三维扫描和打印技术在压力容器检验中的应用探析

韩鹏飞* 王正方 肖吉敏 李 凯 张金成

（1.淄博市特种设备检验研究 2.淄博职业学院 机电工程学 3.山东理工大学 机械工程学）

1 压力容器检验检测简介

压力容器是一种承压类特种设备，被广泛应用于石油、冶金、食品等工业领域，近年来，工程技术人员对激光应用技术研究不断深入，三维扫描技术和三维打印技术日趋成熟，其应用范围也愈来愈广[1-2]。将三维扫描和打印技术应用到压力容器的检验检测中，一方面能够提高工作效率和质量，另一方面还能够减少磁粉和渗透剂等物料的使用量，实现绿色检测、健康检测的目标。

随着《中国制造2025》实施和国民经济的持续发展，我国特种设备的使用数量不断增长。截至2021 年底，全国特种设备总量达1 816.23 万台，其中压力容器有469.49 万台，另有气瓶2.02 亿只，如图1 所示。全国共有特种设备综合性检验机构445 个，其中系统内检验机构261 个，行业检验机构和企业自检机构184 个。以山东省为例，2021 年共检验承压类特种设备141 827 台，其中压力容器119 289 台，锅炉22 538 台；定检率为100%，主要问题是设备腐蚀、安全附件失效及技术资料不完整。

图1 2021年底全国各类特种设备的数量占比图（单位：万台）

压力容器检验是一项法定检验，没有任何理由可以逃避。在实际检验检测工作中，同一台设备中往往存在多种损伤模式，检验人员必须用“共同体”思想来综合性地完成检验检测，最终给出检验结论并评定相应的级别。

2 三维扫描与打印技术的应用现状

三维激光扫描技术出现在20 世纪90 年代，之后研发的三维激光扫描系统使得这一技术快速发展且被广泛应用。三维激光扫描系统包括激光扫描仪和系统软件，能够获取近距离、静态物体表面的点云，并快速完成数据处理及建模工作。图2 所示为手持式激光扫描仪。

图2 手持式三维激光扫描仪

蔡景明等[3]将三维激光扫描技术有效地用到长输管道变形量的测量中，并对传统工具、几何变形检测器和三维激光扫描3 种检测结果进行了分析比对，验证了该技术的高精度和可靠性。朱龙军等[4-6]采用基于视觉跟踪拼接和自由设站的三维激光扫描技术，将扫描的点云提取建筑条件点、高度和轮廓线，与传统测量方式比较后，点位平面、高程、边长精度均符合要求，极大地提高了建筑验收测量的效率。刘永治等[7]提出了一种基于线激光扫描的零件三维表面检测系统，该系统可得到零件表面的三维点云数据，进而可判断出零件表面是否有缺陷,从而减少由缺陷造成的损失。

三维激光扫描技术在测绘方面具有较大优势，本文主要探讨了手持式激光扫描系统作为一种检测手段在压力容器检验中的应用，该技术可以大大提高特种设备检验检测的工作效率和检测质量。

3D 打印技术出现在20 世纪90 年代中期，不同于传统的去除材料的加工模式，它是以数字模型文件为导向，利用光、电、热等媒介将粉末或丝状等可黏合材料逐层增加，来生成三维实体。目前的常用的3D 打印技术主要有融融沉积快速成型（FDM）、光固化成型（SLA）、三维粉末粘合（3DP）、选择性激光烧结（SLS）、分成实体制造（LOM）、无模铸型制造技术（PCM），其中FDM 类型的打印机因为价格低廉、操作简单，所以被广大的创客和爱好者所追捧，同时也被应用在中小学、职业学校、高等院校的日常教学中。图3 是某3D 打印技术的工艺过程，图4 是一台常见的3D 打印机。

图3 3D打印技术的工艺过程图

图4 3D打印机

查阅近几年关于3D 打印的文章后发现，研究该技术在医疗领域应用的文章较多特别是关于牙齿、骨骼（髋关节）、器官引导治疗方面的文章，同时也有大量研究混凝土3D 打印方面的文章。魏浩馨等[9-11]利用影像数据和三维体表信息，通过计算机辅助设计，3D 打印出了一种个性化的、拟具备矫正颈椎曲度功能的颈椎治疗枕。肖博丰等[12]综合了相关的研究成果，阐述了混凝土3D 打印技术的材料与工艺研究、3D 打印混凝土的性能试验方法研究及混凝土3D打印技术的应用研究，并分析了3D 打印技术现阶段存在的问题与不足，对混凝土3D 打印技术的研究方向进行了展望。

在实际的应用中，往往会将三维扫描和打印技术结合起来使用，比如在修复残缺文物时，先用扫描仪将其转变为数字模型，然后利用计算机软件对其残缺部分进行最合理的修复及优化，再使用3D 打印机将修复后的模型变为实物。图5 是通过3D 打印完成的两枚印章。

图5 3D打印的两枚印章

3 在制压力容器检验检测的应用

板焊结构压力容器适用于各种类型的压力容器，其基本制造工序包括：下料、坡口加工、拼接、成形、组装、焊接、开孔、无损检测、热处理、耐压试验和泄漏试验等。制造过程中各工序特别是关键工序的质量控制工作十分重要，且最终质量验收检查是不可或缺的环节，主要包括总体几何尺寸检查、总体宏观质量检查、焊接接头的无损检测和整体结构的耐压试验及泄漏试验等。《中华人民共和国特种设备安全法》和《特种设备安全监察条例》规定，对压力容器的制造、安装、改造和重大修理过程应当进行监督检验，而且是强制性的法定检验，未经监督检验或者监督检验不合格的产品不得出厂或交付使用。目前，多数企业对产品的内外表面仍使用磁粉检测、渗透检测等常规无损检测方式实施检测，检测效率低、污染程度高。随着3D 扫描和打印技术不断发展，部分单位已经开始应用在某些压力容器的宏观检测、尺寸核定、无损检测等方面，并且取得了不错的效果。

