2.9　无损检测

2.9.1　原材料无损检测

2.9.1.1　钢板超声检测

板材是制造板焊结构压力容器的主要材料，板材的质量直接影响压力容器的质量。钢板的质量与冶炼过程和轧制工艺有关。外部缺陷主要有重皮、折叠、裂缝等，内部缺陷主要有分层、夹层、层状非金属夹杂物、白点（氢裂纹）等。由于钢锭头部在凝固时收缩产生缩孔，在成材过程中如果未切除干净，轧成钢板后就会形成夹层或分层。如钢锭中含有非金属夹杂物、金属氧化物、硫化物以及夹渣等缺陷，在轧制过程中也会形成夹层。白点是在轧制后发生的缺陷，它是由溶解在钢中的氢原子在非金属夹杂物交界处作为氢分子析出所致。一般在含Mn、Ni、Cr元素的合金钢板中存在。上述几种缺陷的延伸方向与轧制方向一致，分层与夹层大都与钢板表面平行或基本平行。故用超声波直探头在轧制面上探测最为有效。

（1）中厚板的超声检测

板材的检测方法以板的厚度来分。对于压力容器用薄板（小于6mm）采用横波进行检测，中厚板（6～60mm）和厚板（大于60mm）则采用纵波垂直检测。中厚板材检测常用方法有：①单探头直接接触多次反射法；②单探头直接接触一次或二次反射波法；③双晶探头直接接触法和间隙法；④单探头水浸法等。钢板检测频率一般选用2～5MHz，探头直径10～30mm。按照JB/T 4730.3—2005标准中规定，试块采用ф5mm平底孔。不同钢板厚度范围选用的试块厚度和孔深也不同。扫查方式为垂直于压延方向，以100mm间距平行线移动。发现缺陷、测定缺陷面积有下列三种情况：无底波，只有缺陷波的多次反射；缺陷波和底波同时存在；无底波，只有多个紊乱的缺陷波。该标准还规定了有关质量评定标准。

（2）复合钢板的超声检测

复合板由基层和复层材料组合而成。组合方式有轧制、焊接和爆炸结合三种。复层材料一般使用不锈钢、钛、铜合金等材料，以提高材质的耐腐蚀或耐磨性能。复合板材中的缺陷主要是基层和复层交界面上贴合不良或脱层。复合钢板超声检测主要检查有无脱层。由于基层和复层之间交界面上贴合不良或脱层是与板面平行的，所以用直探头纵波检测最为有效。探测频率一般为2～5MHz，探头直径10～30mm。检测可以选在复层面，也可选在基层面，采用垂直检测法。检测面选在复层时，用充水探头可以获得较好的检测效果。对于用不锈钢作复合材料的复合钢板，由于基层与复层材料的声阻抗相差甚微，如果结合良好，基本上没有界面回波。检测灵敏度是把完好区的底波调到荧光屏满幅度的50％以上，以225mm垂直格子线或以垂直于钢板主轴线的间距为100mm平行线（亦可沿平行于钢板主轴线间距为75mm平行线）进行扫查，并在钢板所有边缘50mm内进行全面积扫查，发现缺陷时，在其周围探测确定缺陷面积。缺陷评定等级按JB/T 4730.3—2005标准规定。美国ASTM A578《复合钢板超声波直射波检验标准规范》的验收标准为：“当底波完全消失，并有复合层和基层的复合面回波时，说明未结合”，“未结合面积的直径大于3英寸时，应予拒收。”

2.9.1.2　锻件超声检测

压力容器锻件主要用于顶盖、底盖、接管、法兰、封头和筒体。Ⅲ级以上锻件均要求进行超声检测。锻件原材料中常见的缺陷有缩孔、疏松、夹杂物、裂纹。加工过程中的缺陷主要有裂纹、白点、折叠。热处理缺陷主要有裂缝。

锻件的检测应按JB/T 4730.3—2005标准规定，将压力容器锻件按形状分为六种，即筒形锻件、环形锻件、饼形锻件、碗形锻件、条形锻件及长颈锻件。探头频率主要为2.5MHz，晶片采用ф20mm的硬保护膜直探头，各种锻件规定了主探测面。检测灵敏度用大平底计算法确定。检测时记录单个缺陷、密集缺陷和由缺陷引起底波降低量，并将这三种情况分为五个等级，并对各种锻件在NB/T 47008～47010标准《承压设备钢锻件》中规定了验收级别。对内外径比大于或等于80％的环形和筒形锻件，还规定了横波无损检测方法。

