压力容器无损检测技术应用探析
摘 要：介绍当前压力容器制造和使用过程中所采用的无损检测技术，包括射线、超声、磁粉、渗透等常规技术和声发射、磁记忆等新技术，并论述他们的工作原理、优缺点和应用范围。
关键词：压力容器; 无损检测 ;新技术 ;应用探析
介绍当前压力容器制造和使用过程中所采用的无损检测技术，包括射线、超声、磁粉、渗透等常规技术和声发射、磁记忆等新技术，并论述他们的工作原理、优缺点和应用范围。
0 引言
随着世界科学和工业技术的不断的向前发展，对一些材料和设备的要求也不断的提高，某些设备所采用的材料从原来的一般材料逐渐被一些耐高温、难切割以及一些复合材料等特殊材料所代替。由于这些材料的特殊性能和价格的昂贵以及对安全性的严格要求，在工业生产中不得不在不破坏产品的原有形状和使用性能的情况下对这些产品进行合格性和可靠性检测，这就是无损检测。无损检测的技术应用的非常广泛，已在机械制造、石油化工、造船、汽车、航空、航天、和核能等工业中被普遍采用。
根据物理原理的不同，无损检测的方法多种多样，在工业应用中最普遍采用的有射线检测、超声波检测、涡流检测，磁粉检测和液体渗透检测，统称为五大常规无损检测方法。此外还有声发射检测、激光全息检测、红外检测、微波检测、计算机层析成像检测、泄露检测等多种新的无损检测方法。
1 无损检测方法
现代无损检测的定义是：在不损坏试件的前提下，以物理或化学方法为手段，借助先进的技术和设备器材，对试件的内部及表面的结构，性质，状态进行检查和测试的方法。
1.1射线检测
射线检测技术一般用于检测焊缝和铸件中存在的气孔、密集气孔、夹渣和未融合、未焊透等缺陷。另外，对于人体不能进入的压力容器以及不能采用超声检测的多层包扎压力容器和球形压力容器多采用Ir或Se等同位素进行γ射线照相。但射线检测不适用于锻件、管材、棒材的检测。
射线检测方法可获得缺陷的直观图像，对长度、宽度尺寸的定量也比较准确，检测结果有直观纪录，可以长期保存。但该方法对体积型缺陷（气孔、夹渣）检出率高，对体积型缺陷（如裂纹未熔合类），如果照相角度不适当，容易漏检。另外该方法不适宜较厚的工件，且检测成本高、速度慢，同时对人体有害，需做特殊防护。
1.2超声波检测
超声检测（Ultrasonic Testing，UT）是利用超声波在介质中传播时产生衰减，遇到界面产生反射的性质来检测缺陷的无损检测方法。
超声检测既可用于检测焊缝内部埋藏缺陷和焊缝内表面裂纹，还用于压力容器锻件和高压螺栓可能出现裂纹的检测。
该方法具有灵敏度高、指向性好、穿透力强、检测速度快成本低等优点，且超声波探伤仪体积小、重量轻，便于携带和操作，对人体没有危害。但该方法无法检测表面和近表面的延伸方向平行于表面的缺陷，此外，该方法对缺陷的定性、定量表征不准确。
1.3磁粉检测
磁粉检测（Magnetic Testing，MT）是基于缺陷处漏磁场与磁粉相互作用而显示铁磁性材料表面和近表面缺陷的无损检测方法。
在以铁磁性材料为主的压力容器原材料验收、制造安装过程质量控制与产品质量验收以及使用中的定期检验与缺陷维修监测等及格阶段，磁粉检测技术用于检测铁磁性材料表面及近表面裂纹、折叠、夹层、夹渣等方面均得到广泛的应用。
磁粉检测的优点在于检测成本低、速度快，检测灵敏度高。缺点在于只适用于铁磁性材料，工件的形状和尺寸有时对探伤有影响。
1.4渗透检测
渗透检测（PenetrantTest，PT）是基于毛细管现象揭示非多孔性固体材料表面开口缺陷，其方法是将液体渗透液渗入工件表面开口缺陷中，用去除剂清除多余渗透液后，用显像剂表示出缺陷。
渗透检测可有效用于除疏松多孔性材料外的任何种类的材料，如钢铁材料、有色金属材料、陶瓷材料和塑料等材料的表面开口缺陷。随着渗透检测方法在压力容器检测中的广泛应用，必须合理选择渗透剂及检测工艺、标准试块及受检压力容器实际缺陷试块，使用可行的渗透检测方法标准等来提高渗透检测的可靠性。
该方法操作简单成本低，缺陷显示直观，检测灵敏度高，可检测的材料和缺陷范围广，对形状复杂的部件一次操作就可大致做到全面检测。但只能检测出材料的表面开口缺陷且不适用于多孔性材料的检验，对工件和环境有污染。渗透检测方法在检测表面微细裂纹时往往比射线检测灵敏度高，还可用于磁粉检测无法应用到的部位。
