超聲波技術(shù)在鍋爐壓力容器檢測(cè)中的運(yùn)用

馮選明

（呂梁市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，山西呂梁 033000）

0 引言

鍋爐壓力容器廣泛應(yīng)用于能源、化工、軍工等產(chǎn)業(yè)，在使用過(guò)程中處于高溫、高壓狀態(tài)。如果制造質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán)，服役期間檢測(cè)不到位，就會(huì)因存在缺陷而損壞，甚至發(fā)生爆炸事故。超聲波檢測(cè)既可及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼板軋制、冷熱成型加工及焊接等制造過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，也可發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的新缺陷及制造缺陷的擴(kuò)展。超聲波檢測(cè)技術(shù)具有不破壞被檢對(duì)象、設(shè)備攜帶方便、適于在各種場(chǎng)所使用等優(yōu)勢(shì)，被普遍運(yùn)用于鍋爐壓力容器檢測(cè)當(dāng)中。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和智能化、信息化等方面的要求，超聲波檢測(cè)技術(shù)仍需不斷地完善。

1 運(yùn)用原理

超聲波技術(shù)能夠清楚呈現(xiàn)出鍋爐壓力容器缺陷，主要利用超聲波的物理特性呈現(xiàn)宏觀(guān)缺陷。在采用超聲波技術(shù)檢測(cè)鍋爐壓力容器時(shí)，超聲波束進(jìn)入鍋爐壓力容器材料、焊縫內(nèi)部，遇到了存在的缺陷，若a≥λ（超聲波波長(zhǎng)為λ，缺陷尺寸為a），則產(chǎn)生反射波，該信息會(huì)經(jīng)由探傷儀反映出來(lái)；若a＜λ，則不會(huì)產(chǎn)生反射波，探傷儀也不會(huì)有對(duì)應(yīng)的反映。在a≥λ 的情況下，反射波會(huì)在熒光屏上呈現(xiàn)出相應(yīng)波形，內(nèi)部缺陷的信息就儲(chǔ)存在波形當(dāng)中，通過(guò)讀取波形，對(duì)波形進(jìn)行分析、對(duì)比，可以準(zhǔn)確判斷缺陷的位置和幾何尺寸，檢測(cè)人員可以結(jié)合自己掌握的材料、焊接知識(shí)，對(duì)缺陷的形狀、特性進(jìn)行初步判斷。

因超聲波在金屬材料中穿透性強(qiáng)、靈敏度高，檢測(cè)時(shí)速度較快，且操作較為簡(jiǎn)單，故在鍋爐壓力容器檢測(cè)工作中得到廣泛應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)等不斷發(fā)展，超聲波檢測(cè)技術(shù)在鍋爐壓力容器無(wú)損檢測(cè)中的運(yùn)用更加成熟。例如，通過(guò)連接計(jì)算機(jī)與超聲波探傷儀，借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的分析及處理能力，可進(jìn)一步推動(dòng)鍋爐壓力容器檢測(cè)自動(dòng)化，使檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)化，判定更加準(zhǔn)確，同時(shí)使檢測(cè)信息以圖表等模式呈現(xiàn)在檢測(cè)人員面前，有效降低檢測(cè)人員對(duì)鍋爐壓力容器缺陷進(jìn)行綜合判斷的難度。

2 掃描技術(shù)分析

超聲波檢測(cè)技術(shù)有A 型掃描技術(shù)、B 型掃描技術(shù)、C 型掃描技術(shù)、衍射時(shí)差法超聲探傷技術(shù)。

2.1 A 型掃描技術(shù)

該技術(shù)用于鍋爐壓力容器檢測(cè)時(shí)，探傷儀探頭定點(diǎn)發(fā)射超聲波，并收集回波信息，然后以回波信息準(zhǔn)確判斷鍋爐壓力容器的缺陷長(zhǎng)度和深度。但A 型掃描技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用時(shí)有一定局限性，得到的回波圖不能直觀(guān)反映缺陷的形狀，檢測(cè)人員要判斷出形態(tài)、特點(diǎn)、類(lèi)型的難度較大，對(duì)檢測(cè)人員的能力及經(jīng)驗(yàn)有較高要求。目前，A 掃描檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，通過(guò)對(duì)缺陷位置、尺寸的準(zhǔn)確定位，可準(zhǔn)確找到缺陷進(jìn)行返修，完全可以滿(mǎn)足一般制造、檢修的需要。