2.9.1.3　管材的超声检测或涡流检测

（1）管材的超声检测

需进行超声检测的管材，主要是指在高温、高压状态下工作的管材以及在特殊情况下应用的特殊类型的管材。管材有无缝钢管、电阻焊接管、大口径厚壁管等。压力容器使用无缝钢管为最多。管材中存在缺陷随原材料中的缺陷不同和制造工艺不同而不同。常见的缺陷有裂纹、夹层、夹渣、重皮等，大口径管子中存在缺陷与锻钢件类似。

①小口径管检测　小口径管一般采用水浸聚焦，以折射横波进行检测。应预先按钢管纯横波检测条件和保证内壁探测到的条件选定偏心距，聚焦超声波束的焦点应落在管心上，由此可算出焦距和透镜曲率半径。检测时采用同材质同规格的对比试样校验灵敏度，其人工槽多为尖角槽，也有矩形槽和U形槽。检测时，若反射信号超过对比试样上槽的反射信号，则管子的缺陷应判废，反之算合格。

②厚壁管的检测　当壁厚t和外径D的比值大于0.23时，横波波束就扫不到内壁缺陷，这时可用波形转换来探测内壁缺陷，即折射纵波在管子外壁上发生波形转换，产生反射横波，用来探测厚壁管内壁缺陷。

③大口径焊接管的检测　这是一种有曲率的平板对接焊缝，有曲率焊缝的定位、定量均需特别考虑。当曲率半径R大于125mm、小于250mm时，探头应与工件曲面吻合，可用直接接触法，但探测条件和检测需采用特定的方法。当工件曲率半径R大于250mm，声程校正系数μ（μ=筒体检测时的半声程长度/平板检测时的半声程长度）大于1.1时，必须考虑定位修正，此时探测条件可与平面斜探头相同。当工件曲率半径R大于250mm，且μ小于1.1时，按JB/T 4730标准规定，可完全按平板对接焊缝处理。

（2）管材的涡流检测

涡流检测是以电磁感应理论为基础，高频交变电压发生器供给检测线圈以激励电流，在试件周围形成一个激励磁场。这个磁场在试件中感应出涡流，涡流又产生自己的磁场，涡流磁场的作用是削弱和抵消激励磁场的变化，而涡流磁场中就包含了试件好坏的信息。检测线圈用来检测试件中涡流磁场的变化，也就是检测了试件性能的好坏，这个检测到的信息用指示器指示出来，这就是涡流检测的基本原理。

涡流检测与其他检测方法相比有独特之处，主要有：①涡流检测只适用于导电材料（包括石墨等非金属导电材料）；②涡流检测特别适用于导电材料的表面和近表面检测；③涡流检测不需要耦合剂；④涡流检测能对在高温状态下的工件进行检测；⑤能检测工件的各种性能，如电导率、磁导率、硬度、内应力、热处理情况、不同材料的分选、测量金属厚度、薄带厚度、金属材料上非金属涂层或铁磁材料上非铁磁涂层厚度等。也可用于管棒直径、椭圆度、金属之间的距离测量。

2.9.2　焊缝无损检测

压力容器的主焊缝基本上由焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊、气体保护焊等方法完成。常见的缺陷有气孔、夹渣、裂纹、未焊透。焊接接头形式有对接、T形、角接、锁底等接头，因此所选用的无损检测方法、标准也各不相同。

2.9.2.1　焊缝射线检测（RT）

焊缝的射线检测可按图2-70～图2-73所示方法进行。对于大直径管焊缝可按图2-74所示方法进行检测。对于小直径的对接管焊缝，或已焊好但无法将胶片或射线源放入管中的管子焊缝，可按图2-75所示的方法，使射线源与管焊缝倾斜一定角度进行照相。将射线源（周向X光机或γ射线源）放在工件圆心位置上，将胶片贴在工件的外表面进行射线照相，称周向曝光技术（图2-76）。对于其他的焊缝，可根据实际照相情况，选择适当的照相方法。

1—射线束；2—工件；3—胶片

1—射线束；2—工件；3—胶片

1—射线束；2—工件；3—胶片

1—射线束；2—工件；3—胶片

1—射线束；2—工件；3—胶片

1—射线束；2—工件；3—胶片

1—射线源；2—射线束；3—工件；4—胶片

射线检测缺陷等级评定应按照JB/T 4730.2—2005标准执行。

2.9.2.2　焊缝超声检测（UT）

①对接焊缝的超声检测　由于焊缝有加强余高，表面凹凸不平，焊缝中的危险性缺陷（裂纹、未焊透）大多垂直于板面，所以，对接焊缝的超声检测一般都利用斜探头在焊缝两侧与钢板直接接触，以所产生的折射横波进行检测。为保证整个焊缝截面都被超声波束扫查到，探头必须在焊缝内外表的探测面上左右、前后移动。通常要对探测面进行打磨修整，必要时还需将焊缝余高磨平。检测前必须在探测面上涂上耦合剂。探测频率一般在2～5MHz。各种焊缝检测标准对检测灵敏度都有具体规定。对于各种缺陷的定位、定量和定性准确度，除遵照超声检测的基本要求外，还和操作者的实际检测水平和经验有关。超声检测的焊缝缺陷评判按JB/T 4730.3—2005标准执行。

