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压力容器无损检测——超声检测技术【1】

文档作者：潘荣宝,范宇,张保中,李剑文档来源：合肥通用机械研究所		点击数：	更新时间： 2023年01月29日
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压力容器无损检测
———超声检测技术( Ⅰ)
潘荣宝,范宇,张保中,李剑
(合肥通用机械研究所,合肥230031)
摘要:简述了压力容器用板、管、锻件、螺栓、焊缝和堆焊层的超声检测,详细介绍了每种检测
方法的探头选用、扫查方式、缺陷判别和质量等级评定等。并介绍了三种缺陷自身高度的超声测试
方法。
关键词:超声检验;压力容器;板;管;锻件;螺栓;焊缝
中图分类号:TG115. 28 文献标识码:A 文章编号:100026656 (2004) 0420188205
NONDESTRUCTIVE TESTING OF PRESSURE VESSELS :
ULTRASONIC TESTING TECHNOLOGY( Ⅰ)
PAN Rong2bao , FAN Yu, ZHANG Bao2zhong , LI Jian
(General Machinery Research Institute , Hefei 230031 , China)
Abstract : Ultrasonic testing of the plates , pipes and tubings , forgings , bolts , welds and
overlaid claddings used for pressurevessels was introduced , including probe selection , scanning
mode , defect discrimination and quality classification. Three methodsfor determining the height of
defects were given.
Keywords :Ultrasonic testing ; Pressure vessel ; Plate ; Pipe ; Forging ; Bolt ; Weld
凡承受流体介质压力的密闭设备称为压力容器,如各种气瓶、贮罐和塔器等。由于压力容器常在
高温(深冷) 、高压以及腐蚀介质条件下使用,因此其安全性十分重要[1 ] 。
压力容器的超声检测包括原材料的超声检测、制造过程和最终成品的超声检测以及在用压力容
器的超声检测[2 ] 。
压力容器超声检测主要采用的规范和标准有《压力容器安全技术监察规程》(1999 年) 、《在
用压力容器检验规程》(1990 年) 和JB 4730 —1994《压力容器无损检测》[3 ] 。
1 板材超声检测
板材主要用于制造压力容器的壳体,一般厚度为6～250mm[3 ] ,大多数压力容器用的钢板厚度为
8～40mm。钢板制造厂多采用超声局部水浸法检测,压力容器制造厂多采用接触法复验。在用压力容
器一般不进行钢板超声检测,当发现测厚异常以及鼓包等特殊情况时再做该项工作。
压力容器用钢板的检验与验收采用JB 4730 标准8. 1 款压力容器钢板超声检测及附录H 压力
容器钢板横波检测,当使用双晶直探头时,应附合JB4730 标准中附录G 双晶直探头性能要求。特别
要注意所使用探头的距离2 波幅曲线。
1. 1 厚度< 6mm 薄板的超声检测
对于厚度< 6mm 的薄板,如用单晶直探头法,由于其板厚可能在盲区内,缺陷难以分辨,因此改用
兰姆波(板波) 进行探伤。兰姆波分为对称型(S 型)与非对称型(A 型) 两种,兰姆波的波速不仅与介质
性质有关,而且与波的频率f 及板厚d 的乘积有关。由于该方法在冶金系统中应用较多, 在压力容器
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中基本不用,因此不再赘述。
1. 2 6～20mm 钢板的超声检测
此类钢板应采用双晶直探头检测,探头频率选用5MHz 效果比2. 5MHz 要好, 晶片面积要求
≮150mm2 ,其它性能应符合 JB 4730 附录G的要求。JB 4730 修订版中还规定了按 6dB 法测定
双晶直探头的波束宽度,其有效值必须> 16mm。采用阶梯试块调整灵敏度,使阶梯试块上与工件等厚
的底面第一次底波达到满幅度的50 % ,再提高10dB 作为探伤灵敏度。1. 3 厚度> 20mm 钢板的超声检测