1.5声发射检测
声发射（Acoustic Emission,AE）是指材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象。而弹性波可以反映出材料的一些性质。声发射检测就是通过探测受力时材料内部发出的应力波判断容器内部结构损伤程度的一种新的无损检测方法。
压力容器在高温高压下由于材料疲劳、腐蚀等产生裂纹。在裂纹形成、扩展直至开裂过程中会发射出能量大小不同的声发射信号，根据声发射信号的大小可判断是否有裂纹产生、及裂纹的扩展程度。
声发射与X射线、超声波等常规检测方法的主要区别在于它是一种动态无损检测方法。声发射信号是在外部条件作用下产生的，对缺陷的变化极为敏感，可以检测到微米数量级的显微裂纹产生、扩展的有关信息，检测灵敏度很高。此外，因为绝大多数材料都具有声发射特征，所以声发射检测不受材料限制，可以长期连续地监视缺陷的安全性和超限报警。
1.6磁记忆检测
磁记忆(Metal magnetic memory, MMM)检测方法就是通过测量构件磁化状态来推断其应力集中区的一种无损检测方法，其本质为漏磁检测方法。
压力容器在运行过程中受介质、压力和温度等因素的影响，易在应力集中较严重的部位产生应力腐蚀开裂、疲劳开裂和诱发裂纹，在高温设备上还容易产生蠕变损伤。磁记忆检测方法用于发现压力容器存在的高应力集中部位，它采用磁记忆检测仪对压力容器焊缝进行快速扫查，从而发现焊缝上存在的应力峰值部位，然后对这些部位进行表面磁粉检测、内部超声检测、硬度测试或金相组织分析，以发现可能存在的表面裂纹、内部裂纹或材料微观损伤。
磁记忆检测方法不要求对被检测对象表面做专门的准备，不要求专门的磁化装置，具有较高的灵敏度。金属磁记忆方法能够区分出弹性变形区和塑性变形区，能够确定金属层滑动面位置和产生疲劳裂纹的区域，能显示出裂纹在金属组织中的走向，确定裂纹是否继续发展。是继声发射后第二次利用结构自身发射信息进行检测的方法，除早期发现已发展的缺陷外，还能提供被检测对象实际应力---变形状况的信息，并找出应力集中区形成的原因。但此方法目前不能单独作为缺陷定性的无损检测方法，在实际应用中，必须辅助以其他的无损检测方法。
2 常用无损检测技术的主要应用
2.1射线检测技术的应用
射线检测的原理：当射线入射到物体时，射线的光量子将与物质原子发生一系列的相互作用，使射线被吸收，散射，导致透射射线强度发生衰减，其衰减程度与射线的能量、被照物质的性质、厚度、密度等因素有关，密度或厚度愈大，衰减愈大。若被检件有空洞等缺陷，透过缺陷处的射线强度就大，进而使射线胶片
相应处的曝光量增多，暗室处理后呈现较黑的缺陷影像，从而达到检测零件内部质量的目的。2.1.1早期使用在石油工业.分析钻井岩芯。
2.1.2在航空工业用于检验与评价复合材料和复合结构。评价某些复合件的制造过程。也用于一系列情况下样件的评价;这种检测与评价过程,大大简化了取样破坏分析过程。可以检测航空发动机燃烧室外套滚焊焊缝的熔合质量，判定各类焊接件焊缝是否存在内部缺陷；可以检测发动机中铸造叶片和焊接叶片的孔洞类、裂纹类、夹杂类的缺陷。
2.1.3检测大型固体火箭发动机,这样的射线系统使用电子直线加速器X射线源,能量高迭25MeV,可检验直径达3m的大型同体火箭发动机。
2.1.4检验小型、复杂、精密的铸件和锻件,进行缺陷检验和尺寸测量。
2.1.5检查工程陶瓷和粉末冶金产品制造过程发生的材料或成分变化,特别是对高强度、形状复杂的产品。用x射线衍射仪对不同工艺条件下生产或加工出的合金粉末、耐火材料、合金铸件、陶瓷表面的金属镀层、钛表面的氮化钛覆层等进行相应的物相组成、晶体结构和晶粒度分析，结合电子探针、x射线光电子能谱、电子显微镜、金相显微镜的检测方法，探讨不同工艺条件下有关晶体的微观结构和力学行为，从而确定和改善工艺条件。
射线检测的主要优点：
几乎适用于所有材料，而且对被检测材料表面粗糙度无特殊要求，不论是较厚的钢板还是薄的邮票、油画等，都可以采用射线对其 内部进行检测。能直观地反映出缺陷的大小、性质，便于对其进行定位、定量、定性分析。射线底片可以长期保存，便于分析问题的原因。对被检物没有任何损坏。
2.2超声检测技术的应用
