大型压力容器的超声波无损检测

材料内部的结构异常或缺陷所引起的声、光、电、磁等反应来判断被测试件的材料、零部件、内部结构等是否发生或出现缺陷，并对产生的缺陷类型、数量、性状、位置、尺寸等做出评价。随着压力容器使用的日益广泛，无损检测技术在压力容器检测中所起的作用也越来越重要。超声波检测是最常用的一种无损检测手段，具有设备体积小、对操作人员无伤害、对容器缺陷可以进行定性和定量分析以及方位判断、对于大体积的厚壁的容器可以灵活的进行等特点，本研究针对大体积压力容器尺寸大、焊缝长、一般容器器壁较厚的特点，对使用超声波技术对压力容器各部位缺陷进行无损检测方法做一介绍。

1 压力容器缺陷类型

压力容器的缺陷包括表面缺陷和内部缺陷两大类，表面缺陷可以直接观察到，内部缺陷主要是焊接缺陷和材料本身的杂质缺陷。压力容器缺陷类型和产生原因如表1所示。

2 压力容器超声波检测方法

超声波检测压力容器过程中，主要有三种方法：一种是脉冲反射法，另一种是穿透法，还有一种是衍射时差法，各自原理如下。

2.1 脉冲反射法

脉冲反射法的检测原理如图1所示。

1-超声波探头；2-被检工件；3-缺陷；4-显示器

图1 脉冲反射法原理图

将脉冲振荡器发生的电压加到芯片上时，芯片发生振动，产生了脉冲超声波，超声波以5900m/s的速度在容器器壁内部传播，如果遇到缺陷，超声波被部分反射，未遇到缺陷的声波则直到器壁底面才发生反射，依据晶面接收到的反射回来的超声波的先后时间以及强弱大小，可以对压力容器器壁是否存在缺陷以及缺陷的大小、部位进行判断。

2.2 脉冲穿透法法

脉冲穿透法检测原理如图2所示。

1-超声波探头；2-被检工件；3-缺陷；4-显示器

此方法是将被检工件两侧各放置一个超声波探头，一个用来发射超声波信号，一个用来接收超声波信号，依据接收到的超声波信号的强弱，可以对是否存在缺陷以及缺陷的大小进行判断，不过该方法仅能进行缺陷识别，不能进行位置的判断。

2.3 衍射时差法

衍射时差法的检测原理如图3所示。

当超声波在传输过程中遇到不同介质时（如裂纹上），在裂纹尖端会出现超声波振动效果，从而产生衍射波，采用合理的手段接收衍射波，利用几何学原理和传播时间就可以对裂纹尖端的位置和深度进行测定。

3 脉冲反射法超声波检验的常见波形及缺陷类型

利用脉冲反射法对压力容器进行检验是目前使用最多的一种超声波检验方法[5]，因此对脉冲反射法超声波检验的常见波形及缺陷类型进行简单介绍，以便检测人员能够根据波形特征对压力容器的缺陷类型有一个初步了解。

3.1 单个小缺陷

如果容器内部有一个单个的直径较小小缺陷，则在显示仪上表现出一个尖锐的单个回波，当移动探头的时候，波幅会经历一个逐渐增大并减小至零的过程。波幅变化如图4所示。

3.2 单个大缺陷（表面光滑）

如果容器内部有一个单个的具有一定长度和宽度的缺陷，则在显示仪上表现出一个单独尖锐回波，且当探头移动时，波幅会平稳的由零增至最大值，出现一个稳定平台，然后又逐渐减小至零。波幅变化如图5所示。

3.3 单个大缺陷（表面粗糙）

如果缺陷具有一定的长度和宽度，且表面粗糙不平，则在显示仪上表现出一个锯齿峰，且移动探头时，波幅变化幅度较大；还有可能出现的一种形式是显示仪上出现一个钟形脉冲包络形状，表现为出现很多波峰，探头移动时，每个波峰在脉冲包络中移动，波幅由零增长至最大值，又逐渐减弱至零，且波幅变化较大。波幅变化如图6和图7所示。

3.4 密集型缺陷

当有密集型缺陷的时候，显示仪上出现一组密集缺陷回波，像多个单独缺陷的集合，移动探头时，波幅此起彼伏，高低不平。密集型缺陷的波幅变化图如图8所示。

4 焊缝的典型缺陷及其判断

焊接质量对压力容器的质量和安全影响很大，因此对焊缝中缺陷的类型和产生原因做一介绍，以便检验工作者在今后工作中做出有效准确判断。

4.1 气孔

焊接过程中吸收或反应产生了气体，在金属冷却前未及时逸出，从而残留在焊缝中形成气孔，是体积型缺陷，危害较小。其在超声波检验中表现为反射率高，波形陡直尖锐，如果是一群气孔密集出现，则表现为一簇信号，波幅高低不平。如果大型容器是采用单面焊双面成型工艺时，有可能出现的情况是密集气孔呈链状分布，形似“八”字，也就是我们常说的八字孔。在检查过程中，要注意探头应与焊缝成一定夹角，以避免漏检。