应使用2. 5MHz 单晶直探头(圆晶片直径为<14～25mm ,或方晶片面积≮200mm2) 。使用平底
孔试块使其第一次反射波高调整到满幅度的50 %作为检测灵敏度。
当板厚> 60mm 时,也可取钢板无缺陷的完好部位的第一次反射底波来校准灵敏度(JB 4730 修
订版要求板厚大于等于探头的三倍近场区) 。6～250mm 厚钢板超声检测的扫查方式、缺陷判别和
质量等级的评定见JB 4730 标准[3 ] 。我国钢板超声检测标准与德国和日本是一致的。
1. 4 压力容器钢板横波检测
压力容器钢板一般不进行横波检测,除非用户有特殊需要时,JB 4730 —1994 附录H 明确规定
该方法用来检测钢板中非夹层性缺陷,并作为直探头超声检测的补充。
1. 5 复合板超声检测
总厚度> 8mm 的压力容器用轧制复合钢板的超声检测方法和缺陷等级评定在JB 4730 标准中
有规定。而爆炸复合钢板的超声检测在JB 4733 —1996《压力容器用爆炸不锈钢复合钢板》附录A
爆炸不锈钢复合钢板超声波检测方法中有规定。它是利用复合钢板本身调节灵敏度,将探头置于复合
钢板完全结合部位,调节第一次底波高度为荧光屏满幅度的80 %。当第一次底波高度不大于5 %荧
光屏满幅度的部位为未结合部位,将探头由未结合部位向四周移动,直至底波高度升为满幅度的40 % ,
以探头中心确定未结合区界限。其结合状态中B1 和B2 级分别与日本J IS G3601 标准中的B1F 和
B2S 相近,B1 级爆炸复合钢板要求结合率为100 % ,严于日本标准的规定,以满足临氢压力容器的使
用要求。
1. 6 压力容器用铝及铝合金和钛及钛合金板材的超声检测
对于铝及铝合金和钛及钛合金板材的超声检测灵敏度和质量等级评定国内是这样规定的:
(1) 将探头置于待检板材完好部位,调节第一次底波高度为荧光屏满幅度的80 % ,以此作为基准
灵敏度。检测方法同钢板。
(2) 板材质量仍是根据单个缺陷指示长度、单个缺陷指示面积以及板材中是否有裂纹等危害性
缺陷存在来评定。
2 钢管超声检测
钢管超声检测一般采用横波斜射法,它适用于壁厚t 与外径D 之比≤0. 2 的管作周向扫查和任
何t/ D 比值的管作轴向扫查。当t/ D > 0. 2 时,可采用纵波斜射法或变型横波斜射法作周向扫查。
虽然超声可用于检测碳钢、低合金钢和不锈钢管,但它不适用于分层缺陷的检测,采用尖角槽作对比试
块的人工缺陷,若缺陷回波比尖角槽回波高时,则判为不合格。钢管的超声检测与日本工业标准是一致
的。
3 锻件超声检测
3. 1 压力容器钢锻件超声检测
压力容器用碳素钢和低合金钢锻件的超声检测和缺陷等级评定见JB 4730 标准[3 ]8. 2 款压力
容器锻件超声检测,而横波检测应按附录I 压力容器锻件横波检测的要求进行。
使用纵波直探头时应采用CS1 和CS2 试块,使用双晶直探头时要用专用试块。超声检测原则上
应安排在热处理后,槽、孔、台阶加工前进行,不得已时只好在热处理前进行,但在热处理后仍应对锻
件进行尽可能全面的检测。另外当材质的衰减系数> 4dB/ m 时,要考虑修正缺陷当量[4 ] 。如材质衰
减对检测结果影响较大,应重新进行热处理。根据单个缺陷大小,由缺陷引起底波降低量及密集区缺陷
占检测总面积的百分比来进行缺陷等级评定。锻件超声检测内容与美国、日本标准一致。
3. 2 压力容器奥氏体钢锻件超声检测
奥氏体钢晶粒粗大、衰减大,因此宜用低频探头,一般用直探头检测。对筒形锻件必要时还应进行
横波检测。实际检测时用纵波斜探头效果较好。对小锻件应采用平底孔试块校正灵敏度,当被检锻件厚度> 600mm 时,在锻件无缺陷部位将底波高度调至满刻度的80 % ,以此作为基准。记录三种情况,
即①底波高度降为 25 %以下的部位。② 游动信号。③大于基准线 50 %的信号。直探头检测的等级
分为五级,作者认为压力容器必威体育官方网站
中分为三级就足够了;斜探头检测的等级分为两级。
压力容器奥氏体钢锻件超声检测的内容与美国是一致的。
4 高压螺栓的超声检测
直径>M50 的高压螺栓件超声检测和缺陷等级评定可按JB 4730 标准[3 ]8. 5 款高压螺栓件的
超声检测,直径 M32 的高压螺栓件可参考上述标准内容。
压力容器螺栓检测最好用小角度纵波直探头或5N14 窄脉冲探头,有利于发现螺纹根部细小裂
纹。对于在役高压螺栓,由于清洗困难,磁粉检测效果不是很好,常采用超声检测。
5 焊缝的超声检测
焊缝质量直接影响产品的使用寿命及安全性,超声波探伤是保证焊缝质量的重要检测手段之一。
