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壓力容器無損檢測--球形儲罐的無損檢測技術
2014-03-27 來源：中國檢測網
摘要：球形儲罐是儲存各種氣體和液化氣體的常用壓力容器之一，在石油、化工、冶金和城市燃氣供應等方面得到廣泛使用。綜述了球形儲罐在制造、安裝和使用過程中不同階段可能出現的缺陷和分別采用的各種無損檢測方法，包括射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測、滲透檢測、電磁渦流檢測、聲發射檢測和磁記憶檢測等技術。分別介紹了這些無損檢測方法的特點。
關鍵詞：壓力容器；球形儲罐；無損檢測；綜述
壓力容器按幾何形狀分類，有球形容器、圓筒形容器、錐形容器和組合形容器等四大類。與其它形狀的壓力容器相比，球形容器由于其幾何形狀的中心對稱性，因此受力最均勻，在相同的壁厚條件下，球形容器的承載能力最高，反之，在同樣的內壓條件下，球形容器所需要的壁厚最薄；在相同的容積條件下，球形容器的表面積最小；此，在儲存相同壓力和體積物料的條件下，采用球形容器最節約鋼材，而且占地面積最小[1]。
鑒于球形容器的上述特點，目前國內外主要采用球形儲罐來儲存各種氣體和液化氣體，在石油、化工、冶金和城市燃氣供應等方面得到廣泛使用。最常見的為石化廠的石油液化氣和液態乙烯等烯烴球罐，城市供氣的大型天然氣和煤氣球罐，化肥廠的液球罐，煉鋼廠的氧氣、氮氣和氬氣球罐等；最常用公稱容積為50，120，200，400，1 000，2 000，5 000，8 000和10 000 m3等；國內常用的材料為20R，16MnR，15MnVR和15MnVNR鋼，也有許多從日本進口球罐采用的材料為SPV36，壁厚一般在20～50mm，30mm左右的最多。根據2003年的統計，我國擁有容積≥50m3的球罐5 800多臺[2]。
球形容器的結構由球殼和支座兩部分組成，球殼由許多塊球瓣組焊而成，球瓣的拼接方式一般有足球式分瓣和橙皮式分瓣兩種。國內建造的球形儲罐大部分為橙皮式分瓣，通常將球面比照地球分為五部分，即赤道帶、南溫帶、北溫帶、南極板(即底版)和北極板(即頂板)。支座的形式主要有支柱和裙座兩類，一般小型球形容器采用裙座式，＞50m3的球罐采用赤道正切支柱式。由于球形儲罐的幾何尺很大，再加上運輸的限制，其制造過程為先在壓力容器制造廠壓好球瓣，預焊好支柱，然后運輸到現場進行總體組裝，因此采用的無損檢測方法必須適于現場操作。 球形儲罐在使用過程中，內部易受介質的影響，外部易受大氣環境的影響，某些情況下可產生應力腐蝕開裂；球罐支柱的角焊縫是應力集中最大的部位，也是在用檢驗的重點。本文根據球形儲罐制造、安裝和使用的特點，綜述了在不同階段采用的無損檢測技術的特點。
1球形儲罐制造過程中采用的無損檢測技術
球形儲罐在工廠的制造工藝過程包括球殼鋼板的切割及壓制成型，人孔、接管和支柱的焊接等；在工廠制造過程中對無損檢測的要求為球殼鋼板的超聲檢測，球殼板坡口的磁粉或滲透檢測，人孔、接管和支柱焊縫的磁粉或滲透檢測；檢測標準為JB4730-1994《壓力容器無損檢測》。
