壓力容器、壓力管道裂紋檢驗中的無損檢測技術(shù)研究

王海洋

摘??要：現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，壓力容器壓力管道等承壓類特種設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛，其運行安全性就顯得尤為重要。為了保障壓力容器的安全使用，在對壓力容器進行檢驗時，不僅要保證檢驗結(jié)果的準確性和可靠性，而且還要做到經(jīng)濟、快捷、準確?；诖耍蛪毫θ萜?、管道裂紋檢驗中的無損檢測技術(shù)展開分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：壓力容器??管道??裂紋檢驗??無損檢測技術(shù)

中圖分類號：TH49

Research?on?Nondestructive?Testing?Technology?in?the?Crack?Detection?of?Pressure?Vessels?and?Pipelines

WANG?Haiyang

（Ningxia?Special?Equipment?Inspection?and?Testing?Institute，?Yinchuan，??Ningxia?Hui?Autonomous?Region，751000?China）

Abstract：?In?modern?industrial?production，?special?pressure?equipment?such?as?pressure?vessels?and?pipelines?are?increasingly?widely?used，?and?their?operation?safety?is?particularly?important.?In?order?to?ensure?the?safe?use?of?pressure?vessels，?when?detecting?pressure?vessels，?it?is?necessary?not?only?to?ensure?the?accuracy?and?reliability?of?detection?results，?but?also?to?be?economical，?fast?and?accurate.?Based?on?this，?this?article?analyzes?the?nondestructive?testing?technology?in?the?crack?detection?of?pressure?vessels?and?pipelines，?for?reference.

Key?Words：?Pressure?vessel;?Pipeline;?Crack?detection;?Nondestructive?testing?technology

承壓設(shè)備無損檢測技術(shù)，是利用聲、光、磁等方法，在不損傷被檢測設(shè)備原來的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)和形狀等前提下，獲取被測物設(shè)備結(jié)構(gòu)有關(guān)的內(nèi)部缺陷、表面損傷及化學(xué)破壞所采用的檢查方法。通過單一或者多種檢測方法的組合檢測，可以定性或定量地判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的缺陷情況、確定缺陷位置和預(yù)測缺陷可能的發(fā)展趨勢，有效地保證設(shè)備運行安全。

1??無損檢測技術(shù)在壓力容器、壓力管道裂紋檢驗中的作用

壓力容器、管道在制造安裝過程及實際使用中所處環(huán)境比較復(fù)雜，經(jīng)常會出現(xiàn)裂紋的情況。例如：在最初制造時由于受到材料、制造、焊接工藝等方面因素的影響，容器、管道出廠時就會攜帶符合檢測合格等級的一些缺陷；在實際使用中，由于介質(zhì)腐蝕性、壓力、溫度、應(yīng)力及臨氫和疲勞作用等因素影響，會造成壓力容器管道產(chǎn)生開裂及裂紋擴展。因此，為了能夠及時發(fā)現(xiàn)和處理壓力容器管道裂紋問題，需要對相關(guān)設(shè)備進行無損檢測，及時有效發(fā)現(xiàn)壓力容器管道的缺陷，提醒使用單位及時采取措施來處理發(fā)現(xiàn)的問題，防止隱患擴大，從而保證生產(chǎn)的安全進行[1]。

2??壓力容器管道的常見裂紋

2.1??焊接裂紋

焊接裂紋是壓力容器制造和壓力管道預(yù)制、安裝過程中常見的一種缺陷。在焊接過程中，由于溫度、應(yīng)力、剛性、焊接熱輸入、母材清潔程度和焊后熱處理不當(dāng)?shù)仍?，焊接接頭出現(xiàn)的裂紋稱為焊接裂紋，對壓力容器、管道的制造和使用都會產(chǎn)生不利影響[2]。其產(chǎn)生的主要原因是熔敷金屬或熱影響區(qū)中的夾雜物聚集，形成低熔點共晶體或共晶組織，導(dǎo)致過熱、塑性變形、應(yīng)力集中、裂紋產(chǎn)生。焊接裂紋主要產(chǎn)生于焊接接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)。

2.2??應(yīng)力裂紋

應(yīng)力裂紋是由于金屬材料在應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生的裂紋，這種裂紋在材料出現(xiàn)塑性變形時就有可能出現(xiàn)的，也有在塑性變形后才出現(xiàn)的。

應(yīng)力裂紋不一定都是宏觀斷裂，有時也有微觀斷裂現(xiàn)象，其特征是在晶界上出現(xiàn)較長的線狀或鋸齒狀應(yīng)力集中帶，這些帶內(nèi)無金屬間化合物存在。應(yīng)力裂紋通常不具有明顯的方向性，呈對稱分布。應(yīng)力裂紋中也有少數(shù)具有宏觀裂紋特征，但并不與微觀斷裂相聯(lián)系。壓力容器、管道的應(yīng)力裂紋有多種表現(xiàn)形式，一般可分為表面形式、內(nèi)部形式和復(fù)合形式三種[3]。