焊缝内部质量一般用射线来检测。但对于厚壁容器或焊缝中的裂纹、未熔合等危险性缺陷,超声检测
方法优于射线检测。
JB 4730 修订版对母材厚度为8～300mm 的全焊透熔化焊对接焊缝的超声检测进行了明确规
定。并指出应检测到整条焊缝、熔合线和热影响区。而过去人们认为,对焊缝的超声检测只是检测焊
缝。
5. 1 平板对接焊缝超声检测
8～46mm 厚的平板对接焊缝采用二次波探伤,厚度> 46mm 的平板对接焊缝采用一次波探伤。
常用的耦合剂有机油、化学浆糊和水,有时也用甘油和润滑脂。常用探头频率为2. 5～5MHz。探头K
值的选择要考虑三点[5 ] ,即①使声束能扫查到整个焊缝截面。②使声束中心线尽量与主要危险性缺陷
垂直。③保证有足够的探伤灵敏度。这里应强调,对于薄板焊缝要考虑探头的前沿。前沿太大,容易造
成缺陷漏检。
压力容器超声检测一般不用声程法调节扫描速度。薄板焊缝的检测常用水平法调节,中厚板焊缝
的检测常用深度法调节。
距离2 波幅曲线可制作在坐标纸上,也可制作在仪器面板上,需注意检测时要考虑声能损失差。检
测时常用锯齿形扫查,需注意①扫查时探头要作 10°～15°转动。② 扫查范围要符合要求。③每次前
进齿距d 不超过探头晶片直径。当锯齿形扫查发现缺陷时,可用左右扫查、前后扫查、转角扫查及环
绕扫查来对缺陷进行定位、定量和缺陷性质的估判。
有些材料的焊缝中容易产生横向裂纹, 这时常采用以下三种方式探测[6 ] :
(1) 在已磨平的焊缝及热影响区表面以一种(或两种) K 值探头用一次波在焊缝上作正、反两个
方向的全面扫查。
(2) 用一种(或两种) K 值探头的一次波在焊缝两面双侧作斜平行探测。声束轴线与焊缝中心线
夹角呈10°～20°。
(3) 对于电渣焊中的八字形横裂纹,可用K1 探头在45°方向以一次波在焊缝两面双侧进行探测。
对于厚壁焊缝,为检测与探伤面几乎垂直的内部未熔合,有时可采用串列式扫查。但要注意,串列式扫
查会有探测不到的区域(俗称盲区) ,必须用单斜探头补充探测。
不允许存在反射波幅位于判废线和Ⅲ区的缺陷以及裂纹等危害性缺陷。最大反射波幅位于Ⅱ区
的缺陷,按其长度评级[3 ] 。
JB 4730 修订版还规定了A ,B ,C 三个检测级别。一般压力容器适用于B 级,重要压力容器适
用于C 级,支承件和结构件适用于A 级。
5. 2 管座角焊缝的超声检测
管座角焊缝的超声检测以直探头为主,对直探头扫查不到的区域,可采用斜探头检测。直探头探伤时,平底孔距离2 波幅曲线可在CS1 或CS2 试块上测试。其评定线灵敏度为<2mm
平底孔,定量线为<3mm 平底孔,判废线为<6mm 平底孔。而采用斜探头时,距离2 波幅曲线的测试同
平板对接焊缝。
缺陷等级的评定与平板对接焊缝超声检测中缺陷的评定是一致的。
5. 3 T 形接头焊缝的超声检测
6～50mm 厚压力容器全焊透T 形接头焊缝的超声检测要依据不同的焊缝结构形式,选择一种
或几种方式组合实施检测。常用的探头是直探头(或双晶直探头) 和斜探头。
直探头距离2 波幅曲线的灵敏度是,评定线为<2mm 平底孔,定量线为<3mm 平底孔,判废线为
<4mm 平底孔。
不允许存在反射波幅位于Ⅲ区的缺陷和裂纹等危害性缺陷。Ⅱ区内缺陷的质量等级评定见表1。
5. 4 缺陷自身高度的超声测试
表 1 Ⅱ区缺陷的质量等级评定( T 形接头) mm
为评价设备的安全性和估计使用寿命,要求知道缺陷的真实尺寸,特别是测定缺陷的自身高度。目
前我国主要用端点衍射回波法、端部最大回波法和6dB 法。
5. 4. 1 端点衍射回波法[7 ]
由于该方法是根据缺陷端点反射波来辨认衍射回波,因此称为端点衍射回波法,缺陷自身高度根
据缺陷两端点衍射回波间的延迟时间差值来确定。尽量采用直射法(一次波法) ,原则上应用2. 5～
5MHz K1 探头。
测定前要精确校正时基线,特别要考虑测定孔的水平距离和深度距离的修正值。
对于表面开口缺陷自身高度的超声检测,要区分探测面与缺陷在同一平面和不在同一平面两种
情况。对于焊缝内部缺陷自身高度的超声检测,要区分是垂直于探测面的缺陷,还是倾斜的缺陷。当用
端点衍射回波法无法识别缺陷时,可选用双斜探头V 型串接法进行测高。
5. 4. 2 端部最大回波法
尽量采用直射法(一次波法) ,原则上应用2. 5～5MHz K1 探头,最好是聚焦斜探头,可以对表面开
口缺陷和内部缺陷进行自身高度的测试。气孔和夹渣情况则比较复杂,如确有需要,应增加X 射线复
检。
成群的横向缺陷会造成超声束散射,造成检测困难,这时可对妨碍检测的焊缝表面进行打磨,必要
时再增加射线检测。
5. 4. 3 6dB 法