對球殼用鋼板進行超聲檢測的主要目的是發現板材在冶煉和軋制過程中產生的白點、裂紋和分層等缺陷。并非所有球殼用鋼板都需超聲檢測，GB12337-1998《鋼制球形儲罐》規定，凡符合一定條件的球殼用鋼板，必需逐張進行超聲檢測，即①厚度≥30mm的20R和16MnR鋼板。②厚度≥25mm的15MnVR和15MnVNR鋼板。③厚度≥20mm的16MnDR和09Mn2VDR鋼板。④調質狀態供貨的鋼板。⑤上下極板和與支柱連接的赤道板。
鋼板超聲檢測選用縱波直探頭，6～20mm厚的鋼板需選用晶片面積≮150mm2的5MHz雙晶直探頭，檢測用試塊為臺階標準試塊；20～250mm厚的鋼板需選用的直徑為Ф14～25mm的圓晶片，或面積≮200mm2的方晶片2．5MHz單晶直探頭，檢測用試塊為φ5mm平底孔標準試塊。鋼板的超聲檢測按JB 4730的規定，熱軋、正火狀態供貨的鋼板質量等級應不低于Ⅲ級，調質狀態供貨的鋼板質量等級應不低于Ⅱ級。
鋼板在切割好后，球殼板周邊＜100mm內應進行100％超聲檢測，檢測工藝與上述要求相同。對于標準抗拉強度下限值σb>540MPa的鋼材，氣割坡口表面應進行磁粉或滲透檢測。另外，還要對人孔、接管和支柱焊縫的表面進行磁粉或滲透檢測。
2球形儲罐安裝過程中采用的無損檢測技術
球形儲罐在現場的組裝方法主要有散裝法和球帶組裝法等。散裝法是在安裝基礎上安妥支柱，然后將單塊或多塊組焊好的球瓣進行吊裝；球帶組裝法是先將球瓣在平臺上按不同的球帶分別組裝，并完成縱縫的焊接，然后再將球帶組裝成整球，焊接環縫。與壓力容器制造車間相比，球罐的現場組裝采用手工焊，環境條件較差，且焊縫為全位置焊接，容易出現錯邊、氣孔、夾渣、未熔合、未焊透和裂紋等焊接缺陷，因此采用無損檢測對焊接質量的控制十分重要。通常對焊縫內部的缺陷采用射線或超聲檢測方法，對焊縫的表面缺陷采用磁粉或滲透檢測方法。
2.1射線與超聲檢測
GB 12337標準第8.6.4.1規定，凡符合下列條件之一的球殼對接接頭，應按圖樣規定的檢測方法，進行100％的射線或超聲檢測，即①厚度δs＞30mm的碳素鋼和16MnR鋼制球罐。②厚度δs>25mm的15MnVR和15MnVNR鋼制球罐。③材料標準抗拉強度下限值σb>540MPa的鋼制球罐。④進行氣壓試驗的球罐。⑤圖樣注明盛裝易燃和毒性為極度危害或高度危害物料的球罐。⑥圖樣規定須進行100％檢測的球罐。
對于進行100％射線或超聲檢測的焊接接頭，是否采用超聲或射線檢測進行相互復檢，以及復檢的長度，由設計者在圖樣上予以規定。
除上述規定以外的焊接接頭，允許作局部射線或超聲檢測，具體檢測方法按圖樣規定。檢測長度不得少于各條焊接接頭長度的20 ％，而且某些部位必需全部進行檢測，即①焊縫的交叉部位。②嵌入式接管與球殼連接的對接接頭。③以開孔中心為圓心，1.5倍開孔直為半徑的圓內所包容的焊接接頭。④公稱直徑≮250mm的接管與長頸法蘭、接管與接管對接的焊接接頭。⑤凡被補強圈、支柱、墊板和內件等所覆蓋的焊接接頭。
檢測標準按JB 4730進行，射線照相的質量要求應不低于AB級。對100％檢測的對接接頭，檢測結果不低于Ⅱ級為合格；對局部檢測的對接接頭，檢測結果不低于Ⅲ級為合格。對于100 ％超聲檢測的對接接頭，I級為合格；局部檢測的對接接頭，不低于Ⅱ級為合格。
