压力容器无损检测
超高压容器的无损检测技术
周裕峰，沈功田
王道乾
(中国特种设备检测研究中心，北京 100013)
摘 要：超高压容器广泛运用在化学、石化、人造水晶、合成金刚石、等静压处理、超高静液压挤压、粉末冶金、金属成型、地球物理和地质力学等行业或领域。在其制造、使用过程中，无损检测是保证产品质量和保证安全使用的有效手段之一。由于超高压容器一般为锻造的厚壁筒体结构，制造过程中的无损检测以超声检测、磁粉检测和渗透检测为主。在用超高压容器的无损检测以表面检测为主，方法有工业内窥镜检查、磁粉检测、渗透检测、磁记忆检测和涡流检测等。超声检测既要检测部件内部又要兼顾内表面缺陷的检测。在容器使用过程中可用声发射进行实时监测。 关键词：压力容器；超高压容器；无损检测；超声检测；综述
中图分类号:T G115.28 文献标识码:A 文章编号:1000 6656(2005)04 0202 05
Nondestructive Testing of Pressure Vessels:
Nondestructive Testing Technology for Ultra High Pressure Vessels
ZHOU Yu feng,SHEN Gong tian
(China Special Equipment Inspectio n&Resea rch Centre,Beijing100013,China)
Abstract:U ltra hig h pr essure vessels are widely applied in the fields and industr ies o f chemical,petr ochem ical, artif ical cry stal,co mpo und diamond,isometr ical hydro statics tr eat ment,ultr a high hy dr ostatics ex trusio n,pow der met allur gy,mater ial mo ulding,physical geo gr aphy,g eolog ic mechanism etc.N ondestr uctive testing(N DT)is one of the effect ive methods t o ensure the qualit y of pr oduct and safety running during fabr icatio n and use.T he primary NDT metho ds fo r ultr a high pressure v essel dur ing fabr icatio n are ult rasonic testing,magnetic part icle t esting and penetrant testing fo r the st ruct ur e character.T he primary N DT methods fo r ultra hig h pressure vessel in serv ice ar e industria l inner peek mir ror ex aminatio n,magnetic par ticle testing,penetr ant testing,metal mag netic memo ry test ing,eddy cur rent testing and so on.U ltr asonic testing not o nly exam ines the inner defects but also the inner surface defects.Aco ustic emissio n testing can be used for real t ime monito r o f the pressur e vessel during operatio n of pre
ssur e vessel.
Keywords:Pressure vessel;U ltr a high pressure vessel;No ndestructive testing;U ltraso nic testing;Rev iew