尽量采用直射法(一次波法) ,原则上应用2. 5～5MHz K1 探头。最好是聚焦斜探头。若缺陷回
波只有单峰,且变化比较明显,则以最大回波处作为起始点;若回波高度变化很小,可将回波迅速降落前
的半波高度值作为6dB 法测高的起始点;若缺陷端部回波比较明显,则以端部最大回波处作为6dB
法的起始点。
(1) 内部缺陷自身高度值H 用下式计算H = ( W2 - W1) cosθ (1)
式中W1 , W2 ———缺陷上下边缘至入射点的声程
θ———折射角
(2) 表面开口缺陷自身高度值H′的测试分两种情况,即直射法检测和一次反射回波法检测,分别
计算如下
H′= W2cosθ (2)
H′= t - W1cosθ (3)
式中t ———壁厚
缺陷自身高度的超声检测方法与欧洲标准和日本有关资料是一致的。
5. 5 缺陷性质估判依据
缺陷性质估判还没有非常成熟的方法,它与检测人员的经验密切相关。
焊缝中缺陷分为点状、线性、体积状和平面状缺陷。对点状缺陷,可认为是点状夹渣或气孔,一般
不再进一步定性。
对于线性、体积状和平面状缺陷性质的估判,主要依据① 材料(包括母材与焊材) 。② 工件(包
括结构型式与坡口形式) 。③ 焊接工艺和焊接方法。④缺陷位置(包括水平位置和深度位置) 。⑤缺
陷的大小和取向。⑥缺陷最大反射回波高度。⑦缺陷定向反射特性。⑧缺陷回波静态波形。⑨缺陷
回波动态波形。
5. 6 奥氏体不锈钢焊缝的超声检测
超声检测方法可用于厚度为10～50mm 奥氏体不锈钢对接焊缝,不适用于直径≤159mm 的管子
对接环焊缝及外径≤500mm 筒体纵焊缝。
与德国一样,我国也推荐采用纵波斜探头(高阻尼窄脉冲) 。在满足探测条件情况下,也可选用双
晶纵波斜探头或聚焦纵波斜探头。
使用专用的对比试块制作距离2 波幅曲线,其灵敏度如表2 所示。
裂纹、未熔合和未焊透等危害性缺陷评为Ⅲ级,对于Ⅱ区缺陷按表3 评级。
5. 7 铝及铝合金焊缝的超声检测
表 2 距离 2 波幅曲线灵敏度
表3 奥氏体不锈钢焊缝Ⅱ区缺陷的等级评定
厚度≥8mm 的铝及铝合金焊缝可用超声法检测。参照欧洲(英国) 有关标准,试块中的反射孔是
<2mm 横通孔(JB 4730[3 ]为<5mm 横通孔) ,试块的测定适用范围为8～80mm。其距离2 波幅曲线
灵敏度如表2 所示。
不允许存在反射波幅位于或超过判废线的缺陷以及裂纹等危害性缺陷, Ⅱ区的缺陷评级见表4。
表4 铝及铝合金焊缝Ⅱ区缺陷的等级评定5. 8 钛制压力容器对接焊缝超声检测
≥8～80mm 厚的钛容器可用超声法检测,该方法不适用于外径< 159mm 的钛管对接焊缝、内径
≤200mm 的管座角焊缝以及外径< 250mm 或内外径之比< 80 %的纵向焊缝的检测,国内一般使用频
率为2. 5MHz 的K2 斜探头。其距离2 波幅曲线灵敏度如表2 所示。
不允许存在反射波幅位于或超过判废线的缺陷以及裂纹等危害性缺陷。Ⅱ区缺陷评级见表5。
表5 钛制容器对接焊缝Ⅱ区缺陷的等级评定
5. 9 堆焊层的超声检测
对于奥氏体不锈钢和镍基合金等的堆焊层内缺陷、堆焊层与母材未接合缺陷和堆焊层下裂纹可
用超声法检测。一般是用双晶直探头和双晶斜探头从堆焊层侧探测,也可用单直探头(最好是窄脉冲探
头) 和纵波斜探头从母材侧探测。试块分别采用T1 ,T2 和T3 型。对缺陷等级的评定有如下规定:
(1) 不允许存在层下裂纹和堆焊层内裂纹。
(2) 不允许存在> <4mm 当量直径的缺陷(堆焊层内) 。
(3) 不允许存在≥<3mm 当量且长度> 20mm 的缺陷(堆焊层内) 。
(4) 不允许存在≥<2mm 当量且长度> 30mm 的缺陷(堆焊层内) 。
(5) 不允许存在缺陷反射波幅> <1. 5mm -10dB 且长度≥30mm 的线性缺陷,也不允许存在反射
波幅> <1. 5mm 的缺陷。
(6) 不允许存在直径> 25mm 的未结合部位。欧洲标准与上述(4) 相比要严一些,它不允许存在
长度> 20mm 的缺陷,其它均与我国标准相近。
参考文献:
[1] 沈功田,张万岭. 压力容器无损检测技术综述[J ] . 无损检测,2004 ,26(1) :37 - 41.
[2] 李家伟,陈积懋主编. 无损检测手册[M] . 北京:机械工业出版社,2002.
[3] JB 4730 —1994 ,压力容器无损检测[ S] .
[4] ASME 锅炉压力容器法规第五卷(2001 版) [ S] .
[5] 胡天明,潘荣宝,等. 超声波探伤[ Z] . 北京:1999.
[6] 云庆华主编. 锅炉压力容器无损探伤技术[M] . 天津:天津科学技术出版社,1984.