射線檢測使用的探傷設備包括X射線探傷機和γ射線探傷機，一般X射線探傷機適用于厚度＜50mm的鋼板，75Se γ源檢測厚度范圍為10～40mm，192lrγ源檢測厚度范圍為20～100mm，60Coγ源檢測厚度范圍為40～200mm。由于球形儲罐結構的特點，射線探傷特別適合采用γ源，將γ源放在球罐的中心，一次透照即可完成所有焊縫的檢測，效率很高。
超聲檢測方法適用于母材厚度＞8mm，全焊透熔化焊對接焊縫內部缺陷的檢測。采用的儀器為A型脈沖反射式超聲波探傷儀，儀器的工作頻率范圍為1～5MHz。采用的探頭一般為2～5MHz頻率的K值探頭，利用一次反射法在焊縫的單面雙側對整個焊接接頭進行檢測。當母材厚度＞46mm時，采用雙面雙側的直射波檢測。對于要求比較高的焊縫，根據實際需要也可將焊縫余高磨平，直接在焊縫上進行檢測。檢測區域的寬度是焊縫本身加上焊縫兩側各相當于母材厚度30％的一段區域，而且最小為10mm。
2.2磁粉檢測與滲透檢測
由于球形儲罐在現場露天安裝焊接，工作條件較差，易出現表面裂紋，因此對重要部位的焊縫，其表面應進行磁粉滲透檢測。GB 12337規定，符合下列條件的部位應按圖樣規定的方法，進行表面檢測，即①嵌人式接管與球殼連接的對接接頭表面。②焊補處的表面。③工卡具拆除處的焊跡表面和缺陷修磨處的表面。④支柱與球殼連接處的角焊縫表面。⑤凡進行100 ％射線或超聲檢測的球罐上公稱直徑<φ250mm的接管與長頸法蘭、接管與接管對接接頭表面。
磁粉或滲透檢測前應打磨受檢表面至露出金屬光澤，并應使焊縫與母材平滑過渡。檢測標準按JB4730進行，檢測結果I級合格。
2.3耐壓試驗的聲發射檢測
球形儲罐在制造完成后，最終都要以水或空氣為介質進行耐壓試驗，以考核和確認其安全質量。對一些特殊要求的球形儲罐，在水壓試驗時還需同時進行聲發射監測，以檢測球形儲罐在耐壓試驗過程中可能出現的缺陷開裂、裂紋萌生與擴展，并對耐壓試驗過程中球罐的結構完整性進行評價。
聲發射檢測一般采用多通道聲發射儀，探頭陣列采用三角時差定位的方式對球形儲罐進行整體實時監測，聲發射探頭之間的間距一般為3～5m。比如，最常見的400m3球罐需采用18個通道，1 000m3球罐需采用26個通道。
由于新安裝球罐的水壓試驗第一次加載，球殼焊接和組裝產生的殘余應力得到逐步釋放，因此聲發射信號很豐富，聲發射定位源會較均勻地分散在球殼的各個部位，但在人孔、支柱角焊縫、錯邊、熱處理不均勻和有缺陷開裂的部位等由于應力集中較大，易出現聲發射定位源集團。一般為了區分殘余應力釋放和缺陷開裂引起的聲發射信號源，根據金屬材料具有的KAISER效應的特性，采用從試驗壓力降壓到設計壓力然后第二次升壓至試驗壓力的方法，殘余應力釋放部位第二次升壓時幾乎無聲發射信號產生，缺陷開裂部位在第二次升壓時一般會重復出現聲發射定位源信號。聲發射檢測技術可以確定活性缺陷的具體位置，但要確定聲發射源內具體存在什么性質的缺陷，目前還需要采用常規無損檢測方法進行復驗。
3 在用球形儲罐檢驗采用的無損檢測技術
為了確保壓力容器安全運行，世界各國對壓力容器均采用運行期間內的定期檢驗制度。壓力容器在用檢驗分不停止運行的外部檢驗和停止運行后的內外部全面檢驗。外部檢驗的周期一般為1～2a(年)，內外部全面檢驗的周期一般為5～lOa。我國政府有關規程規定[5.6]，壓力容器外部檢驗的周期為1a，內外部全面檢驗的周期最長為6a。
