超声波技术在锅炉压力容器检测中的运用

冯选明

（吕梁市特种设备监督检验所，山西吕梁 033000）

0 引言

锅炉压力容器广泛应用于能源、化工、军工等产业，在使用过程中处于高温、高压状态。如果制造质量把关不严，服役期间检测不到位，就会因存在缺陷而损坏，甚至发生爆炸事故。超声波检测既可及时发现钢板轧制、冷热成型加工及焊接等制造过程中产生的缺陷，也可发现运行过程中产生的新缺陷及制造缺陷的扩展。超声波检测技术具有不破坏被检对象、设备携带方便、适于在各种场所使用等优势，被普遍运用于锅炉压力容器检测当中。近年来，随着电子技术的发展和智能化、信息化等方面的要求，超声波检测技术仍需不断地完善。

1 运用原理

超声波技术能够清楚呈现出锅炉压力容器缺陷，主要利用超声波的物理特性呈现宏观缺陷。在采用超声波技术检测锅炉压力容器时，超声波束进入锅炉压力容器材料、焊缝内部，遇到了存在的缺陷，若a≥λ（超声波波长为λ，缺陷尺寸为a），则产生反射波，该信息会经由探伤仪反映出来；若a＜λ，则不会产生反射波，探伤仪也不会有对应的反映。在a≥λ 的情况下，反射波会在荧光屏上呈现出相应波形，内部缺陷的信息就储存在波形当中，通过读取波形，对波形进行分析、对比，可以准确判断缺陷的位置和几何尺寸，检测人员可以结合自己掌握的材料、焊接知识，对缺陷的形状、特性进行初步判断。

因超声波在金属材料中穿透性强、灵敏度高，检测时速度较快，且操作较为简单，故在锅炉压力容器检测工作中得到广泛应用。随着计算机技术、电子技术等不断发展，超声波检测技术在锅炉压力容器无损检测中的运用更加成熟。例如，通过连接计算机与超声波探伤仪，借助计算机强大的分析及处理能力，可进一步推动锅炉压力容器检测自动化，使检测过程简化，判定更加准确，同时使检测信息以图表等模式呈现在检测人员面前，有效降低检测人员对锅炉压力容器缺陷进行综合判断的难度。

2 扫描技术分析

超声波检测技术有A 型扫描技术、B 型扫描技术、C 型扫描技术、衍射时差法超声探伤技术。

2.1 A 型扫描技术

该技术用于锅炉压力容器检测时，探伤仪探头定点发射超声波，并收集回波信息，然后以回波信息准确判断锅炉压力容器的缺陷长度和深度。但A 型扫描技术在实际运用时有一定局限性，得到的回波图不能直观反映缺陷的形状，检测人员要判断出形态、特点、类型的难度较大，对检测人员的能力及经验有较高要求。目前，A 扫描检测技术已经非常成熟，通过对缺陷位置、尺寸的准确定位，可准确找到缺陷进行返修，完全可以满足一般制造、检修的需要。

2.2 B 型扫描技术

该技术用于锅炉压力容器检测时，要借助灰度调制来实现成像，通过收集不同位置、不同深度的回波信息，最终得到的图像可反映出锅炉压力容器的剖面信息，根据剖面信息来进一步分析锅炉压力容器的缺陷形态和深度。一般情况下与A 型扫描技术相比较，B 型扫描技术的局限性更小。

2.3 C 型扫描技术

该技术运用于锅炉压力容器检测时，借助线阵扫描实现成像，在实际检测过程中，可通过调整回波信号强度来获取锅炉压力容器任意深度的回波图像，并通过分析图像得到锅炉压力容器的缺陷情况。与A、B 型扫描技术相比较，C 型扫描技术是平面x、y 坐标综合归集规划，运用C 型扫描技术对锅炉压力容器可进行更加全面的检测，会瞬间先在x 方向上形成一条线图像，然后再在y 方向上进行扫描。

2.4 衍射时差法超声探伤技术

利用端点反射原理，将端点反射轮廓反映在显示屏上，更有利于准确判断缺陷的位置、尺寸、几何形状等，且受检测人员手法影响较小，利于判定缺陷类型。随着我国衍射时差法探伤仪器制造技术的成熟，该技术将得到更加广泛的应用。

3 检测分析

3.1 常见的锅炉压力容器缺陷

常见的锅炉压力容器缺陷有裂纹、气孔、夹渣、未熔合、未焊透等。若出现超标缺陷，锅炉压力容器即被判定为不合格，不可投入使用。若不慎将存在严重缺陷的锅炉压力容器投入使用，则可能诱发安全事故。

