承压设备渗透检测技术发展现状

姚 力

（中国空气动力研究与发展中心，绵阳 621000）

锅炉、压力容器（含气瓶）、压力管道等承压类特种设备（以下简称承压设备）具有承受高低温、高压、易燃、易爆、有毒或有腐蚀性的特性，其原材料、制造过程中或使用中产生的缺陷，均会导致其安全可靠性大幅下降，一旦失效往往引起灾难性事故。已有的统计数据表明，在材料本身的缺陷与制造过程中产生的缺陷中有70%以上是表面缺陷，而在使用中产生的缺陷90%以上是表面缺陷或表面缺陷导致的缺陷［1］。渗透检测（Penetrant testing，简称PT）原理简单、方法灵活、适应性强、一次检测可探查任何方向的表面开口缺陷，针对奥氏体不锈钢、有色金属等非铁磁性材料工件的表面开口缺陷有很高的检测灵敏度［2］，是最常用的无损检测方法之一［3－4］。

1 应用现状及特点

对承压设备而言，应用PT 的目的通常是为了保证产品质量、保障使用安全、改进制造工艺和降低生产成本。其主要作用是在不损伤工件的前提下，检出表面开口缺陷，以满足承压设备设计中的强度、疲劳等方面的需要。以奥氏体不锈钢、有色金属等非铁磁性材料为原材料的承压设备工件，在原材料验收、制造安装过程品质控制与产品品质验收、使用中的定期检验与缺陷维修监测等几个阶段，PT 均得到了广泛地应用，其能够检测：铸件表面的裂纹、缩孔、疏松、冷隔和气孔；锻件、轧制件和冲压件表面的裂纹、分层；焊接件表面的裂纹、熔合不良、气孔等；机加工件表面的磨削裂纹、疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹、热处理裂纹等；酚醛塑料、陶瓷、玻璃等非金属材料表面裂纹等；金属和非金属容器泄漏检查；在役设备检修时的局部检查。PT 通常不适用于检测多孔性材料表面缺陷，但采用特殊的过滤性微粒渗透剂时也可以检测；承压设备PT 主要检测缺陷有：表面裂纹、表面针孔、断口白点和折叠等［5－7］。承压设备渗透检测时的检测部位、检测比例、技术等级、合格级别及检测时机等，均按特种设备安全技术规范（TSG）、特种设备系列规范［8－12］、GB系列标准［9］等的相关规定和 要求执 行（如表1所示）。

1.1 原材料检测

在原材料方面PT 的作用是材料质量控制和降低成本。其检测范围包括：棒材、管材、锻件、铸件、毛坯件及半成品（坯、铸件和锻件）等。

典型的检测方法有：IIC－d、IA－d、IIA－d、IB／D－a等（参见JB／T4730.5《承压设备无损检测》中的渗透检测方法分类）。

1.2 制造检测

在承压设备制造、安装和产品验收过程中，PT的主要作用是控制焊接的质量，保障使用安全。检测范围包括：焊接坡口、清除未熔合焊接面、对接焊缝、角焊缝和T 型焊缝；工卡具拆除处的焊迹表面和缺陷修磨处的表面、复合材料复合层堆焊前后。典型的检测方法有：IIC－d、IA－d、IIA－d、IC－d等。

1.3 在役检测

主要用于在役维修、定期检验、在线监护监测等方面，目的是保障使用安全、预防事故发生。检测范围包括：应力较大、应力集中、应力腐蚀、受交变载荷、变形、补焊、易产生缺陷、支管角焊缝等部位。受检测条件的限制，在役检测多采用适于现场应用的技术和便携式设备器材等。典型的检测方法有：IIC－d、IA－d等。

2 技术标准现状

通过参考发达国家经验，我国基本建立起了较为完整的PT 标准体系［19］。我国无损检测通用方法标准由中国无损检测标准会技术委员会（SAC／TC56）制定，具体的产品检测标准由国家各产品标准化委员会制定。目前，国内承压设备行业大部分企业均以国家、行业标准为生产准则。

