无损检测技术在承压类特种设备检验检测中的应用

彭武强，李昌盛，木贵军，冉龙华，关文政

（丽江市质量技术监督综合检测中心，云南 丽江 674100）

随着经济社会的不断发展，我国工业技术水平突飞猛进，各种高端装备广泛应用于工业生产和日常生活中，这些高端装备撑起了国民经济发展的脊梁。特种设备作为一类重要设备广泛应用于石油化工、医药、食品、冶金和电力等行业中，在国民经济发展和人们的日常生活中起到了举足轻重的作用。

特种设备可按承压类和机电类划分，其中，承压类主要包括锅炉、压力容器（含气瓶）和压力管道。承压类特种设备由于其特殊性和危险性，在使用过程中稍有不慎就会引发安全事故，造成重大人身伤亡和财产损失。为了确保其安全运行，工业发达国家通过颁布极其严格的法律法规对其设计、制造、安装和使用进行了严格的监管[1-5]。同时，检验检测技术是保证承压类特种设备产品制造质量和安全运行的重要手段，在质检体系中占据重要位置，并得到了广泛应用。大力发展绿色环保、高效便捷及经济实用的检验检测技术有助于预防并降低承压类特种设备安全事故的发生，提高运行的安全经济性，对国民经济和社会的发展具有重要的推动作用。近年来，检验检测新技术和新装备层出不穷，为承压类特种设备的安全经济运行提供了强有力地支撑。本文主要概述了承压类特种设备检验检测中各种无损检测技术的工作原理、特点及适用范围，并对我国无损检测事业的发展提出几点建议。

承压类特种设备的工作环境较为恶劣，常伴随着高温高压、有毒有害介质的存在，其一旦发生安全事故，将给人们的生命及财产安全造成重大威胁。因此，承压类特种设备工作的安全性和稳定性至关重要。而特种设备检测技术是保障其安全运行的重要技术手段。目前，承压类特种设备的检验检测方法主要分为宏观检查、电阻测定、理化检验和无损检测四大类[6-11]，其中：①宏观检查的主要目的是探测特种设备外表面缺陷，获得设备的基本质量状况，进而为后续的检验项目实施提供依据。宏观检查主要包括目视检查、放大镜检查和内窥镜检查等。②电阻测定主要是进行防静电接地电阻和法兰间的接触电阻值的测定。常用的电阻测量方法有万用表测量和绝缘电阻测试仪测量。③理化检验项目主要包括化学成分分析、金相检验、硬度测试和力学性能试验。理化检验主要用于判定特种设备长期使用过程中出现的材料、性能等方面的变化。④无损检测是以相关物理化学原理为理论基础，通过先进的技术装备对特种设备材质、状态等方面存在的内外部缺陷进行检查及测试，其优势在于检测全过程均不会对被检测部件造成损伤。

无损检测技术由于具备不损伤被检部件、灵敏度高等诸多优点，在承压类特种设备的各类检验检测过程中得到广泛运用。以下主要对各种无损检测技术的工作原理及特点做简要概述[12-23]。

2.1 射线检测

射线检测（RT）主要用于探测试件的内部缺陷，其所用射线分为X射线、γ射线和中子射线。在承压类特种设备的焊缝及其他缺陷检测中常使用X射线和γ射线。射线检测可分为胶片射线检测、射线数字成像检测等多种方法。

射线检测的原理：射线在穿透物体过程中会与物质发生相互作用，因吸收和散射而使其强度减弱。当被透照物体的局部存在缺陷时，该局部区域的透过射线强度就会与周围产生差异。通过透过射线的作用使胶片感光，经暗室处理得到底片，然后根据底片上不同形状的影像来判断缺陷情况并评价试件质量。X射线检测原理如图1所示。

图1 X射线检测原理示意图

射线检测的主要特点：①检测结果有直接记录——底片，检测信息丰富，保存时间长；
②通过观察缺陷在底片上图像，可对其进行精确地定性及定量分析；
③对气孔、夹渣等三维型缺陷具有较高的检出率；
④适宜检测较薄的工件，被检测试件的厚度一般不超过100 mm；
⑤比较适合检测对接焊缝，对锻件及板棒材等型材的缺陷检出率较低。此外，射线检测存在检测成本高、效率低及危害人体健康等缺点。

2.2 超声波检测

超声波检测（UT）主要用于探测试件的内部缺陷，其原理是利用超声波在物体中的多种传播特性（如散射、反射和衍射等）来测知物体的尺寸、表面和内部缺陷、组织变化等。超声波检测根据原理不同可分为脉冲反射法、穿透法及共振法。目前最常用的是脉冲反射法，其原理如图2所示。脉冲反射法在探伤过程中所使用的波形分为纵波和横波两种，其中纵波易于检出与检测面平行或倾角较小的缺陷，常用于铸锻件及金属板材的检测，而横波则易于检出与检测面垂直或倾角较大的缺陷，常用于各种焊缝的检测。