[7] 李 衍. 超声衍射时差法探伤和定量技术[J ] . 无损检测,2004 ,26(1) :47 - 53.压力容器无损检测
———超声检测技术( Ⅱ)
潘荣宝,范宇,杨小林
(合肥通用机械研究所,合肥230031)
摘要:简述在用压力容器超声检测的特点,列举了换热器、焦炭塔、球罐、管道及加氢反应器等
典型容器的超声检测要点,最后介绍了超声衍射时差法。
关键词:超声检验;压力容器;焊缝;管;裂纹
中图分类号: TG115. 28 文献标识码:A 文章编号:100026656 (2004) 0520244205
NONDESTRUCTIVE TESTINGOF PRESSURE VESSELS :
ULTRASONIC TESTING TECHNOLOGY( Ⅱ)
PAN Rong-bao , FAN Yu, YANG Xiao-lin
( General Machinery Research Institute , Hefei 230031 , China)
Abstract : The characteristics of ultrasonic testing of the pressure vessels in use are outlined ,
and the essentials ofultrasonic examination of some typical vessels are presented , such as heat
exchangers , coke drum , spherical tank , pipelineand hydrogenation reaction chamber and so on.
Finally , ultrasonic time2of2flight diffraction ( TOFD) technique isintroduced.
Keywords :Ultrasonic testing ; Pressure vessel ; Weld ; Pipe ; Crack
1 在用压力容器的超声检测
1. 1 在用压力容器原材料和零部件的超声检测
在用压力容器钢板(筒体或封头) 一般不作超声检测,发现异常(鼓包或测厚值差别太大) 时才作
超声检测,其主要内容应符合在制时的有关规定。在用压力管道一般作超声测厚和表面检测,不作超声
检测,当发现异常时再作超声检测,其主要内容也应符合在制时的有关规定。
在用高压螺栓主要是检测螺纹根部是否有裂纹。由于在用高压螺栓难以清洗,一般不用磁粉检测,
而用超声检测方法。在螺栓端部采用小角度纵波斜探头或窄脉冲探头检测。当螺纹根部出现比切槽
回波高的缺陷反射波时即判废。需要时,还应采用2. 5MHz 的斜探头进行轴向检测。
1. 2 在用钢制压力容器对接焊缝的超声检测
对钢制压力容器对接焊缝进行超声检测时,所用方法仍应符合在制时的要求。对需记录的缺陷应
进行定位、定量和缺陷性质的估判。
1. 2. 1 Ⅰ区缺陷
有些超声检测人员认为Ⅰ区缺陷可以不作记录,但有些裂纹等危害性缺陷,由于方向关系,反射波
幅就在Ⅰ区[1 ] ,因此对Ⅰ区危害性缺陷也必须进行定位、定量和缺陷性质的估判。测定缺陷上述参数
时,应尽可能采用一次波,因此探头前沿不要太大。
1. 2. 2 缺陷类型的判定
现在压力容器探伤必威体育官方网站
把缺陷分为点状、线状、平面状和体积状缺陷四类[2 ] 。点状缺陷是指气
孔和小夹渣。线状缺陷是指线状夹渣、未焊透以及未熔合,它们有明显的指示长度,但高度不易测出,
此类缺陷在长度上也可能是间断的。平面状缺陷有长度和明显的自身高度,例如裂纹、面状未熔合或
面状未焊透等。大夹渣有明显的长度、高度及宽度,属于体积状缺陷。密集气孔或网状裂纹的单个缺
陷相距很近,用超声检测方法无法单独定位和定量,可视为密集缺陷(或多重缺陷) 。
缺陷类型的判定依据已在压力容器无损检测———超声检测技术(Ⅰ) 中介绍过,在此不再赘述。
1. 2. 3 压力容器安全状况等级
对于在用压力容器焊缝超声检测中发现的超标缺陷(表1) ,一般压力容器和有特殊要求的压力容器的安全状况等级分别为3 级和4 级[3 ] ,评级结果同时作为确定下次检验日期的依据之一。
表1 非圆形缺陷与相应的安全状况等级
注: H ———缺陷在板厚方向的尺寸, 即缺陷高度L ———缺陷 长度t ———壁厚
1. 2. 4 夹层
由于超声波测厚仪的检验区域小,灵敏度高,小夹层也可被发现,因此可使用超声波探伤仪来探明
夹层分布情况、面积大小以及与母材表面的倾斜度,探测重点为:
(1) 倾斜度特别是在焊缝附近的倾斜度。当夹层与母材表面的夹角> 10°时会危及使用安全