现行承压设备PT 相关标准如表2所示。承压设备行业的PT 标准JB／T4730.5—2005为推荐性行业标准，经相关法规引用后具有强制性，在承压设备行业的设计、材料、制造、安装、使用、检验和修理过程中的检测要求大都按此标准执行。

3 主要PT方法分类及应用选择

3.1 按渗透剂分类

按渗透剂所含染料成分，分为荧光法（I）、着色法（II）、荧光着色（III）法三大类。其中着色法应用最广泛，水基渗透剂着色法适用于不能接触油类的工件且灵敏度很低；荧光法灵敏度高但需要黑光灯，在高强钢（材料标准抗拉强度下限值Rm不小于540 MPa）以及对裂纹敏感的材料、有应力腐蚀裂纹倾向的工件等部分场合推荐采用；III法少有应用。

3.2 按渗透剂的去除分类

按渗透剂的去除方法可分为水洗型（A）、后乳化型（亲油型B、亲水型D）、溶剂去除型（C）三大类。在承压设备的无损检测时，因设备材料简单、对环境要求低、操作方便、重复性较好、适于局部检测，溶剂去除型得到最广泛地应用；水洗型操作简便、成本较低，在大型工件、表面较粗糙、大批量小零件、带螺纹键槽工件、对灵敏度要求不高等部分场合采用；而后乳化型（亲油型B、亲水型D）灵敏度高、适用于宽而浅的缺陷、重复性好，但成本高，在检测场所固定、大批量小零件检测等情况下可以采用，但因清洗去除困难不适用于带螺纹键槽的工件。

表2 承压设备PT相关标准

3.3 按施加显像剂方法分类

按施加显像剂的方法，显像剂分为干粉（a）、水溶解（b）、水悬浮（c）、溶剂悬浮（d）、自显像（e）共五大类。其中，湿式显像法（b、c）适用于大批量工件，多用于水洗型荧光法检测；快干式显像法（d）因操作简单、具有吸附及回渗作用而灵敏度较高，在溶剂去除型着色和荧光法检测中广泛使用；干式显像法（a）具有显像鲜明、相比其它方法显像痕迹不会随时间扩散的特点，在后乳化型和水洗型荧光法检测中应用较多，但干粉法不适用于着色法。

3.4 按检测灵敏度等级和去除剂类型分类

按PT 灵敏度等级，可分为：很低级、低级、中级、高级及超高级灵敏度五类。承压设备PT 通常采用的灵敏度等级有低级、中级、高级，一般用JB／T4730.5的3 点B 型试块（或JB／T6064—1992 中的5点B型试块的区位号2、3、4）来确定。按去除剂类型分为：卤族类溶剂去除剂、非卤族类溶剂去除剂以及特殊应用类型溶剂去除剂等三类。承压设备PT 常用丙酮、酒精、水等非卤族类溶剂去除剂，也用四氯化碳等溶剂去除剂。

3.5 不同PT方法的选用原则

方法的选用首先应满足检测缺陷类型和灵敏度的要求，然后根据被检工件表面粗糙度、检测工件批量大小和检测现场的水源、电源等条件来决定：①对现场无水源、电源的检测宜采用IIC 法。②对于大工件的局部检测，宜采用I／IIC 法。③对于表面粗糙且检测灵敏度要求低的工件宜采用I／IIA 法。④对于批量大的工件检测，宜采用I／IIA法。⑤对于表面光洁且检测灵敏度要求高的工件，宜采用I／II B／D 法，也可采用IC法。

3.6 应用的典型PT方法

（1）溶剂去除型着色PT 法（IIC－d）：因喷罐等设备简单、操作方便、不需要水电等特点，IIC－d方法在承压设备PT 中得到最为广泛地应用；适用于非批量、现场焊接件和表面光洁件等承压设备部件局部检测；渗透剂可以使用后乳化型，也可以使用水洗型；清洗／去除剂一般采用丙酮、酒精等有机溶剂；显像剂采用非水基湿式显像剂的溶剂悬浮显像剂；具有较高的检测灵敏度。