图2 脉冲反射法原理示意图

超声波检测的主要特点：①易于检出二维型缺陷，对三维型缺陷的检出率不高；
②适宜检测具有一定厚度的部件，不适宜检测较薄的部件，其原因在于当厚度较小时，上下表面的形状回波易与缺陷波混淆，波形较难区分；
③可用于检测各种类型的部件；
④检测效率高、经济性好，现场检测方便；
⑤由于得不到缺陷的直观图像，无法进行精确地定性及定量分析；
⑥检测结果无直接见证记录；
⑦较难检测粗晶粒原材料和焊接接头中存在的缺陷；
⑧当表面粗糙度较高时会对耦合及扫查造成影响，降低检测精度。

2.3 磁粉检测

磁粉检测（MT）主要用于探测试件表面开口缺陷和近表面缺陷，其原理是铁磁性材料（铁、钴、镍、钆及其合金等）被磁化后，其内部产生很强的磁感应强度。当磁力线通过材料中的缺陷位置时会产生畸变，形成漏磁场（图3）。此时在材料表面撒上磁粉，磁粉就会在漏磁场的作用下形成磁痕，从而显示缺陷。

图3 缺陷漏磁场示意图

磁粉检测的主要特点：①只能用于检测铁磁材料；
②只能用于检测表面及近表面缺陷；
③检测灵敏度高，可检测出微小裂纹及其他缺陷；
④检测成本低，速度快；
⑤难以检测几何结构复杂的工件。

2.4 渗透检测

渗透检测（PT）的原理：试件表面被施涂含有染料的渗透液后，通过毛细作用，渗透液会进入试件表面开口缺陷中，再经过清洗、显像等工序，可将缺陷处的渗透液痕迹显示出来，从而探测出缺陷的形貌及分布状态。

渗透检测的主要特点：①无法检测疏松多孔性材料；
②可用于检测形状复杂的试件；
③可同时检测不同方向的缺陷；
④通常表面粗糙度值越低，检测效果越好；
⑤适用于检测表面开口缺陷，无法检测埋藏缺陷及闭合型的表面缺陷；
⑥检测效率低、成本较高；
⑦检测剂大部分易燃有毒，检测人员必须做好安全防护。

2.5 涡流检测概述

涡流检测（ET）的理论基础为电磁感应原理。当金属试件位于交变磁场中时，在试件中会形成涡流，根据检测到的试件中的涡流，就可以取得关于试件材质、缺陷和形状尺寸等信息。

涡流检测的主要特点：①可用于检测各种类型的导电材质；
②可检出试件表面和近表面缺陷；
③易实现自动化检测，检测效率高；
④不适宜检测形状复杂的部件，常用于检测管材和板材；
⑤无法显示缺陷图像，因而不能判定缺陷性质；
⑥深埋缺陷检出率低（受集肤效应的影响）；
⑦不适用于非导电的材料。

2.6 其他无损检测技术

随着科学技术的不断进步，各种新型无损检测方法不断涌现并在承压类特种设备检验检测中得到应用。以下主要对承压类特种设备检验检测中几种先进的无损检测技术做简单介绍。

2.6.1 衍射时差法超声检测

衍射时差法超声检测（TOFD）技术最初是被开发用作缺陷自身高度的测定工具。由于具有缺陷检出率高、检测结果可靠等优点，近年来在特种设备检验检测行业中得到了广泛认可和运用。TOFD是利用缺陷端点的衍射波信号进行检测，其采用一发一收探头的工作模式。当试件中存在缺陷时，到达接收探头的超声波信号依次为表面直通波、缺陷衍射波和底面反射回波。

2.6.2 声发射检测

声发射检测技术是通过探测受力时材料内部发出的应力波判断承压设备内部损伤程度，其主要用于在用承压设备整个系统安全性评价。基本原理：材料在应力作用下发生裂纹产生与扩展、塑性变形和位错运动时，其内部从不稳定的高能量应力集中状态快速过渡到稳定的低能量状态，在此平衡过程中释放出来的多余能量会以弹性应力波形式表现，从而产生声发射现象，通过分析接收到的声发射信号对声发射源作出评价和判断，其主要用于检测活动性缺陷。

2.6.3 超声相控阵检测

超声相控阵检测技术是借鉴相控阵雷达技术的原理发展起来的，目前已应用于石油天然气管道环焊缝检测等。

超声相控阵检测技术是利用电子方式控制相控阵探头合成的声束来实现超声波发射、接收的检测方法。由于其声束角度可控且可动态聚焦，故可用于检测复杂结构件、盲区位置缺陷等，能够实现全方位、多角度地快速检测。对于管形焊缝、管材等规则部件，还可提高检测效率、降低成本。