按照超高压容器安全监察规程!(以下简称为规程!)规定[1]，满足工作压力1000M Pa∀p∀100M Pa(新规程!送审稿中为1400M Pa)，内直径∀ 100mm，介质为气体或气/液体的容器为超高压容器。但是军事装备用的超高压容器和机械上独立的超高压部件(如超高压压缩机、超高压泵的缸体等)不适用于规程!。超高压容器不但工作压力很高，而且工作温度也较高，最高可达到1500#。
芳香胺收稿日期:2005 02 20
超高压容器不但能促进化学反应(如乙烯的聚合)，还能改善一些物质的表面状态、分子排列以及物理性能[2](如硅酸盐产品、塑料、粉末冶金等金属、非金属产品)，还能模拟地球深处高温高压条件，进行地球物理、地质力学、岩石实验的研究。
超高压容器由筒体和主要受压元件组成。主要受压元件有顶底盖、凸肩头盖和螺栓、卡箍、框架等紧固件；其中用钢多选Cr Ni M o或Cr N i Mo V等低合金高强度钢；其筒体常用的结构有单层厚壁筒体、双层或多层筒体、绕丝式筒体、剖分块式筒体和
层间充压式筒体等。我国超高压容器筒体结构的选择，一般最高工作压力在100~300MPa时，常选用单层厚壁锻造筒体或双层热套筒体结构；最高工作压力在200~350M Pa，用于高温等静压处理时，常选用绕丝式筒体结构；最高工作压力在300~ 800M Pa时，常选用双层热套筒体或三层热套筒体结构；最高工作压力在800~1000M Pa时，常选用三层热套加自增强筒体结构；最高工作压力在1000MPa以上时，常选用内层剖分扇块的筒体结构。整体锻造的厚壁超高压容器在国内外应用最为广泛。主要承压零部件多为各种形状的锻件。
目前，国内只有规程!对超高压容器的材料、设计、制造、使用与管理、定期检验和安全附件等方面进行原则性规定，并无相应的标准具体规定如何制造和定期检验。美国ASME规范第∃卷第3册对设计压力>68.9M Pa(10000psi)的设计、制造、检验和超压保护给出了详细要求。
1 制造过程中的无损检测技术
超高压容器是由各部件按不同连接方式装配而成。在各部件互相装配前，特别是一些装配后无法拆卸的部件，必须按照规程!的有关规定、相关标准、设计图样及技术条件的要求进行无损检测，合格后进行装配。
超高压容器部件制作以锻造为主。锻件的生产过程主要包括炼钢原材料的精选和准备、钢的冶炼、钢锭的浇注、钢锭的加热与锻造成型、锻件的冷却与热处理。因此锻件中可能存在的缺陷有铸造缺陷，
如已变形的残余缩孔、疏松、夹杂、裂纹等；锻造缺陷有折叠、白点、裂纹等；热处理缺陷有裂纹等。
规程!规定对筒体锻件在热处理前后应各进行一次100%超声检测。其它主要受压元件一般在热处理后，孔、台螺纹等结构机械加工前应进行一次100%超声检测。在精加工后进行100%磁粉检测或渗透检测。制造单位根据设计技术条件的要求，一般在耐压试验后，还应对容器进行一次100%超声检测和表面检测。
1.1 超声检测
1.1.1 筒体制造过程中的超声检测
对于几何尺寸较大的筒体，可先将钢坯锻造成相应外形尺寸的实心轴类锻件，然后机械加工成最终筒体形状。对于几何尺寸较小的筒体，可先在钢坯中穿孔，加热后在孔心中穿一心轴，直接在水压机上锻造出所需外形尺寸的筒体，之后进行机械加工。
实心轴类锻件的锻造工艺主要以拔长为主，因而大部分缺陷的取向与轴线平行。筒类锻件的锻造工艺是先镦粗，后冲孔，再滚压，因而缺陷的取向比较复杂，主要为与筒体外表面平行的缺陷。因此，超声检测应以纵波直探头从径向检测为主，考虑到可能出现的其它方向的缺陷，还应以纵波直探头进行轴向检测和横波斜探头进行周向及轴向探测。
探头选用 纵波直探头径向轴向检测可选用2.5M H z，晶片 25m m的纵波单晶直探头；横波斜探头周向探测可选用一组2.5M H z，晶片面积为140~400mm2不同K值的探头，保证声波能够扫查到整个筒体，并将探头修磨成与锻件外表面相吻合的弧面,K值采用不同深度的反射体进行两次测量计算得出；横波斜探头轴向探测可选用2.5MH z，晶片面积为140~400mm2的K1横波斜探头。