對于新投入使用的球形儲罐，如使用標準抗拉強度下限值σb≥540MPa的材料制造，投用la后應當開罐進行全面檢驗；否則，最長可到投用3a后開罐進行全面檢驗。球罐的年度檢查內容包括使用單位壓力容器安全管理情況檢查、球罐本體及運行狀況檢查和安全附件檢查等。檢查方法以宏觀檢查為主，必要時進行測厚和腐蝕介質含量測定。如球罐焊縫內已存在超標焊接缺陷，可采用聲發射監測的方法來識別這些缺陷是否為活性；如需確定某些高應力集中部位是否存在疲勞損傷，可采用磁記憶檢測方法；如需檢查球罐外表面是否有疲勞裂紋或應力腐蝕裂紋產生，可采用表面裂紋電磁檢測的方法。
在用球罐的開罐全面檢驗周期一般為6a，但對安全狀況等級為1級或2級的球罐，在實測介質對材料腐蝕速率每年低于O.lmm或者內部有熱噴涂金屬(鋁粉或者不銹鋼粉)涂層，并通過1～2次全面檢驗確認腐蝕輕微者，開罐全面檢驗周期最長可以延長至12a。球罐的開罐全面檢驗的重點是在運行過程中受介質、載荷、溫度和環境等因素的影響而產生的腐蝕、沖蝕、應力腐蝕開裂、疲勞開裂和材料劣化等缺陷，因此除宏觀檢查外，還應包括磁粉檢測、滲透檢測、超聲檢測、射線檢測和聲發射檢測等無損檢測方法。由于球罐的檢測在其安裝使用的現場進行，受檢測條件的限制，因此，采用的無損檢測方法為適用于現場應用的技術，采用的無損檢測儀器均為適用于現場檢測的便攜式儀器。
目前在用球罐全面檢驗一般采用常規無損檢測方法和聲發射檢測方法兩種模式。常規無損檢測方法的模式為，對內外表面焊縫和焊疤部位進行100 ％磁粉或滲透檢測，對接焊縫內部進行20％～100％超聲檢測，對超聲檢測發現的內部超標缺陷進行射線檢測以確定缺陷的性質，并為返修確定具體部位；這種檢測方法一般用于焊縫內部無已知超標缺陷或超標缺陷很少的球罐，但這種檢測方法所需的檢驗時間相對較長。采用聲發射檢測方法的模式為，球罐停用后首先進行水壓試驗和聲發射檢測，然后對聲發射檢測指定的活性源部位進行表面檢測和超聲檢測復驗，并適當擴大表面檢測的比例到20 ％以上，對超聲檢測發現的內部超標缺陷進行射線檢測照相以確定缺陷的性質，并為返修確定具體部位；這種檢測方法一般用于已知焊縫內部存在或可能存在大量超標缺陷的球罐，聲發射檢測可以從大量超標缺陷中識別出活性缺陷進行返修；對于無超標缺陷的球罐，采用此種模式，也可大大縮減開罐檢驗的時間，減少停產損失。然而，值得提醒的是，對于一些較小的表面裂紋，耐壓試驗過程中可能不產生聲 發射定位源信號，因此，聲發射檢測有時不能發現小的表面裂紋。
3.1表面檢測
表面檢測方法是在球罐停產進行全面檢驗中首選的無損檢測方法。表面檢測的部位為球罐的對接焊縫、角焊縫、工卡具拆除處的焊跡表面等。鐵磁性材料對接焊縫的表面一般采用磁粉檢測方法，球罐的外部一般采用濕式黑磁粉檢測，內部由于照明條件不好，通常采用熒光磁粉檢測，角焊縫無法采用磁粉檢測時可用滲透檢測。非鐵磁性材料的表面采用滲透檢測，壓力容器的內部采用熒光滲透檢測，壓力容器的外部采用著色滲透檢測。
根據多年的檢驗經驗，球罐容易出現表面裂紋的部位主要有工卡具拆除處的焊跡表面、支柱角焊縫、安裝時組裝的最后一道環焊縫(一般為上極圈環焊縫)的外表面，介質液面部位的焊縫內表面。
3.2 電磁渦流表面裂紋檢測