②接管角焊缝的超声检测　在压力容器中，常见的是大口径管座角焊缝。焊缝部位是受力最复杂、强度较薄弱和应力集中的区域。大口径管座角焊缝一般有两种类型，如图2-77所示。按JB/T 4730.3—2005标准规定，可采用2.5MHz的软保护膜探头或双晶探头。无论使用哪类探头，其探头底面必须和探测面接触良好。

③奥氏体不锈钢堆焊层超声检测　随着石化工业的发展，以脱硫用反应器为代表的各种压力容器和塔器类产品，其内表面随腐蚀条件不同，常衬以各种不锈钢等耐腐蚀材料。一般热壁加氢反应器的承压材料采用低合金高强钢，成形后在内表面堆焊1～2层奥氏体不锈钢，厚度为2～7mm。当母材与堆焊层熔合良好时，界面只出现反射声压较小的组织反射波，与底波声压比较，声压差大于30dB。为防止奥氏体钢晶粒粗大产生林状波影响，检测频率不宜太高，一般为2～2.5MHz。检测仪的选用应着重考虑仪器与探头的组合、近场分辨力和检测灵敏度。其最小探测深度不大于3mm，分辨力至少可将纵向相距1.5mm的两个回波清晰地区分开。探头为单直探头或双斜纵波分割式探头，一般以基层面进行检测，在发现缺陷时，应以堆焊面进行复验。可用平底孔试块或横孔试块，亦可采用按实际条件制成的AVG曲线图法。一般，多用平底孔试块探测堆焊层脱层，多用横通孔试块探测堆焊层下裂纹。检测时，探头沿100mm×100mm（或200mm×200mm）网格线进行检测，以发现缺陷，并测定缺陷范围。目前，国内外各用户因设备工况不同而验收标准不一，差别亦较大，除按JB/T 4730.3—2005标准外，还应满足各用户的附加要求。

2.9.2.3　焊缝表面磁粉检测（MT）

磁粉检测是利用有表面或近表面缺陷的工件被磁化后，当缺陷方向与磁场方向成一定角度时，由于缺陷处磁导率的变化，磁力线逸出工件表面，产生泄漏磁场，吸附磁粉而产生磁痕显示。磁粉检测广泛地应用于探测铁磁材料（如钢铁）的表面和近表面缺陷（如裂纹、折叠、夹层、夹杂物及气孔）。磁粉检测对工件表面的缺陷检测灵敏度高，随着缺陷埋藏深度的增加，其检测灵敏度迅速降低。另外，对于非铁磁材料的奥氏体化不锈钢、铝镁合金等有色金属不能应用磁粉检测进行检测。

磁粉检测材料（磁粉和悬浮液）的作用在于能够被缺陷部位的微弱磁场所吸附，显示出肉眼可见的缺陷图像，达到检出缺陷的目的。按施加时不同的分散媒介，磁粉检测中所使用的磁粉可分为干法磁粉和湿法磁粉；按颜色不同，可分为黑磁粉、红磁粉、白磁粉、荧光磁粉等。

磁粉检测的方法很多，按施加磁粉的磁化时机，分为连续法、剩磁法；按磁化电流的种类，分为交流、直流、脉动直流、冲击电流；按磁化方法，分为轴向通电法、触头法、线圈法、磁轭法、穿棒法、感应电流法；按磁化方向，分为同向磁化法、纵向磁化法、旋转磁场法、复合磁化法。磁粉检测的操作程序一般为：①表面准备；②磁化；③施加磁粉；④检查；⑤退磁；⑥清洗。随被检工件的材质、形状、表面状况、缺陷性质不同，具体检测工序也有不同。要对被检工件进行具体分析，制定出切实可行的检测操作工序。

磁粉检测缺陷评定按JB/T 4730.4—2005标准执行。

2.9.2.4　焊缝表面渗透检测（PT）

焊缝表面着色检测与荧光检测一起组成了焊缝表面的渗透检测。渗透检测的基本原理是利用黄绿色的荧光渗透液或红色的着色渗透液对狭窄缝隙渗透，经过渗透、清洗、显示处理后，显示放大了的检测显示痕迹，用目视观察，其中荧光检测必须在暗室中在紫外线灯照下观察。对缺陷的性质和尺寸可按照JB/T 4730.5—2005标准做出适当的评价。渗透检测可以检测工件表面开口的裂纹、疏松、针孔等缺陷。它不受材料磁性的限制，可应用于除表面多孔材料外的各种金属、非金属、磁性、非磁性材料。但对埋藏在工件表面以下的缺陷不能有效地检测出来。

