈敏度，卻會大大增加檢測成本。提高磁粉檢測和滲透檢測實際缺陷檢測靈敏度的主要措施有：提高焊縫檢測面的準備質量，在檢測過程中嚴格保持與靈敏度試塊(試片)試驗時一致的檢測工藝條件。焊縫表面狀態(tài)對于磁粉檢測和滲透檢測的實際缺陷檢測靈敏度都有顯著的影響，被檢測焊縫表面處理的質量控制空間很大。檢測在這一環(huán)節(jié)的投入成本也可以有很大不同。此外還有很多措施可以提高檢測靈敏度，比如：① 磁粉檢測時選擇高質量的磁粉，嚴格控制磁懸液的濃度和磁懸液的污染程度，注意檢查電磁軛提升力，嚴格控制磁場強度和磁化范圍，使用交叉磁軛時確保4個磁極面和被檢測面之間接觸良好，連續(xù)拖動時嚴格控制速度不高于標準規(guī)定，增加反復磁化的次數(shù)等；② 滲透檢測時，選擇后乳化型和熒光型靈敏度較高的檢測方法，選擇高質量的滲透劑和清洗劑，更嚴格地控制預清洗的質量，去除多余滲透劑，加強乳化處理、干燥處理、顯像劑施加、缺陷觀察等操作的規(guī)范性等。

4.2 小結

綜上所述，4種常規(guī)無損檢測方法在滿足最低靈敏度要求的基礎上，都有相當大的空間對實際缺陷的檢測靈敏度進行調(diào)控。實際缺陷檢測靈敏度越高，缺陷的檢出率就越高，承壓設備的安全性就越有保障。但另一方面檢測靈敏度越高，檢測的投入就越大，檢測成本就越高。作為監(jiān)理工程師既要控制好無損檢測的質量，又必須控制好造價，片面追求高檢測靈敏度是不可取的。

4.3 討論

無損檢測實際缺陷檢測靈敏度，應根據(jù)承壓設備的具體情況分別確定。

例如，對于低碳鋼強度級別在42 g·mm-2以下，壁厚在14 mm以下的，使用條件一般的中低壓容器和壓力管道，可以適用較低的檢測靈敏度。注意，這里的“較低”指必須滿足NB/T 47013規(guī)定的最低靈敏度要求。承壓設備在以下幾種情況下，適用于較低靈敏度要求：① 該類材料焊接性能好， 不會出現(xiàn)淬硬組織，危險缺陷發(fā)生率低；② 低碳鋼有明顯的屈服平臺，塑性變形能力強，對應力集中不敏感；③ 壁厚薄，材料變形在壁厚方向受到的約束小，持續(xù)變形使應力集中鈍化，塑性區(qū)加大，應力分布趨于均勻化；④ 材料的塑性、韌性都比較好，導致承壓設備失效的缺陷臨界尺寸比較大；⑤ 低碳鋼屈強比低，設計許用應力低，該類承壓設備具有較充裕的強度儲備。

對于強度級別在60 kg·mm-2以上的低合金高強度鋼制造的壁厚在30 mm以上的高壓容器和高壓管道的無損檢測，應選擇較高的檢測靈敏度，這主要是因為：① 該類材料碳當量高，焊接性能較差，有可能出現(xiàn)馬氏體類淬硬組織，危險缺陷的發(fā)生率高；② 高強度鋼沒有明顯的屈服平臺，塑性變形能力差，對應力集中敏感，低應力脆斷風險高；③ 壁厚較厚，材料變形在壁厚方向受到較強的約束，持續(xù)加載不能使缺陷前部的塑性變形區(qū)持續(xù)擴大而只會使應力持續(xù)升高，達到材料的強度極限后即啟裂，引發(fā)裂紋擴展；④ 材料的塑性較差，導致裂紋失穩(wěn)擴展的面狀缺陷的臨界尺寸小，常常是開口很小的冷裂紋，具有很大的危險性且不易檢出；⑤ 高強度鋼屈強比高，設計許用應力高， 材料應變強化空間小，強度儲備低，安全裕量?。虎?承壓設備工作壓力高，運行風險大，一旦設備失效后果嚴重。

前一例涉及的中低壓容器和壓力管道的無損檢測費用，完全可以控制在無損檢測造價定額之內(nèi)；而后一例涉及的高壓容器和高壓管道的無損檢測費用，有可能超出無損檢測造價定額。因為不少地方的無損檢測造價定額只考慮板厚的影響，沒有考慮材料和使用條件的影響，而為了確保承壓設備的安全性，無損檢測不能完全受制于造價定額。但另一方面，提高檢測靈敏度應優(yōu)先選取成效顯著、成本低的技術措施，盡量降低造價。

5 結語

無損檢測的質量控制指標是實際缺陷檢測靈敏度，人工缺陷檢測靈敏度可以幫助檢測人員對實際缺陷檢測靈敏度做出判斷，但不應是判斷的全部依據(jù)。無損檢測監(jiān)理人員應當對那些人工缺陷檢測靈敏度不能反映的，但對實際缺陷檢測靈敏度有顯著影響的操作因素給予充分的關注。

NB/T 47013標準適用于在制和在用的金屬材料制承壓設備的無損檢測，而金屬材料制承壓設備種類繁多，從材料、結構、制造工藝到使用條件和安全運行風險都存在巨大差異。對于某一特定的承壓設備的無損檢測質量控制要求，應充分體現(xiàn)區(qū)別對待的原則，就是根據(jù)承壓設備的材料性能，如強度級別、塑性、韌性和可焊性，承壓設備的壁厚，對應力集中的敏感程度，主要失效模式，承壓設備的工作介質，壓力等級等情況，來制定不同的質量控制要求，切不可不分對象等同對待。無損檢測質量控制要求的確定，首先應滿足安全性要求，但也必須兼顧經(jīng)濟性要求。