2.3??腐蝕裂紋

腐蝕裂紋是由于腐蝕介質(zhì)在金屬表面形成并向內(nèi)部發(fā)展的裂紋。一般認為，腐蝕裂紋是由于金屬與腐蝕介質(zhì)接觸發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用，使金屬表面局部或全部發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)腐蝕而產(chǎn)生的。通?？煞譃?種類型：（1）化學(xué)腐蝕裂紋，即由于金屬表面的物質(zhì)與酸、堿等溶液反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕裂紋；（2）電化學(xué)腐蝕裂紋，即由于金屬表面的氧化膜或氧化物與電解質(zhì)溶液發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕裂紋；（3）電化學(xué)腐蝕裂紋，即由于金屬表面的物質(zhì)與電解質(zhì)溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕裂紋。壓力容器管道中常因介質(zhì)或容器外表面發(fā)生嚴重的化學(xué)或電化學(xué)腐蝕性介質(zhì)作用而產(chǎn)生腐蝕裂紋。

2.4??疲勞裂紋

疲勞裂紋是承壓設(shè)備結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域或承受交變載荷的區(qū)域由于焊接應(yīng)力、交變載荷等疊加所產(chǎn)生的應(yīng)力超過材料的屈服極限而引起的。其特征是裂紋在疲勞過程中不發(fā)生擴展，而是在一定時間內(nèi)產(chǎn)生疲勞壽命。

疲勞裂紋多發(fā)生在高應(yīng)力集中區(qū)，如不及時發(fā)現(xiàn)，可引起較大的事故，嚴重時會造成設(shè)備報廢。通常對疲勞裂紋可以采取消除應(yīng)力、降低殘余變形、改進焊接方法、提高材料質(zhì)量等措施加以預(yù)防[4]。

3???壓力容器、管道裂紋檢驗常用無損檢測技術(shù)

3.1??射線檢測

裂紋缺陷往往是在制造或焊接時產(chǎn)生，在使用過程中進一步擴展或萌生。根據(jù)裂紋產(chǎn)生的原因，裂紋可以分為內(nèi)部裂紋和表面裂紋。內(nèi)部裂紋是指在焊接接頭內(nèi)部出現(xiàn)的裂紋；表面裂紋是指在焊接接頭上下表面出現(xiàn)的裂紋。管道中最常見的裂紋是焊條電弧焊時產(chǎn)生的焊接缺陷，它是在焊縫金屬中形成的，包括焊瘤、焊根等。這些缺陷對管道結(jié)構(gòu)強度和耐應(yīng)力腐蝕性能都有很大影響。這些缺陷中，又以表面裂紋對管道安全影響最大，所以應(yīng)予以特別重視。射線檢測技術(shù)（見圖1）是最早使用于壓力容器管道裂紋檢測的無損檢測技術(shù)。射線檢測是利用射線照射到待檢材料上，在一定的時間和劑量范圍內(nèi)，成像在膠片上形成圖像。利用射線在膠片上的成像來判斷材料中是否存在缺陷，并判斷缺陷的位置、大小、形態(tài)和性質(zhì)等。該技術(shù)主要包括兩種類型：一是直接觀察法，也就是“目視檢測”，它主要用于對無損檢測中的裂紋進行直接觀察；二是透視檢測法，也就是“觀察”，它主要用于對無損檢測中的裂紋進行透視觀察。這兩種方法都要有一定的設(shè)備條件，在壓力容器管道裂紋檢測中，一般選擇射線檢測法來對缺陷進行定性、定量的評價。射線檢測法由于具有不受被檢材料形狀和大小限制、不需要特殊設(shè)備、能對各種材質(zhì)進行檢查等優(yōu)點而被廣泛使用于壓力容器管道裂紋檢測中。但是在壓力容器管道裂紋檢驗中，射線檢測法也存在一些不足：一是射線探傷對被檢材料的要求比較高，主要用于對金屬材料中的裂紋進行射線探傷；二是射線探傷技術(shù)適用范圍有限，對于一些復(fù)雜的焊接接頭和缺陷無法進行無損檢測；三是在壓力容器管道裂紋檢驗中射線探傷容易產(chǎn)生誤判[5]。

3.2??超聲檢測

超聲波在介質(zhì)中的傳播速度取決于介質(zhì)的波速和聲阻抗。在許多材料中，由于聲阻抗不匹配，聲波的傳播速度大于聲速。所以，聲波可以在各種材料中傳播，尤其是在聲學(xué)材料中。超聲波在固體介質(zhì)中的傳播速度是一個相對穩(wěn)定的值。但是，在不同材料和不同條件下，聲阻抗也會發(fā)生變化，所以聲速也會發(fā)生變化。

超聲波是一種機械波，它是以聲波的形式進行傳播的，聲波從聲源開始向外傳播。超聲檢測原理是利用超聲波在介質(zhì)中的傳播速度、超聲波束與缺陷之間的相互作用及超聲波在各種材料中的衰減來判斷缺陷存在和大小的一種無損檢測方法。超聲波對各種材料都有明顯的穿透能力，所以超聲檢測可用于對各種材料進行探傷。與射線、磁粉等其他無損檢測技術(shù)相比，超聲檢測具有靈敏度高、速度快、成本低等特點，已成為壓力容器管道裂紋檢驗中不可缺少的無損檢測方法之一。