焊縫表面裂紋的磁粉或滲透檢測都需要將被檢焊縫表面事先進行清潔處理，除去表面防腐層或污垢，因此不適合球罐的在線檢測。另外，球罐開罐100％焊縫內外表面的檢測發現，80％以上的球罐無任何表面裂紋，即使發現表面裂紋的球罐，一般也是只存在幾處表面裂紋，占焊縫總長的l％以下，因此大量的打磨一方面增加了球罐停產檢驗的時間和費用，另一方面也減小了球罐焊縫部位殼體的壁厚。 采用渦流技術可在不去除表面涂層的情況下來探測金屬材料的表面裂紋，然而，常規渦流方法只適用于檢測表面光滑母材上的裂紋，對焊縫上的裂紋卻會因焊縫在高溫熔合時產生的鐵磁性變化和焊縫表面高低不平而出現雜亂無序的磁干擾而無法檢測。針對這些問題，人們研究出基于復平面分析的金屬材料焊縫電磁渦流檢測技術，在有防腐層時，也可用特殊的點式探頭對焊縫表面進行快速掃描檢測，而且提離效應對檢測結果的影響很小[7～9]。
基于復平面分析的電磁渦流表面裂紋檢測儀器采用電流擾動磁敏探頭的渦流檢測技術來檢測焊縫的表面裂紋，此方法允許焊縫表面較為粗糙或帶有一定厚度的防腐層，因此可用于球罐運行過程中的焊縫外表面裂紋的快速檢測，也可用于球罐停產時的全面檢驗。這時可先采用該方法對焊縫進行快速檢測，然后對可疑部位進行磁粉或滲透檢測復驗，以確定表面裂紋的具體部位和大小。目前市場上銷售的儀器可在涂層<0.2mm的情況下，檢測靈敏度高于0.5mm深5mm長的表面裂紋；在有2mm涂層的情況下，檢測靈敏度高于lmm深5mm長的表面裂紋；該儀器還可對<5mm深的裂紋進行深度測定。
3.3超聲檢測
在用球罐的全面檢驗一般采用超聲檢測方法對對接焊縫進行抽查或100％檢測，以發現焊縫內部可能出現的疲勞裂紋或已存在的焊接埋藏缺陷，對于不易打開的球罐也可從外部檢測球罐焊縫的內表面裂紋，對于球罐外部有保溫覆蓋層的情況，也可從球罐的內部對焊縫外表面出現的裂紋進行檢測，但超聲檢測方法一般只能發現lmm深5mm長以上的表面裂紋。由于超聲波探傷儀體積小、重量輕，十分便于攜帶和操作，而且與射線相比對人體無害，因此在在用球罐檢驗中得到廣泛使用。
目前，對球罐的超聲檢測中直接發現焊縫內部產生的疲勞裂紋是很少見的，超聲檢測主要發現的還是球罐安裝過程中漏檢的氣孔、夾渣、未熔合和未焊透等原始焊接缺陷。許多情況下對超標的焊接缺陷采取缺陷安全評定的方法予以保留，而安全評定需要知道缺陷的長度和自身高度。超聲檢測方法的特點是可以較精確測出焊縫內缺陷的長度和自身高度，為缺陷的安全評定提供缺陷的幾何尺寸數據。新修訂的JB 4730規定超聲檢測缺陷自身高度測量方法有缺陷端點衍射波法、端部最大回波法和6dB法等，但目前使用測量精度最高的方法是缺陷端點衍射波法，精度達O．5～lmm。另外，在國外超聲檢測的TOFD法和全息成像法已得到成熟推廣應用，這些方法可以對內部缺陷得到更直觀和更精確的數據，目前國內也已啟動這些方法的研究和應用工作，因此將來這些方法在球罐的定期檢測中必將發揮重要作用。
3．4射線檢測
對于在用壓力容器的全面檢驗，射線檢測方法主要用于板厚<12mm的壓力容器對接焊縫內部埋藏缺陷的檢測，因為薄板采用超聲檢測有一定難度，而采用射線檢測不需要太高的管電壓。由于球形儲罐的壁厚一般20mm，適合進行超聲檢測，因此目前大部分在用球罐的全面檢驗很少采用射線檢測方法。但對于20世紀80年代前制造安裝的球罐，由于當時質量控制不嚴，許多焊縫內存在大量的超標缺陷，因此全面檢驗時通常采用7射線檢測方法。檢測時將7源放在球罐內部的中心，一次幾個小時的透照即可完成100％對接焊縫的檢測，效率很高。另外，對于超聲檢測發現的超標缺陷，通常采用射線檢測進行復驗，以進一步確定這些缺陷的性質和具體部位，為缺陷返修提供依據。