2.2 B 型掃描技術(shù)

該技術(shù)用于鍋爐壓力容器檢測(cè)時(shí)，要借助灰度調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)成像，通過(guò)收集不同位置、不同深度的回波信息，最終得到的圖像可反映出鍋爐壓力容器的剖面信息，根據(jù)剖面信息來(lái)進(jìn)一步分析鍋爐壓力容器的缺陷形態(tài)和深度。一般情況下與A 型掃描技術(shù)相比較，B 型掃描技術(shù)的局限性更小。

2.3 C 型掃描技術(shù)

該技術(shù)運(yùn)用于鍋爐壓力容器檢測(cè)時(shí)，借助線(xiàn)陣掃描實(shí)現(xiàn)成像，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，可通過(guò)調(diào)整回波信號(hào)強(qiáng)度來(lái)獲取鍋爐壓力容器任意深度的回波圖像，并通過(guò)分析圖像得到鍋爐壓力容器的缺陷情況。與A、B 型掃描技術(shù)相比較，C 型掃描技術(shù)是平面x、y 坐標(biāo)綜合歸集規(guī)劃，運(yùn)用C 型掃描技術(shù)對(duì)鍋爐壓力容器可進(jìn)行更加全面的檢測(cè)，會(huì)瞬間先在x 方向上形成一條線(xiàn)圖像，然后再在y 方向上進(jìn)行掃描。

2.4 衍射時(shí)差法超聲探傷技術(shù)

利用端點(diǎn)反射原理，將端點(diǎn)反射輪廓反映在顯示屏上，更有利于準(zhǔn)確判斷缺陷的位置、尺寸、幾何形狀等，且受檢測(cè)人員手法影響較小，利于判定缺陷類(lèi)型。隨著我國(guó)衍射時(shí)差法探傷儀器制造技術(shù)的成熟，該技術(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。

3 檢測(cè)分析

3.1 常見(jiàn)的鍋爐壓力容器缺陷

常見(jiàn)的鍋爐壓力容器缺陷有裂紋、氣孔、夾渣、未熔合、未焊透等。若出現(xiàn)超標(biāo)缺陷，鍋爐壓力容器即被判定為不合格，不可投入使用。若不慎將存在嚴(yán)重缺陷的鍋爐壓力容器投入使用，則可能誘發(fā)安全事故。

（1）裂紋缺陷。是設(shè)備材料和焊縫中致命的缺陷，由于裂紋屬于面積型缺陷，當(dāng)超聲波聲束方向平行于裂紋方向時(shí)，基本沒(méi)有回波產(chǎn)生。在實(shí)際的檢測(cè)中，必須根據(jù)材料特性、焊接工藝，初步判斷焊接過(guò)程中可能產(chǎn)生裂紋的方向，用不同的探頭，在不同的材料表面進(jìn)行掃查，才能發(fā)現(xiàn)存在的裂紋缺陷。

（2）焊接未熔合缺陷。在焊接時(shí)若焊接金屬與母材未充分熔合可能導(dǎo)致鍋爐壓力容器強(qiáng)度降低，在投入使用后，隨著缺陷的擴(kuò)展還會(huì)出現(xiàn)其他問(wèn)題。焊接未熔合缺陷可能出現(xiàn)在鍋爐壓力容器任一采用了焊接工藝的地方，有根部未熔合、坡口未熔合、層間未熔合等狀態(tài)。在通過(guò)超聲波技術(shù)對(duì)鍋爐壓力容器未熔合缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可參考缺陷出現(xiàn)的位置對(duì)鍋爐壓力容器是否具備該缺陷進(jìn)行判斷，并采用合適的探頭進(jìn)行檢測(cè)。

（3）未焊透缺陷。當(dāng)借助超聲波技術(shù)對(duì)鍋爐壓力容器是否存在該缺陷進(jìn)行判斷時(shí)，若鍋爐壓力容器的確存在該缺陷，那么回波速度往往很快，反射當(dāng)量往往很大。

（4）氣孔、夾渣等體積型缺陷。超聲波探傷比較容易發(fā)現(xiàn)，但從不同的角度進(jìn)行檢測(cè)，回波信號(hào)有一定差異，發(fā)現(xiàn)比較弱的缺陷信號(hào)時(shí)，有經(jīng)驗(yàn)的檢測(cè)人員會(huì)調(diào)整掃查角度，進(jìn)一步對(duì)缺陷做出準(zhǔn)確判斷。

3.2 檢測(cè)時(shí)存在的干擾因素分析

超聲波技術(shù)用于鍋爐壓力容器檢測(cè)時(shí)會(huì)遇到各種干擾因素的影響，使檢測(cè)結(jié)果存在一定誤差。干擾因素可分為定位因素與定性因素。