3.3??磁粉檢測

磁粉檢測是一種檢測鐵磁性材料表面和近表面缺陷的無損檢測技術(shù)，與傳統(tǒng)的射線、超聲波等無損檢測方法相比，具有對檢測表面要求低、適用面廣、靈敏度高、操作簡便等優(yōu)點。磁粉探傷機（見圖2）可以發(fā)現(xiàn)較小缺陷，但對于缺陷的定量比較困難，對于較大的缺陷只能發(fā)現(xiàn)有無。在磁粉檢測中，為了提高其靈敏度，常用的方法是采用磁懸液。在進行磁粉檢測時，將磁懸液用水稀釋成合適的濃度，并把它涂抹在待檢部位表面上，然后利用渦流檢測設(shè)備來進行探傷。這種方法與傳統(tǒng)的射線和超聲波無損檢測相比具有明顯的優(yōu)點：（1）能發(fā)現(xiàn)表面和近表面缺陷；（2）靈敏度高；（3）可以發(fā)現(xiàn)不可見缺陷；（4）適用范圍廣；（5）可發(fā)現(xiàn)各種形狀、大小、深度和數(shù)量的缺陷；（6）適用于所有材料及各種形狀工件的檢測。但是磁粉檢測也有其不足之處：（1）當(dāng)工件表面存在粗糙不平、凹凸及弧坑等不連續(xù)缺陷時，磁粉檢測靈敏度會下降；（2）如果工件表面存在嚴重腐蝕，則磁粉檢測結(jié)果會被掩蓋；（3）磁粉檢測成本較高。

3.4??滲透檢測

滲透檢測技術(shù)是利用液體滲透劑滲透到固體表面，形成一種具有一定強度的薄膜，然后再通過顯像顯示出缺陷的方法。該技術(shù)通過對被檢測物體表面進行顯像，可以清晰地反映被檢測物體表面的缺陷情況。滲透檢測技術(shù)在壓力容器管道裂紋檢測中主要用于以下幾個方面：（1）材料缺陷的檢測，在進行金屬材料的壓力容器管道裂紋檢驗時，就可以利用該技術(shù)對其進行檢測，例如金屬材料中的裂紋、夾雜、氣孔等缺陷；（2）金屬構(gòu)件表面裂紋、凹坑、疲勞裂紋等表面缺陷的檢驗；（3）容器內(nèi)壁與內(nèi)壁之間有缺陷存在的檢查；（4）壓力容器管道內(nèi)部有裂紋存在時，可以使用滲透檢測技術(shù)對其進行無損檢測，該技術(shù)具有設(shè)備簡單、操作方便、不需要復(fù)雜設(shè)備和耗材等優(yōu)點。

3.5??渦流檢測

渦流檢測是一種用來檢測線圈中的磁場強度來確定缺陷位置的無損檢測技術(shù)，具有分辨率高、靈敏度高、便于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。但該技術(shù)檢測靈敏度受被檢材料和外界環(huán)境的影響較大，對缺陷的類型、尺寸等判斷還需借助其他無損檢測技術(shù)。

3.6??聲發(fā)射檢測

實際生產(chǎn)中由于裝置運行及不定期檢查的需要，往往需要在不停機狀態(tài)下開展檢測，以達到監(jiān)測和缺陷發(fā)展趨勢的預(yù)測。承壓設(shè)備材料中如果存在裂縫擴展、塑性變形或相變等引起應(yīng)變能快速釋放而產(chǎn)生的應(yīng)力波從而導(dǎo)致聲發(fā)射現(xiàn)象，檢測到聲發(fā)射信號，就可以連續(xù)監(jiān)視材料內(nèi)部變化的整個過程。聲發(fā)射檢測技術(shù)就是通過接收和分析在用承壓設(shè)備在工作狀態(tài)下或者壓力試驗條件下材料聲發(fā)射信號來評定設(shè)備性能或結(jié)構(gòu)完整性的動態(tài)無損檢測方法。

4??結(jié)語

綜上所述，在壓力容器、管道的制造和使用過程中，開展定期、不定期的檢驗檢測，充分利用無損檢測技術(shù)非破壞性、適用性強、測量精度高等優(yōu)點，結(jié)合各種設(shè)備裂紋缺陷成因及表現(xiàn)形式，可以采用單一方法檢測也或者組合式的綜合分析和評價，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的各種缺陷，有效保證壓力容器安全運行。同時，隨著壓力容器制造工藝技術(shù)和材料性能的不斷提高，對壓力容器及其管道進行無損檢測也將更加重要。

參考文獻

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[3]高斌.壓力容器泄漏超聲檢測技術(shù)研究與系統(tǒng)實現(xiàn)[D].太原：中北大學(xué)，2021.

[4]車慧敏.壓力容器壓力管道檢驗中裂紋問題的解決措施[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量，2022，42（10）：43-45.

[5]左千.纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器爆破壓力研究與優(yōu)化設(shè)計[D].杭州：浙江大學(xué)，2022.