3．5聲發射檢測
聲發射方法用于檢測球罐上可能存在的活動性缺陷，也可用于對已知缺陷進行活性評價[10111]。聲發射檢測不同于其它無損檢測方法，必須在檢測過程中對球罐進行加載，常用的加載方法為壓力容器停止運行后進行的水壓或氣壓試驗，也可以直接采用工作介質進行加載。對活動性缺陷的檢測是在加載過程中采用多個聲發射傳感器對球罐的殼體進行整體監測，以發現活性聲發射源及其所在部位，然后通過對活性聲發射源進行表面和內部缺陷檢測，排除干擾源，發現球罐上存在的缺陷。對已知缺陷進行的活性評價是在加載過程中進行聲發射監測，如果整個加載過程中在缺陷部位無聲發射定位源產生，則認為該缺陷是非活性的，反之，如有大量聲發射定位源信號產生，則認為該缺陷是活性的。通過對特檢中心近十幾年在現場進行的100多臺球罐聲發射檢驗數據的綜合分析以及對發現的聲發射源進行的常規無損檢測復驗結果比較，表l給出了現場球罐聲發射檢測可能遇到的各種典型聲發射源分類，并描述了這些源產生的部位和機理。
3.6磁記憶檢測
金屬磁記憶檢測技術是俄羅斯杜波夫教授于20世紀90年代初提出，并于90年代后期發展起來的一種檢測材料應力集中和疲勞損傷的新的無損檢測與診斷方法。金屬磁記憶檢測的原理是利用鐵磁工件在受載工作過程中，在應力和變形區域內產生的磁狀態不可逆變化[12]。在該區域內發生具有磁致伸縮性質的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向，而且這種磁狀態的不可逆變化在工作載荷消除后不僅會保留，還與最大作用應力有關系。
磁記憶檢測可以發現材料受力后引起的疲勞損傷，甚至導致裂紋缺陷的產生；但目前人們對磁記憶現象的機理了解還不十分清楚，一般與其它無損檢測方法配合使用，以防缺陷的漏檢。
與電磁渦流檢測方法一樣，進行磁記憶檢測不需對焊縫表面進行打磨處理，可在帶油漆層的情況下直接進行快速掃查檢測，因此這種方法也是特別適合于對球罐進行的在線檢測。與電磁渦流檢測方法不同的是磁記憶檢測方法發現的是球罐上存在的高應力集中部位，而往往在這些部位容易產生應力腐蝕開裂和疲勞損傷。對球罐進行檢測時，通常采用磁記憶檢測儀器對球罐焊縫進行快速掃查，以發現壓力容器焊縫上存在的應力峰值部位，然后對這些應力峰值部位進行局部表面磁粉檢測和內部超聲檢測，以發現可能存在的表面裂紋或內部缺陷。
4結論
無損檢測技術在球罐的制造、安裝和使用過程中，對保證其質量和安全運行扮演極其重要的角色。對于制造過程，以球殼板的超聲波檢測方法為主；對于安裝過程，以對接焊縫的射線或超聲檢測方法為主；對于在用過程的定期檢驗，以表面檢測和聲發射檢測方法為主。另外，電磁渦流檢測和磁記憶檢測等新技術在在線檢測方面已開始得到應用。可以預計，隨著新的無損檢測技術的發展，必將有一些檢測速度更快、靈敏度和可靠性更高、缺陷顯示更直觀的新方法在球罐的檢測中得到應用。
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