2.6.4 射线数字成像检测

射线数字成像检测技术是使用数字探测器把射线光子转换成数字信号，再由计算机处理显示数字图像的一种新型射线检测技术。

射线数字成像检测技术的主要特点：①可利用计算机软件强大的图像处理功能和多种手段得到信息丰富的数字图像；
②电子文档资料数据库检索、调用等快速方便；
③检测结果可长期保存并可通过互联网实现信息共享；
④检测效率高⑤可实现缺陷的自动识别及自动化检测；
⑥价格高昂、成本高。

每一种无损检测技术均有其能力范围和局限性，因此在承压类特种设备检验检测中应用无损检测技术时应掌握以下几个方面的特点[24-26]。

3.1 无损检测要与破坏性检测相结合

无损检测的优势在于检测过程中不会对被检部件的结构、材料等造成损伤，故检查率可达100%。然而，无损检测技术自身也存在局限性，无法完成所有项目需要的检测，某些项目只能采取破坏性检测。因此，要对承压类特种设备的状况作出准确地判定，把2种技术的检测结果结合起来，综合分析。

3.2 正确选择实施无损检测的时间

要依据无损检测目的正确选择实施检测的时机。例如，对高强钢焊缝进行无损检测时，要在焊接完成24 h以后再实施检测，只有这样才能检测出焊缝中是否存在延迟裂纹。抓住正确的检测时机至关重要，其直接关系到检测结果的可靠性。

3.3 选用最适当的无损检测技术

每种无损检测技术都有其能力范围和局限性。为了能够得到可靠的检测结果，必须针对被检试件的特点（应综合考虑材质、形状、尺寸和经济性等多种因素）正确合理地选用无损检测技术。例如，检测试件表面是否有微裂纹，应选用磁粉或渗透检测，而不宜采用超声波或射线检测。与此同时，除了考虑技术层面的因素，还应充分考虑检测的经济性，做到既能保证被检试件的质量安全，又能保证其经济适用性。

3.4 综合应用各种无损检测技术

在实施无损检测的过程中，要尽量综合应用各种无损检测技术，实现优势互补，以便获取更多关于被检部件的检测信息，从而得到较为准确和可靠的检测结果。例如，超声波对裂纹等面积型缺陷检测灵敏度高，但却不能准确地定性，而射线检测在缺陷定性方面比较可靠，将2种检测技术联合运用可大幅提高检测结果的可靠性。除此之外，还应结合被检部件材质、制造工艺、结构等诸多因素对检测结果进行综合判定。

承压类特种设备广泛应用于人们的日常生产生活中，是我国经济社会可持续发展的重要支撑力量。承压类特种设备能否安全运行直接关系到国家财产安全和人民的生命健康。无损检测技术作为保障特种设备安全运行的重要技术手段，近年来得到了长足的发展。随着改革开放不断深化，我国的无损检测技术水平突飞猛进，与科技发达国家之间的差距不断缩小，特种设备的检测能力和装备水平得到了空前的发展。但也应该清楚地认识到，随着承压类特种设备技术水平的不断提升，特种设备正朝着大型化、复杂化和智能化发展，其测试和检测方法越来越复杂，检验检测工作的难度也越来越大，而我国目前的无损检测技术水平已不能满足日趋严峻的特种设备检验检测状况。因此，大力发展无损检测技术，解决相关“卡脖子”问题，实现无损检测技术的高质量快速发展迫在眉睫。只有无损检测技术进一步发展才能更好地满足我国特种设备检验检测的需求，才能为我国特种设备的绿色安全运行保驾护航。笔者认为，现阶段我国大力发展无损检测技术和装备水平，提升特种设备检验检测能力，可从以下几个方面入手。

1）人员方面。当前，我国的大部分检测人员依然从事的是简单的检测操作，并依靠个人经验进行相应的检测结果判定，缺乏专业的检测理论知识和系统的教育培训，人员素质普遍较低。亟需培养大量的高素质无损检测专业技术人员，打造一批高素质无损检测团队，以满足现阶段我国特种设备检验检测事业的需求。

2）技术及装备方面。当前，我国先进的无损检测装备和检测技术主要依靠从国外引进，缺乏相关的核心技术，自主创新能力不足。要在现有基础上不断加强无损检测方面的技术和理论创新，加大研发投入和研究力度，有针对性地提高研发领域的技术水平，推动无损检测技术向自动化和高精准度等方向发展，开展大型设备可靠性、高效性和安全性研究，研制各种特种设备安全检测装备，使我国的无损检测技术和装备赶超国外先进水平。

3）制度方面。国家相关部门应进一步完善相关法律法规和检测标准，提高无损检测人员及企业的准入资质门槛，建立和完善特种设备安全监察及评价体系，牵头搭建特种设备安全科技平台，进一步强化安全监管。