超声检测是目前复合材料和焊接结构中应用最为重要和广泛的无损检测方法，可以测出复合材料结构中的分层、脱粘、气孔、裂缝、冲击损伤和焊接结构中的未焊透、夹杂、裂纹、气孔等缺陷，缺陷定量准确。
超声无损检测技术是五大常规检测技术之一,与其它常规无损检测技术相比,它具有被测对象范围广。检测深度大;缺陷定位准确,检测灵敏度高;成本低,使用方便;速度快,对人体无害以及便于现场使用等特点。
2.2.1目前大量应用于金属材料和构件质量在线监控和产品的在投检查。如钢板、管道、焊鞋、堆焊层、复合层、压力容器及高压管道、路轨和机车车辆零部件、棱元件及集成电路引线的检测等。T型接头组合焊缝由于其特殊结构，应采用纵波与横波相结合的方法对焊缝进行检测，这样不但能发现不同方位的缺陷，并且可以减小盲区，避免漏检，提高了缺陷判定的准确性。
2.2.2各种新材料的检测。如有机基复合材料、金属基复合材料、结构陶瓷材料、陶瓷基复合材料等,超声检测技术已成为复合材料的支柱。通过超声波检测，材料的中心裂纹废品得到了有效的控制，降低了质检人员的工作量。
2.2.3非金属的检测。如混凝土、岩石、桩基和路面等质量检验,包括对其内部缺陷、内应力、强度的检测应用也逐渐增多。
2.2.4大型结构、压力容器和复杂设备的检测。由于超声成像直观易懂,检测精度较高。因此,近几年我国集超声成像技术及超声信号处理技术等多学科前沿成果于一体的超声机器人检测系统已研制成功,为复杂形状构件的自动扫描超声成像检测提供了有效手段。
2.2.5核电工业的超声检测。
2.2.6其它方面的超声检测。如医学诊断广泛应用超声检测技术;目前人们正试图将超声检测技术用于开辟其它新领域和行业,如人们正努力将超声检测技术用于血压控制系统进行系统作非接触检测、辨识。性能分析和故障诊断等。超声检查干扰性小，具有操作简便，可重复性强、经济实用、容易被患者接受等特点，可获得高质量的图像，且颈动脉彩超可无创性测量CIMT，使高血压患者能早期发现动脉粥样硬化，对于临床上综合分析高血压的状态、治疗及其预后有重要指导意义。
2.3涡流检测的应用
涡流检测是以电磁感应理论作为基础的，它是由一个振荡器给检测线圈以激励电流，从而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，涡流又产生自己磁场，涡流磁场的作用就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，这个信息就可以用指示器来指示出来。
2.3.1用于航空工业的各种设备检修中，用涡流探伤法探测零件表面裂纹，不仅可靠性高，而且在探测时不需清除零件表面的油脂、积碳和保护层，多数可在不分解飞机的前提下，在外场对飞机进行原位探伤。所以，涡流探伤法在航空维修中应用得很广泛。
2.3.2涡流检测在制备19芯Fe/Cu包套MgB2超导线中的应用。涡流检测可有效检测到单芯 Fe/Cu包套MgB2超导线的内部缺陷,保证拉拔加工后19芯超导线质量。该技术检测迅速方便,且可在线检测,极大提高制备多芯超导芯线的速度和质量,对多芯超导线质量控制有着重大价值。
2.3.3在轧辊检测中的应用。对使用中的轧辊采用涡流自动检测技术，是一项有助于合理控制磨削量的重要手段。因此，正确使用此项检测技术，并配备性能良好的检测设备，是获得理想检测效果，推动企业“降本增效”的关键。
2.3.4在铁路机车车轮探伤中的应用。使用脉冲涡流对机车轮芯探伤以来，通过实践验证了此方法是解决轮芯探伤的有效方法；具有操作简便易于掌握，工装配套针对性强等优点。
2.3.5应用于汽轮机金属检测。它克服了普通检测不能在粗糙表面探伤的缺点，而且能直接判断缺陷深度，因此在汽轮机金属检验中会逐渐得到广泛的应用和推广。
2.4液体渗透检测的应用
液体渗透检测是一种很古老的探伤技术，它是以油—白色粉末为基础广泛地应用于检验钢铁零件的质量，特别在铁道系统应用更为广泛。它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良好的渗透性，经过渗透清洗、显示处理以后显示放大了的探伤显示痕迹，用目视法来观察，对缺陷的性质和尺寸做出适当的评价。
2.4.1在化工检修中的应用。由于高温型着色渗透探伤剂具有的高温稳定性，不但保证了缺陷的检出率，又节约了大量检修时间，带来了可观的经济效益，必将在化工检修中作为表面检测得到广泛使用。