3.1 在换热器制造中的应用

在传统的机械制造过程中，一般采用人工测量或者三坐标测量机等完成尺寸测量和形状测绘，但对于体积过大或者过小以及形状复杂的零件或设备，测量工作就难以完成，且需要进行爬高等危险作业。人工测量一般只能测量长度、直径等基本尺寸且误差较大、效率较低，而使用三维扫描仪只需要一次完成整体扫描后，便可以获取完整的三维数据（高处部分使用滚动设备完成扫描，不需爬高），测量精度最高可达到0.03 mm。图6 是某公司使用三维扫描系统进行测试的现场图和获取的三维数据。

图6 某公司实验现场及获取的数据模型

3.2 在制压力容器无损检测中的应用

对于常规容器外表面及近表面缺陷，一般采用磁粉或者渗透检测，存在效率低、误差难以控制、有污染等缺点。在实际生产过程中，可以结合三维扫描技术快速、准确地完成部件的外观检测；如在验收外协加工的封头或检测本厂制造的封头时，三维扫描后查看是否存在外表面裂纹，如果遇到需要记录的特殊缺陷案例，还可以直接使用3D 打印机将扫描的模型打印成实物，便于技术人员研究形成缺陷的原因，从而进一步优化制造工艺。

在检查焊接工艺时，也可以使用三维扫描系统获取完整的焊接接头数据，在电脑上形成三维模型并自动对比焊缝参数及检测有无裂纹等缺陷，对需要保存的典型模型直接导出并打印成实物。

4 在压力容器定期检验检测中的应用

4.1 在辅助工具制造中的应用

磁粉检测是传统无损检测方法中不可或缺的一种，缺陷检出率较高且较为准确、直观。检测用的标准试片是作业前必不可少的辅助工具，目的是验证整个检测系统的灵敏度和有效性。通常使用透明胶带或者其他自制工具将又薄又轻的试片固定在待检体表面，效率较低且操作繁琐。笔者在经过大量的工程实践后，研发设计了一款一体式磁粉检测用试片固定装置，并成功利用三维打印技术将其变为实物，目前已应用在罐体表面的磁粉检测作业中，效果较好。该工具的原理是利用磁力吸附将试片夹在罐壁和该工具之间，从而实现快速固定和灵敏度验证，优势是提高检测效率及实现循环利用的目的。经过与其他一线检测人员沟通交流，他们对该工具非常满意，同时也提出了很多建议，该工具已获得了实用新型专利的授权。图7 是一体式磁粉检测用试片固定装置实物。

图7 一体式磁粉检测用试片固定装置实物图

4.2 在外表面缺陷检测中的应用

笔者从事承压类特种设备检验检测工作已有5年，主要负责大容积钢制无缝气瓶的磁粉检测和渗透检测工作，目的是检测设备表面及近表面是否存在裂纹等缺陷。在使用大型固定式磁粉探伤机对瓶体外表面进行磁粉检测时，经常会发现开口缺陷，但往往取决于检测系统的灵敏度、检测人员的技术水平及疲劳程度等因素；在做磁粉检测前，先用三维扫描系统扫描后得到模型数据，对发现的缺陷部位再使用磁粉检测验证并确定缺陷的具体位置和大小（尤其是能够提高微裂纹的检出率），同时根据需要即时打印出缺陷案例模型，从而减轻检测人员的工作强度，并提高检测效率。目前，由于笔者缺乏高精度三维扫描系统和工业级3D 打印机，还未正式开展研究工作。图8 是设备中长细型的开口缺陷，图9 是短粗型的开口缺陷。

图8 长细型开口缺陷

图9 短粗型开口缺陷

对承压类汽车罐车进行内部检验时需要检验人员携带设备进入罐体完成检验作业，通常是对焊缝进行100%渗透检测（非铁磁性材料制）或者荧光磁粉检测（铁磁性材料制）；狭小空间对于悬浮颗粒物来说特别敏感，少量的渗透剂等试剂在短时间内就能让人无法正常呼吸、视线模糊，严重影响渗透检测的质量。随着三维扫描精度不断提高，笔者认为使用三维扫描仪辅助渗透检测完成罐内检测作业，能够改善恶劣的检测环境并提高检测质量；作业时只需携带手持式三维扫描仪和手提电脑，由于不锈钢制罐内表面非常干净光亮，完全能够完成对焊接接头等部位的扫描及建模检测，比传统渗透检测的效率要高得多。近年来，常压汽车罐车的安全运行及检验质量越来越受到重视，各个省份均搭建了专门用于高效监管常压罐车运行、检验等环节的智慧平台，三维扫描系统及3D打印技术的应用无疑会提高其检验质量，比如通过内部扫描建模来计算罐体容积等参数。图10 是某不锈钢罐体内部封头与筒体处的焊接接头局部图。

图10 内表面焊接接头局部图

5 结语

三维扫描和打印技术在智能制造、质量检测、文物复制等领域应用的优势显而易见，本文通过综述两者在医疗、建筑等行业的应用研究现状，展现了其在压力容器检验检测行业应用的美好前景;探析了其在在制压力容器检验和定期检验中的应用，并利用3D打印机完成了缺陷封头模型的试打印;研发设计、制造、应用了一款一体式磁粉检测用试片固定装置，并获得了实用新型专利的授权。