[4 ] 。
(2) 夹层当夹层处于坡口处,焊接时会产生裂纹。因此,靠近坡口50mm 范围内应重点进行超
声波探伤,并对长形夹层严加控制。
1. 2. 5 氢腐蚀裂纹
用超声测厚仪对临氢介质压力容器进行测厚时,若发现壁厚增加,就有可能产生了氢腐蚀裂纹。高
温( > 200 ℃) 下氢和钢中的渗碳体( Fe3C) 发生还原作用,生成甲烷而导致沿晶界的腐蚀,使晶界产
生大量微裂纹,并伴有明显的脱碳,以致超声波的衰减和反射等发生变化,超声波的传播路线也发生改
变(图1) ,声程加大,造成壁厚读数增大。
图1 壁厚增厚现象示意图
1. 2. 6 缺陷的记录及有关事宜
根据在用压力容器检验规程要求对缺陷进行记录。如情况特殊,也可由安全评定人员提供缺陷的
临界尺寸(包括缺陷位置、长度和高度) 。超声检测人员只记录大于该临界尺寸的缺陷,检测结果由评
定人员处理。
用超声检测确定缺陷尺寸和类型较困难时(如密集缺陷) ,可增加X 射线或其它方法进行综合判
断。对在用压力容器超声检测时发现的缺陷,应与制造(安装) 的出厂资料或上次检测报告进行核对,
判定发现的缺陷是否是新产生的,以及是否扩展。
1. 3 其它材料制在用压力容器焊缝超声检测
铝及铝合金或钛及钛合金制在用压力容器对接焊缝的超声检测要求与在制时相同,但发现超标
缺陷后,要参考1. 2 节的相关内容来检测和记录。
2 典型压力容器及管焊缝的超声检测2. 1 换热器壳体的超声检测
某厂加氢车间的一台换热器管程和壳程的筒体材料为15CrMo ,筒体壁厚为42～45mm ,封头壁
厚为44～46mm ; 管箱筒体材料为20CrMo9 ,壁厚为37～44mm ;管箱封头材料为15CrMo ,壁厚为
50～52mm ;内衬及堆焊层材料为不锈钢(牌号不详) ;其它主要参数见表2 。
表2 换热器主要参数
对该换热器进行外观检查、内衬检漏、壁厚测定、金相分析、磁粉检测、着色检测以及气密性
试验,所有检验均正常,判为合格。
用2. 5 P13 ×13 K1 斜探头从换热器壳体外壁对焊缝进行超声检测,共发现八个超标缺陷(表
3) 。通过缺陷的断裂和疲劳评定,得出该换热器仍可安全运行4a (年) 的结论。
表3 缺陷参数
2. 2 焦炭塔的超声检测
某炼油厂有一台焦炭塔需要检测,该容器类别为一类,投入使用日期为1988 年10 月,设计压力
01275MPa ,设计温度275 ℃,封头壁厚26mm ,筒体壁厚为 26 , 30 和 32mm , 主体材质为 20 钢,
高度 32 323 mm ,内径5 400mm ,容积767m3 ,操作压力 0. 25MPa ,操作温度475 ℃,工作介质为焦
炭、油气和渣油。
图2 焦炭塔标高32m 处钢板超声探伤结果
磁粉检测时,在裙座与筒体连接焊缝正西侧熔合区1 500mm 范围内发现纵向裂纹几十条,长度
1～6mm ,深度< 2mm ,均可打磨消除。超声检测时发现异常情况,因此对相关部位的钢板也需进行超
声检测。图2 为焦炭塔标高30m 处钢板超声检测结果示意,图3 为焦炭塔标高12m(鼓包) 处钢板超声检测结果示意。
图3 焦炭塔标高12m 处钢板超声探伤结果
从内壁用超声检测时,发现一处超标缺陷,其深度为18mm ,长度为35mm ,高度为3mm ,波幅为
定量线上4dB ,判为夹渣。
2. 3 球罐的超声波检测
球罐的超声波检测要点为:
(1) 可用数字式或模拟式超声波探伤仪。
(2) 以单斜探头接触法为主进行检测,常用探头的频率为2. 5MHz , K = 2 ,晶片尺寸约为13mm
×13mm ,探头前沿≤12mm。
(3) 耦合剂常用机油或化学浆糊。
(4) 采用 CSK2 ⅡA 或CSK2 ⅢA 试块制作距离2波幅曲线,确定灵敏度(考虑补偿) 。
(5) 采用锯齿形扫查,发现缺陷后可用前后、左右、转角和环绕等方式扫查,至于具体是采用全面
还是局部扫查,由设计文件规定( GB 12337 —1998) 。
(6) 必须考虑横向缺陷的检测。
(7) 记录缺陷并评级。
(8) 经局部检测的焊接接头[5 ] ,射线检测或超声检测复检的焊接接头,如被发现有不允许的缺陷,
应在焊接接头缺陷两端的两倍延伸部位进行抽检,如仍发现有不允许的缺陷,应对该焊工所焊的所有
焊接接头进行100 %检测。
(9) 返修后的部位仍按原条件进行检测。
(10) 100 %超声检测的焊缝,按JB 4730 —1994 标准, Ⅰ级为合格;局部检测的对接接头,以不低
于Ⅱ级为合格。
2. 3. 1 在制液化气球罐的超声检测
某单位 1 500m3 丙烯球罐的技术参数为,容器类别为Ⅲ类,混合式四带结构,内径14. 2m ,板厚