渗透检测的优点是：工作原理简明易懂，对于操作者技术要求不高；不受零件几何形状、尺寸大小的限制；一次可探出不同方向的缺陷；设备简单、成本低廉、使用方便。缺点是：检测程序较烦琐；化学试剂易燃、易挥发，有的对人体有害；检测灵敏度受人为因素影响较大。

渗透检测材料有着色检测液和荧光检测液两大类，每类分别由渗透剂、乳化剂（或清洗剂）、显像剂等组成。

在对不锈钢焊缝做渗透检测时，如图样表明有应力腐蚀倾向者，则对渗透液的氯根（Cl-）含量应做严格限定。

这些渗透检测法的显像方式又分干式、湿式、速干式三种，可根据生产的要求进行选择。渗透检测的操作程序为：①清洗被检工件；②烘干清洗后的工件；③在被检测工件表面施加渗透剂；④去除多余渗透剂；⑤施加显像剂；⑥判伤检查。图2-78表示了渗透检测过程。

2.9.3　特殊零部件的无损检测

2.9.3.1　高压厚壁容器的焊缝检测

随着我国工业现代化的发展，炼油化工容器的大型化也日趋明显。近年来大直径高压厚壁容器的需求量也逐年递增，成形、焊接、检测等技术也得到较大发展。为适应高压容器焊缝无损检测的要求，国内一些大型压力容器制造厂引进了一些高性能的检测设备。其中有420kV X光机、4～12MeV加速器。直线加速器属高能射线检测，可探测厚度在250～400mm之间。国外直线加速器最大能量已达14MeV。直线加速器有以下优点：①加速器机头尺寸较小，适宜各方向运动，可用于大型工件的射线检测；②效率高，射线输出剂量大（透照厚度可达500mm）；③焦点直径小，有较高的检测灵敏度（焦点直径可达1mm，灵敏度达1％）。直线加速器是高能X射线检测中应用最多、效果较好的一种设备。

为提高厚壁焊缝无损检测的可靠性，在我国射线检测与超声检测是交替使用的。为克服超声检测无原始记录的缺憾，近年来，超声波自动检测系统（自行机械扫查、检测数据计算机处理或微机处理与记录、三维图像自动显示系统等）已得到应用，从而也避免了漏探或误判。

2.9.3.2　声发射检测

声发射检验是根据结构内部发出的应力波判断损伤程度的一种新的无损检测方法。它是一种动态无损检测方法，即使构件或材料的内部缺陷或潜在缺陷处于运动变化的过程中，也能进行无损检测。

材料或结构受外力或内力的作用，产生变形或断裂，以弹性波的形式释放出应变能，形成声源。从声源发出的信号经介质传播后到达换能器。由换能器接收，输出电信号，然后根据这些电信号对声发射源做出正确的评定。

声发射检测的特点是：①声发射可判断缺陷的严重性，明确来自缺陷的声发射信号，就可以长期连续地监视缺陷的安全性，这是其他无损检测方法难以实现的；②除少数材料外，金属和非金属材料在一定条件下都有声发射发生，所以声发射检测不受材料的限制；③由于声发射有不可逆性，进行声发射检验时，必须知道材料受力的历史，或在构件第一次受力时检测；④利用多通道声发射装置，可以确定缺陷所在的位置，在利用声发射检测出缺陷后，还可以用其他无损检测方法加以验证；⑤声发射检测到的是一些电信号，根据这些电信号来解释结构内部缺陷变化往往比较复杂，要有丰富的知识和其他试验手段配合；⑥声发射检测环境常常有强的干涉，虽然声发射技术中已有许多排除噪声的方法，但在某些情况下，还会使声发射检验的应用受到限制。

声发射的应用范围：①材料研究中的应用——可用于断裂分析、监视疲劳断裂、评价表面渗碳层脆性、监视应力腐蚀和氢脆，检测马氏体相变；②焊接质量监视——焊接过程、焊后裂纹监视；③监视压力容器的结构完整性——监视压力容器的操作程序、监视压力容器的水压试验、监视压力容器疲劳裂纹的扩展及在压力容器定期检查和核反应堆压力容器中的应用；④评价其他构件的完整性——监视飞机结构的完整性、评价海洋采油设备结构的完整性及在岩石力学中应用。