试块选用 试块应采用与被检锻件声学性能相同或相近的材料，外形尺寸应能与被检锻件的特征和厚度相对应，最好取自于被检锻件的一部分。纵波直探头检测时，可选用有 2mm平底孔的试块或用锻件本身作为试块；横波斜探头探测时，可选用 2和 3mm横通孔为反射体的试块。对于筒体成型后的各阶段超声检测，还应针对内表面区域选用壁厚的2%和1.5mm中较小深度的60%V形槽，长度为25mm的反射体。美国ASME规范第∃卷第3册规定按第&卷有关大型钢锻件超声检测标准制备试件。平底孔直径由合同确定;60%V形槽反射体深度为壁厚的3%和6m m中较小者，长度约为25mm。对于超高压容器，用此种反射体调节灵敏度，对内外表面检测的灵敏度较低。
灵敏度的确定 检测灵敏度为 2mm当量直径和V形槽一次波高为80%的满屏高。纵波单直探头检测，用锻件本身作为试块时，可用三倍近场区外的底波调节灵敏度。
验收标准 不允许有> 3m m当量直径的单个缺陷或∀ 2m m当量直径的密集缺陷存在，在筒体内壁和开孔部位沿边缘50mm厚度范围不允许有 2m m当量直径的单个缺陷存在，或按设计图样和技术要求进
行验收。密集缺陷是指当荧光屏扫描线上相当于50mm的声程范围内同时有5个或5个以上的缺陷反射信号；或者在50mm∋50mm的探测面上发现同一深度范围内有5个或5个以上缺陷反射信号。筒体内外壁反射波高不得超过距离
波幅曲线。
由于实心轴类锻件还存在较大加工余量，如外壁加工余量和中心镗孔量。因此超标缺陷定位很重要，以免不必要的判废带来的经济损失。
1.1.2 其它主要受压元件制造过程中的超声检测
其它主要受压元件形状多样，如顶底盖、凸肩头盖和螺栓、卡箍、框架等紧固件的形状有饼类、轴类和环类等。
超声检测以纵波直探头为主，必要时，环类锻件还应增加横波斜探头检测。纵波直探头检测原则上应从两个相互垂直的方向进行，尽可能检测到锻件的整个体积。当锻件厚度>400mm时，应从相对两端面进行检测。
探头选用 元件检测距离<45mm时，可选用5MH z，晶片面积(150mm2的纵波双晶直探头；检测距离∀45m m时，可选用2.5M H z，晶片直径一般为25m m的纵波单晶直探头。
试块选用 采用纵波双晶直探头检测时，可选用CS)型试块；采用纵波单直探头检测时，可选用CS∗型试块；当检测面为曲面时，可采用CS+对比试块测定由于不同曲率引起的声能损失。
灵敏度的确定 检测灵敏度一般为∀ 2m m 平底孔当量直径。当被检部位的厚度大于等于三倍近场区长度，且探测面与底面平行时，可采用底波计算法确定灵敏度。
验收标准 不允许有> 6mm当量直径的单个缺陷或∀ 4mm当量直径的密集缺陷存在。1.2 表面检测[3]
筒体及主要受压元件在精加工后需进行100%磁粉或渗透检测。对于铁磁性材料一般采用磁粉检测，非铁磁性材料或由于形状等原因无法进行磁粉检测时，采用渗透检测(推荐采用灵敏度较高的荧光渗透探伤)。
磁粉一般采用荧光磁粉，其应具有高磁导率、低矫顽力和低剩磁。载液一般选用油基载液，油液应有良好的渗透性，无味、无毒、无腐蚀、挥发性小和无荧光，粘度在38#时,3mm2/s，使用温度下应,5mm2/s，闪点∀94#，初沸点>200#，终沸点>360#。磁悬液浓度应根据磁粉种类、颗粒度、施加方式和被检元件表面状态等因素决定。一般情况下配置浓度应在0.5~3g/L，沉淀浓度应在0.1~ 0.4mL/100m L。
制造过程中的磁粉检测设备一般选用固定式探伤机。根据检测要求选择合理的磁化方法。筒体内表面
一般采用中心导体法检测轴向缺陷，采用螺管线圈法或感应电流法检测周向缺陷。根据筒体实际情况，选择导体和螺管线圈规格、磁化电流、一次或多次磁化以及磁粉施加方法；同时应根据筒体外表面和主要受压元件的外形，选择有效、高效的方法进行检测。
磁化电流应为低电压、高电流，可采用交流电、直流电或整流电。交流电磁化因具有集肤效应，可提高元件表面缺陷检测灵敏度；其次，可得到比较均匀的表面磁场分布，便于变截面元件的检测。直流电磁化时，电流无集肤效应，在被检工件内深度方向均匀分布、磁场渗透性能好、检测深度大、近表面缺陷检测能力比交流强。整流电兼有渗透性和脉动性，但集肤效应较小，因此也适于检测近表面缺陷。根据工件特点和检测重点，制造中，一般选用直流电或整流电作为磁化电流。
