無損檢測技術(shù)在承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)中的應(yīng)用與發(fā)展

蔣劍超，邊 緣

（西安特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測院，陜西西安 710000）

0 引言

作為與現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展息息相關(guān)的特種設(shè)備，一方面是國民經(jīng)濟(jì)的重要支撐，另一方面也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可忽視的推動(dòng)力。特種設(shè)備目前的發(fā)展特點(diǎn)表現(xiàn)為發(fā)展規(guī)模全球領(lǐng)先、創(chuàng)新步伐不斷加快、安全綠色協(xié)同發(fā)展、國產(chǎn)特種設(shè)備國際市場占有率日益劇增和法治機(jī)制不斷完善。作為特種設(shè)備的分支，承壓類特種設(shè)備主要包括有壓力容器、壓力管道和鍋爐等[1]，并廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、石油、天然氣和化工等領(lǐng)域，一旦發(fā)生安全事故，便會(huì)對生命安全和財(cái)產(chǎn)安全造成不可估量的損害。

為了確保特種設(shè)備的安全運(yùn)行，需要對特種設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用階段進(jìn)行監(jiān)管和檢測。檢測技術(shù)是保障承壓類特種設(shè)備安全有效生產(chǎn)和運(yùn)行的關(guān)鍵因素[2]，近些年檢測技術(shù)的發(fā)展趨向于綠色環(huán)保、高效便利和經(jīng)濟(jì)可行，應(yīng)運(yùn)而生的各種新技術(shù)和新設(shè)備助力檢驗(yàn)檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。其中，無損檢測技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，具有檢測速度快、精度高和無破壞性的特點(diǎn)。

1 無損檢測技術(shù)的特性和優(yōu)勢

1.1 非破壞性

通過聲、光、電、磁等因素與被檢測對象相互作用，因材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常或缺陷存在導(dǎo)致產(chǎn)生的變化，可以實(shí)現(xiàn)在不損害或不影響被檢測對象使用性能，不傷害被檢測對象內(nèi)部組織的前提下，獲得檢測結(jié)果，包括對缺陷的類型、數(shù)量、位置、深度、尺寸等進(jìn)行檢測。這一特性使得無損檢測具有靈活性和可靠性，并不影響最終的檢測結(jié)果。

1.2 互容性

互容性是指不同的檢測方法可以相互兼容，同一被檢測部位可以同時(shí)或者依次使用不同的方法進(jìn)行檢驗(yàn)，最終獲得可靠性更強(qiáng)的檢測結(jié)果，無損檢測所具備的互容性也是基于非破壞性。實(shí)際上，不同的無損檢測方法可以檢測到不同類型的缺陷，目前還沒有一種全能的無損檢測方法可以覆蓋所有的缺陷類型。

1.3 嚴(yán)格性

無損檢測的過程由無損檢測設(shè)備和無損檢測人員協(xié)同完成。因此，在特種設(shè)備的無損檢測環(huán)節(jié)中，無損檢測設(shè)備確保在有效的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作。除此之外，無損檢測人員需要嚴(yán)格地執(zhí)行相關(guān)培訓(xùn)，考核合格后方可進(jìn)行無損檢測。這兩部分的嚴(yán)格執(zhí)行，確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

1.4 循證性

對于同一處被檢測部位，可能因?yàn)闄z驗(yàn)人員的不同，導(dǎo)致最終檢測結(jié)果產(chǎn)生變化，此外，對同一被檢測部位使用不同的檢測方法也可能會(huì)導(dǎo)致不同的檢測結(jié)果。針對不同檢測結(jié)果可能產(chǎn)生的分歧，需要進(jìn)一步對同一被檢測部位，采用特定方法，由多個(gè)檢驗(yàn)員進(jìn)行檢測，并對最終檢測結(jié)果進(jìn)行比較分析，以達(dá)到提升最終無損檢測結(jié)果的精確度。

1.5 全程性

在制造和安裝階段，主要驗(yàn)證鑄造、鍛造、焊接和加工成型等工藝的可行性，實(shí)現(xiàn)改進(jìn)和監(jiān)督制造工藝，降低廢品率。在使用階段，無損檢測可以有效地發(fā)現(xiàn)使用過程中產(chǎn)生的因材質(zhì)劣化、腐蝕開裂和疲勞開裂等引起的缺陷。動(dòng)態(tài)性的意義在于可發(fā)現(xiàn)使用中的特種設(shè)備產(chǎn)生的安全隱患。

2 無損檢測技術(shù)的類型

近些年，無損檢測技術(shù)的發(fā)展不斷得到完善?；跓o損檢測技術(shù)具備的特性和優(yōu)勢，通過不斷提升檢測結(jié)果的精確性和科學(xué)性，在檢測效率提升的同時(shí)，也為特種設(shè)備的安全運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的安全保障，已廣泛應(yīng)用于特種設(shè)備檢測。射線檢測技術(shù)、超聲檢測技術(shù)、磁粉檢測技術(shù)、滲透檢測技術(shù)和渦流檢測技術(shù)是目前幾種常見的無損檢測技術(shù)[3-8]，在本小結(jié)將主要對不同無損檢測技術(shù)及工作原理進(jìn)行綜述。