（2）水洗型着色／荧光PT 法（IIA－d、IA－d／IAa）：因操作简便、成本低、效率高、适于粗糙表面及带沟槽工件等特点，IIA－d、IA－d／IA－a在承压设备PT中得到部分应用；适用于大面积或大体积、表面粗糙、带螺纹或键槽等沟槽、缺陷开口窄而深的承压设备部件；渗透剂使用含有乳化剂的水洗型渗透剂；清洗／去除剂用水；着色法时显像剂用溶剂悬浮显像剂，荧光法时显像剂还可用溶剂悬浮显像剂或干粉；IIA－d检测灵敏度不高；IA－d检测灵敏度高，在高强钢以及对裂纹敏感的材料、有应力腐蚀裂纹倾向等部分场合根据标准JB／T4730.5推荐采用。

（3）后乳化 型着色／荧光PT 法（I／II B／D－a／d）：因具有检测灵敏度高、适于开口浅而宽缺陷、重复性好等特点，IB－a、IB－d等后乳化型PT 法在承压设备零部件PT 中具有一定的应用前景；适用于灵敏度要求高、开口浅而宽缺陷、应力或晶间腐蚀裂纹、表面阳极化或镀铬等大批量零件；渗透剂使用不含乳化剂的后乳化型型渗透剂；去除多余渗透剂前采用的乳化剂有亲水型和亲油型两种；荧光法时显像剂一般用干粉，也可用溶剂悬浮显像剂。

4 技能培训与技术交流

提高承压设备PT 人员的技术水平，对于保证承压设备的安全运行十分重要。国家特种设备管理部门归口管理、培训和考核对承压设备PT 品质控制和人员素质的提高十分有益。特种设备NDT人员现已达12.3万余人（其中PT 人员已达2.5万余人），约占全国NDT 持证人员的40%［20］；全国特种设备检验协会组织编写的《渗透检测》培训教材多次修改再版，促进了承压设备PT 技术的应用和检测人员水平提高；开展承压设备PT 技术学术交流的主要途径包括以《无损检测》和《无损探伤》为代表的专业学术刊物以及全国无损检测学术年会、全国磁粉／渗透探伤技术交流年会以及其它各类学术交流会议等。近年来，各类无损检测技术会议，在技术交流、继续教育等方面也起到了较大的作用；以www.chsndt.org、www.ndtinfo.net、www.ndtbbs.cn等为代表的专业网站、无损检测论坛、各类相关QQ 群等新兴交流平台，对MT／PT 人员技术素质和业务水平的提高越来越重要。

5 主要设备器材现状及发展

国内现已能够生产满足承压设备PT 需要的试块和相关器材，大部分厂家已取得ISO9000系列国际质量保证体系认证，其产品已符合相关国际标准要求并已输出到大陆以外的国家和地区；适应不同灵敏度等级要求（普通工业级到核工业级和特种材料）的着色渗透、荧光渗透、着色荧光渗透用材料，便携式器材（如喷罐型）、大型自动流水线系统，配套的辅助设备与仪器（如适用于大尺寸、形状复杂结构件的静电喷涂荧光PT 线［21］、荧光渗透液专用污水处理设备）；与PT 相关的制造厂家超过36家；新型手电式、手持式和大面积黑光灯，采用了LED冷光源新技术，不需预热、即开即亮，其寿命达50 000h。

PT 器材的改进和满足用户产品要求的成套流水线设备的设计制造方面，主要进展有［22］：

（1）国内能够生产的着色渗透剂包括采用油溶性染料的、醇溶性染料的、油醇混合性染料的；溶剂清洗型、溶剂／水两用清洗型、水清洗型；不同灵敏度等级的；氟、氯、硫含量符合国际标准、能用于奥氏体不锈钢、镍基合金和钛合金检测。国内采用非氟里昂材料制作的推进剂的气雾罐装各种着色检测剂产品性能已与国际著名公司产品相当，国内产品能满足国内各行业一般用途对着色检测剂的性能要求。