电流强度是决定检测灵敏度的重要因素。电流过小，磁场强度较弱，缺陷可能显示不出；电流过大，则不仅会使工件发热以至灼伤，而且铁磁颗粒还会显示出组织的纤维、划伤及其它伪缺陷。因此，电流强度也应依据实际情况确定。中心导体磁化时，连续法磁化规范为，交流电流I=(8~15)D，直流电、整流电I=(12~32)D；剩磁法磁化规范为，交流电、直流电、整流电I=(25~45)D(D为工件横截面上最大尺寸,m m)。磁化方法也可采用偏置心棒法，按上述公式计算，其中D为心棒直径加两倍工件厚度。由此可见，对于壁厚较大的筒体，常用交流电偏置心棒法磁化，使电流不至于太大而无法实现。
检测前应使用标准试片进行灵敏度测试。达到灵敏度要求后进行检测。
以目视或配合放大镜观察被检测部位；无法直接目视的部位，需借助视频设备进行观察，如工业内窥镜、工业电视等。
表面检测要求不允许存在裂纹、白点和气孔等缺陷，不允许存在长度>2mm的线性缺陷或直径> 4mm的圆形缺陷显示。发现4个或4个以上呈线状分布的线性或圆形缺陷且其相临缺陷首尾相距−1.6mm时，则为不合格件。或按设计图样和技术要求进行验收。线性缺陷指长宽比>3，且长度尺寸∀1.6mm的缺陷。圆形缺陷指长宽比,3，且长度尺寸∀1.6mm的缺陷。
2 在用超高压容器的无损检测技术
从超高压容器基本结构和实际工作状况来看，超高压容器使用过程中，内壁承受着很大的应力，以至于可能发生屈服或塑性流动，也易出现应力腐蚀和疲劳破坏的可能，因此极易产生内表面裂纹，特别是因结构导致应力集中的部位(如台阶、退刀槽、螺纹齿根等)，原始存在的内部缺陷极易扩展。这些都是在用超高压容器的检测重点。
现场检测不同于制造过程中的检测。已装配好的容器，许多部件无法拆卸(如夹套和绕丝等)，且绝大多数超高压容器内径小，检验人员无法进入，使制造过程中易于实施的检测手段无法实施。
规程!规定的检验项目有容器的内外表面、开孔处等部位有无腐蚀和冲蚀等现象，应力集中部位有无裂纹；对有怀疑的部位，用放大镜检查或无损检测。主要紧固螺栓，应逐个进行外形宏观检查(螺纹、圆角过渡部位和长度等)，并用磁粉或着检查有无裂纹。对于容器筒体内表面检测，以工业内窥镜检查为主，还可选用磁粉、渗透、磁记忆、涡流和超声检测；其它可直接检测面可选用磁粉或渗透检测。2.1 工业内窥镜检查
工业内窥镜是运用几何光学原理将目镜可及部位表面状况通过光导纤维等导光材料传送到观察处，供检验人员观察、分析和记录。超高压容器筒体内径小、长度长，检验人员已无法直接观察几米、十几米位置工件的表面状况，运用工业内窥镜就可以解决这一问题。图1和图2为一台高温超高压 200mm 测井试验容器筒体东侧距上端5.5m 左右处的凹坑影像。另外，工业内窥镜还是磁粉检测或渗透检测观察的有效手段。
图1 超高压容器内的凹坑
2.2 磁粉检测
现场检测时一般选用移动式或便携式磁粉探伤机，对工件进行局部或分段磁化，便携式运用最为广
图2 超高压容器内的腐蚀坑
泛。由于检测重点是工件表面以及不同磁化电流的特性，一般选用交流电磁化。筒体内壁的检测经常需要一套携带检测仪的机械携带装置、磁粉施加和观察装置进行分段、局部检测。检测前应将被检部位表面清理干净，如果存在薄层介质无法清除，应选择能在被检面良好润湿的磁悬液。检测时必须注意不能将工件表面划伤或灼伤。对于孔径较小的孔，可用橡胶铸型法进行检测。2.3 渗透检测
在用超高压容器检测中，螺纹、沟槽等结构运用渗透检测较多，主要用着渗透检测。着剂的质量应符合相关标准要求。对一些特殊材料(如奥氏体不锈钢和钛及钛合金材料)，渗透检测剂中的氯、氟离子含量有极限要求。检测灵敏度应达到高灵敏度级别。检测时，表面处理尤为重要，必须清除表面所有工作介质、油污、锈迹、氧化层和毛刺等影响检测的所有物质。2.4 磁记忆检测[4]
由于超高压容器的工作特点是在上百兆帕的内部压力下工作，一些容器还承受着几百甚至上千度的高温，还有一些承受着压力或温度交变载荷，内壁应力极大。
磁记忆检测基本原理是，处于地磁环境下的铁制工件受工作载荷的作用，其内部会产生具有磁致伸缩
性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向，并在应力与变形集中区形成最大的漏磁场。这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后继续保留，从而通过测定漏磁场，便可以准确地判断出工件应力集中区。而应力集中区也是易产生表面裂纹的区域，可通过其它表面检测方法进行复验。