44mm ,设计压力2. 2MPa ,设计温度- 40 ℃,材料为 07MnNiCrMoVDR ,介质为乙烯,单重253t (吨) ,
焊缝长度长412m ,体积为1 500m3 。该球罐的超声检测要点为:
(1) 对球壳板进行超声波抽查。抽检数量约为球壳板总数的20 % ,上下极带板各两块,赤道带板
四块,上温带板三块,按JB 4730 —1994 标准Ⅰ级合格。同时进行超声测厚抽查,每块球壳板测五点。
(2) 在施焊过程中,应对每个焊工的焊接质量进行必要的超声检测跟踪,如有焊接质量不稳定者,
应及时撤换。
(3) 缺陷清除和修补后均应进行磁粉或渗透检测,如焊接修补深度> 3mm ,再增加射线和超声检
测。焊缝内部缺陷返修后应进行射线和超声检测。球罐应在焊后36h 进行100 %超声检测,水压试
验后再进行一次100 %超声波检测。有些球罐在热处理后还需增加一次100 %超声波检测。
2. 3. 2 在用液化气球罐的超声检测
近几年来,由于天然气中硫化氢(H2S) 含量偏高,造成压力容器的氢损伤,其中在阳极过程会出现
应力腐蚀开裂;阴极过程中氢渗入钢中,在各类冶金缺陷中集聚,产生氢致开裂和氢鼓包。在高强钢中
出现应力诱导氢致开裂[6 ] 。
例如: 某单位400m3 液化石油气球罐材质为15MnV ,介质为液态烃,H2S (1 %) 。内表面无损
检测发现横裂246 条, 纵裂118 条, 裂纹长度16 ～1 600mm ,裂纹深度经超声测高后定为3～18mm。对大面积出现氢鼓包的容器,用超声直探头找出鼓包范围的最小壁厚及最小壁厚的分布比例,
校核允许的使用应力。对单个大尺寸氢鼓包可用超声方法检出鼓包分层的范围,然后在较薄一侧铲除
鼓包金属进行补焊,补焊后再将表面打磨平整,消除局部应力,待表面硬度HB > 200 后方可投入使用。
2. 4 西气东输管焊缝的超声检测
2. 4. 1 超声相控阵检测技术
西气东输工程管道为大口径厚壁管,管径1000～1200mm ,壁厚10～12mm ,采用美国和加拿大
针对输气管道研究的全新自动超声波检测技术———超声相控阵技术。近几年来,该技术已经发展成
熟。与超声相控阵检测技术相比,射线检测存在的缺点有, ①裂纹和未熔合类缺陷容易漏检。②成本
高、检测速度慢。③检测结论与操作人员有关,有可能误判或漏检。④不能准确测定缺陷自身高度,
因而不能采用断裂力学分析方法。⑤ 射线辐射危害人体健康。
根据Auto CAD 输入的焊缝轮廓或在早已设置好的焊缝轮廓上输入相应的参数[7 ] ,超声相控阵
系统能自动计算设置系统参数。该技术使用的探头盘内包括两个线形相控探头,分别置于焊缝两侧。
其检测时间约为4min ,可实时判断焊缝中缺陷的性质以及是否合格,同时还可完成数据储存。
超声相控阵检测技术不但可对缺陷进行扫查及定量,还可估判缺陷性质。它把焊缝分割成深度方
向为2mm 左右的小区域,这些区域包括了焊缝根部、钝边、热焊区、填充区和盖帽区。同时采用普
通和特殊扫查方法。当缺陷回波信号超过记录门槛时,回波数据的颜色会发生改变,以引起操作者的注
意。可从环向位置标志读出缺陷的位置。缺陷长度可用屏幕上的光标精确地测量。在B 扫描图像上
能用光标测量缺陷的精确深度。判断缺陷性质时可考虑①在某区域,使用回波高度、缺陷数量、波的
传播时间和衍射波时差法来对缺陷性质进行估判。②选用B 扫描图像。③信号的动态回波。
2. 4. 2 超声相控阵检测管道环焊缝
管道环焊缝超声相控阵检测中使用两个相同特殊探头。该探头是一个48 片晶片的直线形阵列,
晶片频率为5MHz ,晶片宽10mm ,长1mm ,晶片间距0. 1mm ,对焊缝分区检查(图4) 。
图4 焊缝分区及缺陷简图
X 射线检测、手动超声法和全自动超声法的检出率见表4[7 ] 。从表4 中可见对层间未熔合、
裂纹和烧穿,全自动超声法灵敏度较高。
由于射线检测方法对体积性缺陷的灵敏度比超声方法高,因此应在100 %全自动超声波检测的
基础上进行一定比例的射线抽检。
2. 5 加氢反应器的超声检测
加氢反应器是炼油厂的关键设备,其筒体采用Cr2Mo 钢制造,由于长期工作在高温、高压和临氢
的条件下,面临氢腐蚀、应力腐蚀、介质腐蚀、氢脆、回火脆化和蠕变脆化等一系列问题,因而加氢反
应器的超声检测十分重要。表4 三种检测方法比较
2. 5. 1 冷壁加氢反应器的超声检测
在制冷壁加氢反应器的超声检测与一般压力容器相同,而在用冷壁加氢反应器的超声检测存在
一定的技术难度。
某台冷壁加氢反应器的几何尺寸为<1 800mm×10 729mm ×55mm ,选用的超声波探伤方法为
[8 ] :
(1) 对每条焊缝均使用K1 和K2 两种探头,从两面四侧探伤。