（2）随着荧光PT 剂系列中不同产品性能的完善和适应不同工作效率的流水线设备的问世，荧光PT 技术迅猛扩展到汽车、电力设备制造行业，日本E－40、D－10系列高强度紫外线灯以及LED 紫外线灯的引进，提高了检测灵敏度和可靠性，改善了检测工作条件；国内现有自乳化和后乳化系列的不同灵敏度等级的荧光液、乳化液和干粉显像剂。

（3）近年来出现了各种新型半自动或PLC 全自动控制的大型荧光渗透流水线成套设备，带前水洗废水的循环分离回用装置、采用先进计算机、电子光学和信息处理技术的亲水性后乳化荧光PT 线正在研制之中。

6 应用研究主要进展

在承压设备PT 技术及其相关领域的检测对象和越来越高的材料环保安全特性的要求方面，近年来部分主要相关应用研究进展有：

（1）陈南明等分析了提高在役低温液氧容器表面渗透探伤灵敏度的尝试［23］，得出了温差渗透法能够提高低温液氧容器等条件下使用的低灵敏度水基型着色探伤的灵敏度，对于各种耐高温的渗透剂，为提高其探伤灵敏度，温差渗透法也不失为一种有效的措施。

（2）丁晓萍对荧光渗透探伤水基预清洗方法进行了试验研究［24］，相比三氯乙烯蒸汽除油，采用的QX－2型清洗液常温清洗节约能源、环保安全无毒，可清洗钛合金而不产生应力腐蚀裂纹。

（3）国内某单位已采用CCD 图像摄取和计算机图像处理的机电一体化PT 自动分选系统，使用SM－1型水洗型着色渗透液和水溶型湿式显像剂，对非金属材料—轴承球的检测灵敏度高（能发现最小裂纹宽度达到不大于1μm），速度快、成本低、劳动强度小、效率高。

（4）归锦华研发了一种不用显像剂、可在1min内就能渗透和显示、适用于－25～250℃范围各类材质、最高灵敏度可达0.5μm 以下的新型环保无污染渗透剂［25－26］，应用前景值得关注。

（5）富阳对有限空间内PT 对人的危害进行了研究，提出了相关防护措施［27］；对渗透液渗入速度拐点和提高渗入量进行了理论分析和试验分析［28］。

（6）任富华研制了荧光渗透检验缺陷标准尺寸对比图谱［29］，试验得出：按此缺陷显示标准尺寸，误差满足尺寸判定要求，对比图谱符合产品客观实际及标准要求，填补了国内空白。

（7）黄磊等对微小缺陷的液体PT 进行了理论分析和试验［30－31］，试验表明：采用后乳化荧光渗透和干粉显像，适当增加渗透滴落时间、延长显像时间，必要时增加振动、防止过水洗，可提高微小缺陷的液体渗透检出率，确保关键件的质量要求。

7 结语

（1）以荧光法为代表的渗透检测新技术逐步普及，渗透检测新材料向灵敏度高、环保低毒、经济性好的方向发展，均能够进一步提高承压设备渗透检测的灵敏度、准确性和可靠性。

（2）喷罐式便携渗透检测剂灵敏度高、适应性强、得到广泛应用；一体化大型渗透检测专用装置能够进一步降低劳动强度、提高检测效率、改善检测条件、减少环境污染。

（3）计算机图像处理技术应用于承压设备渗透检测的痕迹解释与评定，具有一定的应用前景。

（4）随着法规标准的更新、设备材料的发展，承压设备检验检测机构渗透检测技术人机料法环各个环节的质量管理将会更加规范，并得到更多关注和重视。

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