2.1 射線檢測技術(shù)

射線檢測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于檢測特種設(shè)備的性能和結(jié)構(gòu)[9]。目前，射線的種類分為x射線、γ射線和中子射線，其中，x射線和γ射線主要應(yīng)用于焊縫缺陷檢測。射線檢測技術(shù)的原理主要是依靠x射線和γ射線穿透試件，基于射線穿過試件的衰減作用和照相作用，利用散射和吸收的現(xiàn)象來檢測被檢測試件的材料性能。當(dāng)試件中存在的缺陷，便會(huì)影響射線的吸收，造成透過射線強(qiáng)度發(fā)生變化，并在底片上顯現(xiàn)影像得到檢測結(jié)果，根據(jù)底片上的黑度變化，判斷試件是否有缺陷，或者缺陷的種類、數(shù)量和大小等。

射線檢測技術(shù)具有良好的可追溯性，適宜檢測板厚較薄的工件，可以精準(zhǔn)對缺陷定性，對于體缺陷的檢測效果要優(yōu)于面缺陷的檢測效果，因此，對于氣孔和夾渣等體缺陷的檢出率要更高。

2.2 超聲波檢測技術(shù)

超聲波檢測具有指向性和小缺陷也能夠較好地反射等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于檢測試件的內(nèi)部缺陷[10]。超聲波檢測技術(shù)主要有脈沖反射法、穿透法和共振法。目前，主要使用脈沖反射法進(jìn)行無損檢測，根據(jù)缺陷的回波和底面的回波進(jìn)行判斷，其中，縱波垂直探傷和橫波傾斜入射探傷是主要使用的兩種方式，前者更容易發(fā)現(xiàn)與被檢測部位的表面平行或傾斜角度較小的缺陷，主要包括鋼板、鍛件和鑄件等無損檢測，后者更容易發(fā)現(xiàn)與被檢測部位的表面垂直或傾斜角度較大的缺陷，主要應(yīng)用于焊縫的無損檢測。

超聲波檢測技術(shù)對于面缺陷的檢出率較高，而體缺陷的檢出率并不樂觀，也更容易對缺陷在工件厚度方向上進(jìn)行定位。其次，更適合檢驗(yàn)厚度較大的工件。作為首選的內(nèi)部缺陷檢測方法應(yīng)用于包括板件、管材、鍛件和復(fù)合材料等。除此之外，檢測成本低、速度快、現(xiàn)場檢驗(yàn)方便也是超聲波檢測技術(shù)的特點(diǎn)。

2.3 磁粉檢測技術(shù)

磁粉檢測技術(shù)廣泛地應(yīng)用于鐵磁性材料表面和近表面的無損檢測中[11]，磁粉檢測的工作原理是鐵磁性材料（鐵、鈷和鎳及其合金等）被磁化后，在內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁力線密度會(huì)增加百倍甚至千倍，如果材料中存在缺陷造成不連續(xù)性和結(jié)構(gòu)、形狀、材質(zhì)等原因造成的不連續(xù)性，會(huì)導(dǎo)致磁力線發(fā)生畸變，并部分逸出材料表面，穿過空間形成漏磁場，使吸附在表面噴灑的干磁粉或者磁懸液形成與缺陷性狀接近的磁痕[12]。

磁粉檢測技術(shù)檢測成本低，速度快，對于表面裂紋的檢測靈敏度最高。但僅適宜鐵磁材料的無損檢測，不適應(yīng)于對非鐵磁材料的檢測。此外，對于缺陷埋藏越深，缺陷的檢出率就會(huì)降低，甚至漏檢。

2.4 滲透檢測技術(shù)

滲透檢測技術(shù)的工作原理是通過在試件表面噴涂著色染料的滲透液，由于毛細(xì)管作用，滲透液會(huì)滲進(jìn)表面開口的缺陷，然后進(jìn)一步用清洗劑去除試件表面的滲透液后，通過噴涂顯像劑，同樣在毛細(xì)血管的作用下，缺陷會(huì)回滲到顯像劑上，從而探測出缺陷的形貌及分布狀態(tài)。

滲透檢測技術(shù)可以檢測形狀復(fù)雜的部件，工件的幾何形狀對滲透檢測的影響很小，并且可以憑借一次檢測就能檢出多個(gè)不同方向的缺陷，此外，所需儀器簡單，操作便捷。除疏松多孔性材料外，對于非鐵磁材料，滲透檢測是首選的無損檢測方，表現(xiàn)出較高的適應(yīng)性。然而，滲透檢測技術(shù)對于表面的光滑度要求很高，粗糙度過高會(huì)影響最終的檢測效果，不同于磁粉檢測可以同時(shí)檢測表面和近表面缺陷，滲透檢測智能檢測出表面開口缺陷，檢測靈敏度也更低。除此之外，檢測工序多和速度慢，甚至所用檢測試劑依然有毒都限制了滲透檢測技術(shù)的應(yīng)用。