应注意，在容器使用磁记忆检测前，不能施加磁场(电磁检测)进行检测，否则磁记忆信号被强磁场所破坏，使磁记忆检测毫无意义。
2.5 涡流检测
电泳工艺对于超高压容器表面缺陷，可以采用涡流检测方法进行检测。
超高压容器的材料通常是铁磁性材料，其导磁率 1。在与检测线圈相互作用的过程中，它将使检测线圈的阻抗大大增加。在对铁磁性材料的实际检测中，如果由于材料本身的原因，使其磁导率在材料上各处不一致，这样会使检测线圈阻抗变化很大，从而对检测结果影响很大。
使用较大的磁饱和装置对铁磁性材料进行预磁饱和，不适用于现场检测，可选用自比差动点式检测线圈。点式线圈可以做得很小，所以它与被检元件相互作用面积是很小的，这样，在该区域中磁导率变化远小于缺陷产生的信号，提高了信噪比和检测灵敏度。自比差动式检测线圈对工件中缓慢的材料性能和形状变化的影响有抵消作用，而对工件中突然的不连续(如裂纹)，将产生很强的信号。
北京女奴检测过程中，探头应与被检元件表面接触良好，以线圈两磁心连线互相垂直的两个扫查方向进行扫查，以检测不同方向的缺陷。
2.6 超声检测
对于检测容器内部存在的缺陷在使用过程中是否扩展，可用文中1.1所述的方法进行。
在用超高压容器检验的重点是用横波斜探头从外壁检测筒体内壁和台阶、退刀槽等结构是否存在表面缺陷，以弥补其它表面检测无法实施时的内表面缺陷的检测；还有是采用纵波直探头或小K值纵波斜探头按标准检测螺纹齿牙根部是否存在裂纹。
采用横波斜探头检测容器内表面轴向缺陷时，探头K值选用的极限条件是声束的中心线与内表面相切。由于超高压容器内外径之比多在0.5左右，按理论计算，此时横波折射角.30%，由第一临界角的理论可知钢中存在着横波和纵波。对于声束的中心线与内表面相切检测内表面裂纹的效果并不理想，还应选取略小于相切所对应的横波折射角，但又要防止折射纵波接近内表面。采用横波斜探头检测容器内表面周向缺陷和一些台阶、退刀槽等结构内表面缺陷时，可采用K1纵波斜探头进行检测。试块反射体可采用60%V形槽，槽深一般为壁厚的2%，且,1.5m m。具体选择应根据实际容器检测要求确定。实验证明，超声检测可可靠地检出0.5mm深的60%V形槽。用试块内外壁上的V形槽作距离 波幅曲线进行检测。3 超高压容器运行过程中的声发射监测
声发射检测技术的特点是必须在加载的过程中采集数据，而超高压容器加载十分困难，常需要温度的辅助。采用声发射检测技术的目的是检测设备中是否存在活性缺陷，它也是设备安全运行时实时监控的有效手段。
超高压容器运行过程中受强大的内应力作用，如果出现屈服、缺陷开裂或失效等现象将会发出应力波，这一现象属于声发射。声发射检测能对运行过程中的容器进行连续的远距离监测。在整个过程中，只需将一定数量的传感器固定在各个位置。声发射检测能十分敏感、迅速地反映出材料内部的瞬间不稳定性，也可确定容器本体中活性缺陷的位置和活度。
4 目前存在的检测难题
目前，一些结构的超高压容器的元件在用过程中根本无法检测，如多层筒体的中间层和部分层间结构、绕丝式筒体的绕丝结构、剖分块式筒体的剖分块等。需要继续开发新的无损检测技术和方法，而且，由于形状的原因，需研制携带各种检测设备检测长径比大的容器内壁的爬行装置。
5 结论
综上所述，无损检测是保证超高压容器产品质量和安全运行的重要手段。超高压容器在制造过程中，采用超声检测和磁粉检测或渗透检测就可以满足规程!的要求，且较容易实现。在用超高压容器，受其
结构的影响，许多无损检测方法无法实施，这就需要更多、更新、可现场实施的无损检测技术相互取长补短，为容器的安全运行作贡献。
参考文献:
八度网上论坛成人[1] 超高压容器安全监察规程[S],1993.
[2] 邵国华，等.超高压容器[M].北京：化学工业出版社,
2002.(下转第218页)
作者说明
无损检测2005年第2期/ASM E规范案例和焊缝超声检测新规定0一文表2(第101页)中的a/t值换算有误，该栏数值应全部缩小25.4倍。对给读者带来的麻烦在此深表歉意。摩托车下乡补贴
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议