（1）常見(jiàn)的定位干擾因素：①數(shù)據(jù)讀取偏差干擾，即在檢測(cè)過(guò)程中因儀器存在問(wèn)題，可能導(dǎo)致測(cè)得的數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，使檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)度下降，例如水平線(xiàn)性出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)影響檢測(cè)人員對(duì)深度位置進(jìn)行準(zhǔn)確判斷；②波束方向偏離干擾，即在檢測(cè)過(guò)程中，因某些原因（如鍋爐壓力容器的材質(zhì)）波束方向發(fā)生偏離，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤差，不能準(zhǔn)確反映出鍋爐壓力容器的缺陷位置及缺陷狀態(tài)。

（2）常見(jiàn)的定性干擾因素：①耦合和衰減干擾，檢測(cè)結(jié)果可能被耦合層厚度、耦合效果等因素影響，使最終檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤差，無(wú)法準(zhǔn)確判斷鍋爐壓力容器的缺陷情況；②性能干擾，超聲波檢測(cè)儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)性能不佳時(shí)會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)，例如靈敏度較差會(huì)遺漏較小的缺陷，垂直線(xiàn)性出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)影響對(duì)缺陷尺寸的判斷；③操作人員干擾，在檢測(cè)過(guò)程中，操作人員的水平會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度和檢測(cè)速度產(chǎn)生直接影響，不同的操作人員對(duì)同一鍋爐壓力容器進(jìn)行檢測(cè)，也可能出現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果不同的情況；④工件干擾，被檢測(cè)的工件，某些端角可能產(chǎn)生反射波，產(chǎn)生偽缺陷。

3.3 檢測(cè)的實(shí)踐舉例

（1）角焊縫的檢測(cè)實(shí)踐。常用的檢測(cè)方法有：①采用雙晶直探頭對(duì)角焊縫是否存在未熔合缺陷進(jìn)行檢測(cè)；②采用斜探頭對(duì)角焊縫是否存在未焊透缺陷進(jìn)行檢測(cè)。在獲得檢測(cè)波形后可移動(dòng)探頭，當(dāng)角焊縫存在缺陷時(shí)，伴隨半透移動(dòng)波形圖中的底波高度多不下降。檢測(cè)時(shí)還需注意：①在同時(shí)采用雙晶直探頭與斜探頭時(shí)，要綜合考慮鍋爐壓力容器的實(shí)際情況，比如要考慮鍋爐壓力容器的大小、壁厚等因素，根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需要，來(lái)選擇不同型號(hào)的探頭；②為提高檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性，可借助一次反射法跨距公式、三角定理來(lái)輔助確定探傷面，通過(guò)掃描線(xiàn)調(diào)節(jié)和靈敏度校驗(yàn)來(lái)降低某些干擾因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

（2）內(nèi)壁裂紋檢測(cè)的實(shí)踐。選用的是不同K 值的斜探頭，其存在明顯差異，對(duì)鍋爐壓力容器內(nèi)部裂紋的檢測(cè)會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果。檢測(cè)時(shí)需注意：①在進(jìn)行縱向缺陷檢測(cè)時(shí)，要根據(jù)檢測(cè)需要選擇型號(hào)合適的探頭做軸向或周向百分百掃查；②在進(jìn)行環(huán)向缺陷檢測(cè)時(shí)，可同時(shí)采用K 值存在明顯差異的斜探頭來(lái)驗(yàn)證檢測(cè)過(guò)程中的缺陷，從而提高檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度；③還可采取前后、左右移動(dòng)探頭的做法來(lái)降低干擾因素影響。

（3）封頭管板裂紋檢測(cè)的實(shí)踐。在實(shí)踐過(guò)程中需注意：①合理控制掃描速度；②在檢測(cè)前調(diào)整檢測(cè)儀器的靈敏度；③掃查方式的選擇。

4 結(jié)語(yǔ)

由于超聲波技術(shù)可以較為精準(zhǔn)、快速地檢測(cè)出鍋爐壓力容器存在的缺陷，有效提高鍋爐壓力容器檢測(cè)質(zhì)量、降低安全事故及財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，因此近年來(lái)超聲波技術(shù)在鍋爐壓力容器檢測(cè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。在實(shí)踐過(guò)程中，因定性因素與定位因素的影響，檢測(cè)結(jié)果仍在一定程度上會(huì)受到干擾，尚存在很大的提升空間。進(jìn)一步引入計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)等可提高檢測(cè)效率與精準(zhǔn)度，對(duì)B 掃描、C 掃描進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)超聲波成像技術(shù)，有利于對(duì)鍋爐壓力容器設(shè)備缺陷更直觀(guān)地判斷。