（1）裂纹缺陷。是设备材料和焊缝中致命的缺陷，由于裂纹属于面积型缺陷，当超声波声束方向平行于裂纹方向时，基本没有回波产生。在实际的检测中，必须根据材料特性、焊接工艺，初步判断焊接过程中可能产生裂纹的方向，用不同的探头，在不同的材料表面进行扫查，才能发现存在的裂纹缺陷。

（2）焊接未熔合缺陷。在焊接时若焊接金属与母材未充分熔合可能导致锅炉压力容器强度降低，在投入使用后，随着缺陷的扩展还会出现其他问题。焊接未熔合缺陷可能出现在锅炉压力容器任一采用了焊接工艺的地方，有根部未熔合、坡口未熔合、层间未熔合等状态。在通过超声波技术对锅炉压力容器未熔合缺陷进行检测时，可参考缺陷出现的位置对锅炉压力容器是否具备该缺陷进行判断，并采用合适的探头进行检测。

（3）未焊透缺陷。当借助超声波技术对锅炉压力容器是否存在该缺陷进行判断时，若锅炉压力容器的确存在该缺陷，那么回波速度往往很快，反射当量往往很大。

（4）气孔、夹渣等体积型缺陷。超声波探伤比较容易发现，但从不同的角度进行检测，回波信号有一定差异，发现比较弱的缺陷信号时，有经验的检测人员会调整扫查角度，进一步对缺陷做出准确判断。

3.2 检测时存在的干扰因素分析

超声波技术用于锅炉压力容器检测时会遇到各种干扰因素的影响，使检测结果存在一定误差。干扰因素可分为定位因素与定性因素。

（1）常见的定位干扰因素：①数据读取偏差干扰，即在检测过程中因仪器存在问题，可能导致测得的数据出现偏差，使检测结果精准度下降，例如水平线性出现问题会影响检测人员对深度位置进行准确判断；②波束方向偏离干扰，即在检测过程中，因某些原因（如锅炉压力容器的材质）波束方向发生偏离，导致检测结果出现误差，不能准确反映出锅炉压力容器的缺陷位置及缺陷状态。

（2）常见的定性干扰因素：①耦合和衰减干扰，检测结果可能被耦合层厚度、耦合效果等因素影响，使最终检测结果出现误差，无法准确判断锅炉压力容器的缺陷情况；②性能干扰，超声波检测仪器结构复杂，当性能不佳时会导致检测结果不准，例如灵敏度较差会遗漏较小的缺陷，垂直线性出现问题会影响对缺陷尺寸的判断；③操作人员干扰，在检测过程中，操作人员的水平会对检测结果的精准度和检测速度产生直接影响，不同的操作人员对同一锅炉压力容器进行检测，也可能出现检测结果不同的情况；④工件干扰，被检测的工件，某些端角可能产生反射波，产生伪缺陷。

3.3 检测的实践举例

（1）角焊缝的检测实践。常用的检测方法有：①采用双晶直探头对角焊缝是否存在未熔合缺陷进行检测；②采用斜探头对角焊缝是否存在未焊透缺陷进行检测。在获得检测波形后可移动探头，当角焊缝存在缺陷时，伴随半透移动波形图中的底波高度多不下降。检测时还需注意：①在同时采用双晶直探头与斜探头时，要综合考虑锅炉压力容器的实际情况，比如要考虑锅炉压力容器的大小、壁厚等因素，根据实际检测需要，来选择不同型号的探头；②为提高检测结果的精准性，可借助一次反射法跨距公式、三角定理来辅助确定探伤面，通过扫描线调节和灵敏度校验来降低某些干扰因素对检测结果的影响。

（2）内壁裂纹检测的实践。选用的是不同K 值的斜探头，其存在明显差异，对锅炉压力容器内部裂纹的检测会出现不同的结果。检测时需注意：①在进行纵向缺陷检测时，要根据检测需要选择型号合适的探头做轴向或周向百分百扫查；②在进行环向缺陷检测时，可同时采用K 值存在明显差异的斜探头来验证检测过程中的缺陷，从而提高检测结果的精准度；③还可采取前后、左右移动探头的做法来降低干扰因素影响。

（3）封头管板裂纹检测的实践。在实践过程中需注意：①合理控制扫描速度；②在检测前调整检测仪器的灵敏度；③扫查方式的选择。

4 结语

由于超声波技术可以较为精准、快速地检测出锅炉压力容器存在的缺陷，有效提高锅炉压力容器检测质量、降低安全事故及财产风险，因此近年来超声波技术在锅炉压力容器检测中得到了较为广泛的应用。在实践过程中，因定性因素与定位因素的影响，检测结果仍在一定程度上会受到干扰，尚存在很大的提升空间。进一步引入计算机技术、电子技术等可提高检测效率与精准度，对B 扫描、C 扫描进行研究，开发超声波成像技术，有利于对锅炉压力容器设备缺陷更直观地判断。