4.2 夹渣

夹渣表面粗糙，且有一定棱角，显示仪上会出现宽度大且带锯齿状波形，波峰较圆润，移动探头时，信号滚动明显，当探头旋转时，波幅此起彼伏，从不同方向探测，波幅不同，平移探头时，波幅有一定变化。

4.3 未焊透

如果在焊接过程中，由于操作不当，发生未焊透的情况时，当用超声波检测时会出现回波出现时间很快，形成矩形波形，且在焊缝两侧进行检测时，情况大致相同；沿着焊道移动探头时，波幅变化不大，而当探头垂直焊缝转动时，波形消失很快。

4.4 未熔合

当未熔合发生在根部时，波形与单个气孔的波形相似，不过为一连续波形。当从焊缝两侧对未熔合部分进行检测时，两侧的波形各不相同，甚至仅能在一侧检测出异常现象。由于其方向性很强，因此选用不同K值的探头，回波波幅相差较大。

4.5 裂纹

如果焊接过程中出现裂纹，则在超声波检测过程中的回波波幅宽且强，有多峰现象出现，探头平移时，连续出峰，且波幅有一定变化；探头转动时，波峰出现位错现象。

5 影响超声波检验的因素

在超声波检验过程中，有许多因素影响到检验结果的准确性，因此对这些因素做一个分析，以便检验工作者提高定位、定量测量精度。

5.1 影响定位测量的因素

5.1.1 仪器的影响

主要是仪器水平线对缺陷定位影响较大，当显示仪水平线精度不准时，缺陷定位的误差较大；当仪器水平线性不准时，缺陷的定位误差也较大。因此在进行缺陷检测时，首先要确保使用的超声波仪器的精确度达到要求[7]。

5.1.2 探头的影响

如果探头性能不佳，有两个主声束被发出，则仪器自然无法检测出缺陷是由那个声束发现的，定位不可能准确；如果声束发声后与中心线偏离，则缺陷定位无法做到精确；如果在操作过程中，探头斜楔由于用力不当出现磨损，当斜楔前面磨损，则K值增大，反之，斜楔后面磨损，K值减少，都会影响到缺陷定位；探头的半扩角大小也会影响到缺陷定位，半扩角越大，缺陷定位越不准确。

5.1.3 工件影响

工件表面粗糙度、工件的材质、表面形状等都会影响到缺陷定位。表面越粗糙、曲率半径越大，缺陷定位越难精确。

5.1.4 操作人员影响

由于操作人员的读数误差不完全相同，自然影响到缺陷定位准确程度，此外，尤其需要注意针对不同的容器形状需要选择不同的缺陷定位方法，避免操作方法失误，造成缺陷无法定位。

5.2 影响缺陷定量的因素

5.2.1 仪器和探头性能的影响

超声波仪器和探头对缺陷定量影响很大，主要包括探头形式、晶片尺寸、折射角大小和仪器的垂直线性、衰减器的精密程度、超声波频率等方面。因此在进行超声波无损检测时，应注意选择适合的仪器和探头。

5.2.2 试件几何形状的影响

如果试件的底面是凹曲面，则会使声波聚集，回波波幅升高，如果试件底面是凸曲面，则会使回波发散，回波波幅减小，如果试件是圆柱实心体，从圆柱外表面向内表面检测时，由于圆柱面耦合性差于平面，因此虽然理论上应该与平面回波相同，实际中往往是较平面回波弱。而如果试件的底面与探测面不能保证平行、有污物、粗糙时，往往也会造成底波下降，从而导致底波调节偏高，定量误差变大[8]。

5.2.3 耦合与衰减的影响

如果试件晶粒度较大，尺寸较大时，应测量试件的半衰期，以免由于声波衰减过快造成定量分析不准确；当探头与灵敏调节试块与被探工件表面耦合不同时，测量精度下降；耦合剂的耦合层也会对缺陷定量分析有影响。

6 结语

（1）对大型压力容器的超声波检测技术原理进行了介绍，并对检测过程中常见的缺陷类型和缺陷产生波形加以描述，以便超声波检测工作者更好的对压力容器的缺陷状态有一个了解；

（2）针对焊接过程中引起的缺陷类型和判断方法进行了介绍，并对检测过程中的缺陷定位和定量影响因素加以分析，以便同行能更好的对压力容器进行准确的检验，保证生产安全。