2.5 渦流檢測技術(shù)

渦流檢測技術(shù)基于電磁感應(yīng)理論，通過實(shí)驗(yàn)線圈載有交變電流靠近導(dǎo)體工件，線圈產(chǎn)生的交變磁場使導(dǎo)體生成感應(yīng)電流（即渦流），金屬材料產(chǎn)生渦流的大小和分布進(jìn)一步檢測出鐵磁性和非鐵磁性材料的缺陷。渦流檢測技術(shù)可應(yīng)用于制造工藝階段進(jìn)行質(zhì)量控制，也可為投入使用的設(shè)備，如熱交換管等設(shè)施進(jìn)行定期檢驗(yàn)，檢測導(dǎo)電金屬材料表面及近表面的宏觀幾何缺陷、涂層測厚、材質(zhì)分選和電導(dǎo)率測量等。

渦流檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括對各種導(dǎo)電材質(zhì)的試件進(jìn)行無損檢測，不需要接觸工件，也不需要耦合劑，可以在高溫環(huán)境下進(jìn)行檢測，檢測速度快，效率高，并可實(shí)現(xiàn)對檢測結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化處理，對于表面和近表面缺陷的檢測精準(zhǔn)度很高。目前渦流檢測技術(shù)多應(yīng)用于管材和板材等軋制型材。

3 其他無損檢測技術(shù)

3.1 聲發(fā)射檢測技術(shù)

聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)無損檢測方法主要檢測活動(dòng)性缺陷。當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)受到外力或內(nèi)力產(chǎn)生變形或者斷裂，并以彈性波形式釋放出應(yīng)變能，內(nèi)部會(huì)發(fā)生從不穩(wěn)定的高能量應(yīng)力集中狀態(tài)過渡至低能量的穩(wěn)定狀態(tài)，在這種自發(fā)形成的穩(wěn)定狀態(tài)過程中，會(huì)釋放出彈性應(yīng)力波，聲發(fā)射檢測技術(shù)是通過探測受力時(shí)材料發(fā)出的應(yīng)力波來判斷容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷程度。材料在力的作用下可以產(chǎn)生多種聲發(fā)射信號，但目前無損檢測致力于關(guān)注裂紋的形成和擴(kuò)展。聲發(fā)射檢測技術(shù)的特點(diǎn)具有可以探測活動(dòng)的缺陷，為安全性評價(jià)提供依據(jù)，其次可以遠(yuǎn)距離操作和監(jiān)控。

3.2 衍射時(shí)差法超聲檢測技術(shù)

衍射時(shí)差法超聲檢測技術(shù)屬于超聲波檢測技術(shù)的一種，工作原理是通過采用一對頻率、尺寸和角度相同的縱波斜探頭一收一放相向?qū)ΨQ裝置，由大角度發(fā)射探頭向試件內(nèi)發(fā)射一個(gè)短的超聲脈沖，若存在缺陷，則會(huì)先后經(jīng)過試件上表面、缺陷上尖端、缺陷下尖端和底部，分別產(chǎn)生直通波、底面回波和缺陷上下尖端產(chǎn)生的缺陷波，最終探測缺陷和測定缺陷尺寸，對垂直于探測面缺陷的尺寸測量具有獨(dú)特的優(yōu)勢，在結(jié)構(gòu)焊縫檢測上的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟。

衍射時(shí)差法超聲檢測技術(shù)的優(yōu)勢明顯，可對缺陷的深度和尺寸進(jìn)行精準(zhǔn)量度。此外，對于垂直缺陷檢測效果十分理想，同時(shí)也可有效地實(shí)時(shí)監(jiān)控裂紋的變化。不僅如此，也已成熟應(yīng)用于厚度較厚壓力容器或表面溫度超過2000 ℃的設(shè)備。

4 總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展和日益更新，無損檢測應(yīng)用于承壓類特種設(shè)備的檢測比重必將呈現(xiàn)上升的趨勢。盡管目前各種無損檢測技術(shù)針對不同類型的缺陷都表現(xiàn)出相對優(yōu)異的缺陷檢出率，但依然還有需要根據(jù)不足改進(jìn)的地方，以期望尋求更為全面、便捷、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的檢測方法，幫助檢測人員更高效和精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)缺陷和消除缺陷，保障特種設(shè)備安全運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)安全生產(chǎn)。本文綜述了無損檢測的特點(diǎn)，以及各種不同無損檢測技術(shù)的工作機(jī)理，相匹配的使用條件，并總結(jié)優(yōu)勢和局限，幫助無損檢測人員更好地應(yīng)用到實(shí)踐中。希望新技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)多種無損檢測技術(shù)更為完美的融合，提升檢測精度，并反過來進(jìn)一步推動(dòng)技術(shù)發(fā)展。