2.4.2广泛用于机车车辆工艺的检测。近儿年来，随着铁道机车车辆工业的发展，一些新材料广泛应用于机车车辆的制造。如铁道客车已普遍使用铝合金材料，铁道货车制造也积极采用不锈钢材料，机车非金属材料，这些材料表面及近表面的缺陷检测是不能采用磁粉检测技术来进行检测的，而只能够应用渗透检测技术。
2.4.3应用于锅炉管道焊缝的检测。对锅炉管道焊缝渗透检测一般选用水洗型着色渗透检测法和溶剂去除型着色渗透检测法；对于管道焊缝如选用溶剂去除型着色渗透检测法检测灵敏度比水洗型着色渗透检。
2.5磁粉检测的应用
当材料或工件被磁化后，若在工件表面或近表面存在裂纹、冷隔等缺陷，便会在该处形成以漏磁场。此漏磁场将吸引、聚集检测过程中施加的磁粉，而形成缺陷显示，这样通过肉眼或其他观察方法就很容易发现材料或工件的缺陷。
2.5.1在检测机车车辆工艺中的应用。
2.5.2应用于压力容器的检测，磁粉检测方法是在用压力容器定期检验首选的无损检测方法。
3 无损检测的新技术
3.1激光全息无损检测
激光全息检测是利用激光全息照相来检测物体表面和内部缺陷的。它的基本原理是物体在受到外载荷作用下会产生局部变形，这种变形与物体是否有缺陷直接相关，用全息照相来观察和比较这种变形并记录下不同外界载荷作用下物体表面的变形情况，进行观察和分析，然后判断物体内部是否存在缺陷。
3.2声震检测法
声震检测法就是用电声换能器激发样品振动，一个物体的振动状态不同，在物理上是由于它们振动的振幅、频率、振动的持续时间及单一振动和复合振动等的不同。这些物理量与物体的材料，结构等是相关的，这样就可以通过测量被测件的振动特征来判定其质量。
3.3微波无损检测
微波检测是通过研究微波反射、透射、衍射、干涉、腔体微扰等物理性的改变，以及微波作用于被检测材料时的电磁特性——介电常数的损耗正切角的相对变化，通过测量微波基本参数如微波辐射、频率、相位的变化，来判断被测材料或物体内部是否存在缺陷以及测定其它物理常数。
3.4声发射检测
声发射检测的基本原理就是由外部条件的作用而使物体发声，根据物体的发声推断物体的状态或内部结构的变化。由物体发射出来的每一个声信号都包含着反映物体内部或缺陷性质和状态变化的信息。声发射检测就是接收这些信号，加以处理、分析和研究，从而推断材料内部的状态变化。
4 无损检测技术展望
作为一种综合性应用技术，无损检测技术经历了从无损探伤(NDI)，到无损检测(NDT)，再到无损评价(NDE)，并且向自动无损评价(ANDE)和定量无损评价(QNDE)发展。相信在不远的将来，新生的纳米材料、微机电器件等行业的无损检测技术将会得到迅速发展。
【参考文献】
[1]王自明.无损检测综合知识：机械工业出版社，2005.
[2]沈功田，张万岭等.压力容器无损检测技术综述：化学工业出版社2004.
[3]林俊明，林春景等.基于磁记忆效应的一种无损检测新技术：哈尔滨工业大学出版社，2000.
[4]叶琳，张艾萍.声发射技术在设备故障诊断中的应用：机械工业出版社 2000.
Pressure vessel NDT technology application paper
Pick to: introduced the pressure vessel manufacture and use process the nondestructive testing technology, including radiation, ultrasound, magnetic powder, permeate etc conventional technology and audio emission, magnetic memory and other new technology, and discusses their work principle, advantages and disadvantages and application scope.
Keywords: pressure vessels; Nondestructive testing; New technology; Application analysis