(2) 为发现焊缝或热影响区的横向缺陷, 应尽可能把焊缝磨平,将斜探头直接放在焊缝上作平行
扫查。当焊缝磨平有困难时,用斜平行扫查方式。
(3) 发现缺陷后用聚焦探头测缺陷高度。从超声波探伤情况可得出结论为:
(1) 超声波探伤共发现18 个缺陷,其中K1 探头发现6 个缺陷, K2 探头发现12 个缺陷, 可见
双K 值探头法可有效地检测出厚壁容器焊缝中的缺陷。
(2) 斜探头放在焊缝上探测时,发现一个横向裂纹,而用锯齿形扫查法或斜平行扫查法都没有发
现该缺陷。当提高灵敏度6dB 后,用斜平行法探测,其反射波幅仍很小。可见把焊缝磨平后在焊缝上
探测是发现横向裂纹的有效方法。
(3) 缺陷高度的精确测定是压力容器安全评定的基础,应根据不同情况采用不同的方式来测定。
2. 5. 2 热壁加氢反应器的超声检测
由于炼油工艺的改进,热壁加氢反应器已逐步取代冷壁加氢反应器。我国在20 世纪80 年代初
期由国外引进并开始研制热壁加氢反应器,目前的制造能力已达到千吨级,设计壁厚在80～270mm ,
内壁堆焊347 和309 两层奥氏体不锈钢堆焊层。对于在制的热壁加氢反应器,主焊缝用K1 和K2 (或
K1. 5) 两种超声斜探头,必要时还要用串列式探伤装置。对于堆焊层常用双晶直探头和双晶双斜探头
检测。外壁常用窄脉冲纵波斜探头检测。对于在用的热壁加氢反应器,由于国内使用已达15a 以上
的加氢反应器数量不少,其危险性逐年递增,应引起注意。
刚开始使用的热壁加氢反应器一般只有一层347 堆焊层,由于堆焊层界面缺陷较多,后来改为
347 + 309 两层堆焊层。对于在用热壁加氢反应器的主焊缝常用K1 和K2 (或K1. 5) 两种超声斜探
头,有时还要用窄脉冲探头在焊缝上检测。斜探头采用的是 CSK2 ⅢA 或CSK2 ⅣA 试块,窄脉冲探
头则用平底孔试块,其距离2 波幅曲线灵敏度见表5 。
表5 距离 2 波幅曲线灵敏度
注: d ———横孔直径,与壁厚有关堆焊层检测时采用双晶直探头和纵波双晶斜探头从堆焊层侧对堆焊层进行超声检测,或用窄脉
冲探头(单晶直探头) 和纵波斜探头从母材侧对堆焊层进行超声检测,采用的试块有T1 ,T2 和T3
型。在最新JB 4730 报批稿中规定了堆焊层的质量评定等级为,不允许有裂纹,特别是层下裂纹;不允
许存在> <4mm 当量直径的缺陷;不允许存在反射波幅超过<1. 5mm 横孔的缺陷;不允许存在当量直
径≥<3～4mm ,且长度> 20mm 的线性缺陷;不允许存在直径> 25mm 的未结合部分。显然对于线性
缺陷的验收严于JB 4730 —1994 的规定。
3 超声衍射时差法
焊缝的超声衍射时差法(简称TOFD) ,国外在20 世纪70 年代就已提出,现在欧、美和日本等国
已有TOFD 方法和验收的标准。
TOFD 法依赖超声波与缺陷端部的相互作用而产生的衍射波[9 ] ,通过测量衍射波信号时间差就
可对缺陷测高。TOFD 设备中的仪器可用于进行A 扫描、B 扫描(焊缝横断面显示) 或D 扫描(焊缝
纵断面显示) 。带有的扫查器可使两探头入射点间距保持固定,始终对准,并通过光路或磁性编码器向
超声探伤仪提供探头位置信息,以产生与位置有关的B 扫描或D 扫描图像。总的来说该方法对缺陷
的测深和定高比常规回波幅度法准确可靠。
参考文献:
[1] 胡天明,潘荣宝,等. 超声波探伤( Ⅱ, Ⅲ级教材) [ Z] . 北京:1999.
[2] 潘荣宝,范 宇,张保中,等. 压力容器无损检测———超声检测技术(Ⅰ) [J ]. 无损检
测,2004 ,26(4) :188 - 192.
[3] 劳动部锅炉压力容器安全监察局. 在用压力容器检验规程(1990) [ S] .
[4] 劳动部锅炉局组织编写. 在用压力容器检验规程及讲析[ Z] . 北京:中国劳动出版社,1990.
[5] GB 12337 —1998 ,钢制球形储罐[ S] .
[6] 李祖贻. 湿硫化氢环境下在役压力容器的损伤与分析[J ] . 压力容器,2000 , (3) :52 - 56.
[7] 潘荣宝,关卫和,郭跃飞. 西气东输工程用管及超声波检测新技术[A] . 21 世纪华人无损检
测技术论坛大会报告论文集[C] . 珠海:2001.
[8] 潘荣宝,范宇,陈文虎. 在用冷壁加氢反应器的无损检测[J ] . 压力容器,1992 , (3) :46 -
49.
[9] 李 衍. 超声衍射时差法探伤和定量技术[J ] . 无损检测,2004 ,26 (1) :47 - 53.

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