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无损检测新技术应用1
特种设备无损检测新技术应用
摘 要 本文介绍了承压类特种设备无损检测新技术的原理、特点和应用。
关键词 M-RT TOFD 相控阵
近几年来，随着中国经济的迅速发展，能源、石油化工产品的需求量越来越大，石油化工装置的建设项目越来越多，工程进度要求越来越短，工程质量要求越来越高。特种设备无损检测技术和方法也层出不穷。
1 M-RT检测技术
微小防护区安全射线探伤简称M-RT，一种防护距离极小的射线探伤方法。
1.1设备特点
M-RT照相原理与常规射线检测相同。微辐射射线检测技术（M-RT技术）是对原有的γ源探伤机进行了改进，将γ源固化在γ源探伤机机体内，在极短的封闭的腔体内移动，机器安全性方面独特的方法，避免了射线源丢失或收不回来等事故发生。可以使用硒Se75或Ir192放射性同位素源，进行γ射线检测。在工件背部施以铅板防护。
1.2检测技术特点
目前石油化工装置焊接质量的检测主要以射线检测为主，现场射线探伤主要采用χ光射线和γ射线检测，由于χ光射线和γ射线在现场工作时都有很强的电离辐射，射线探伤时要求划定很大的安全距离，以避免对射线工作人员或非射线工作人员造成身体伤害，而且又要控制探伤时间，避免长时间照射对射线工作人员造成身体伤害，这样探伤时间和地点都受到了很大的限制，必须为射线检测单独预留时间，对工程进度造成很大的影响。M-RT技术的适用性很广，适用于透照厚度小于100mm的碳钢、合金钢、不锈钢以及其他材质的锅炉压力容器压力管道及特种设备上的直管、弯头、三通、法兰的对接焊缝射线探伤。M-RT检测设备还可以与常规射线检测同时应用，同一个机器既可以实现M-RT检测，也可进行常规检测。该技术还可以缩短工期，由于M-RT在施工现场可以与其他人员同时工作，不需要清场进行射线检测，可以灵活安排施工时间，尤其是工程后期、维修检修和老装置不停产改造等作业面小、工期紧等场合。
1.3M-RT的应用
M-RT检测技术在中海壳牌南海石化惠州80万吨/年乙烯项目、 茂名100万吨/年乙烯改扩建项目、大连西太平洋石油化工有限公司60000Nm3h制氢装置项目和银川宁煤煤基烯烃项目上实际应用，得到了较好的效果。
图1 M-RT微辐射探伤机
图2 M-RT工艺管道现场检测
2 TOFD检测技术
TOFD 技术（Time of Flight
Diffraction Technique）是一种利用缺陷端部
的衍射波传播时间差来进行缺陷检测和定
量的方法，即衍射时差法超声检测技术。。
2.1 检测原理
（1）TOFD 是一种利用超声波衍射现象、
非基于波幅的自动超声检测方法，其基本特
点是采用一对或多对宽声束探头，每对探头
相对焊缝对称布置（一发一收）的工作模式。
（2）TOFD 通常使用纵波斜探头，在工件无缺陷部位，发射超声脉冲后，首先到达接收探头的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在时，在直通波和底面反射波之间，接收探头会接收到缺陷处产生的衍射波或反射波。除上述波外，还有缺陷部位和底面因波型转换产生的横波，一般会迟底面反射波到达接收探头。工件中超声波传播路径见图3，缺陷处A 扫描信号见图4：
图3 工件中超声波传播路径
图4 缺陷处A 扫描信号
2.2适用范围
《承压设备无损检测 第10部分：衍射时差法超声检测》NB/T47013.10-2010标准规定TOFD检测技术适用于截面全焊透的对接接头，材质为低碳钢或低合金钢，工件厚度范围为12mm ～400mm。
2.3 检测设备
图5 TOFD检测设备
2.4 TOFD检测技术应用
2001 年，中国第一重型机械集团有限责任公司对14 台压力容器的70 余条焊缝进行了TOFD检测方法替代射线检验的工作。2008 年广西钦州1000 万吨炼油厂23 台球罐焊缝检测项目中超过10000 米总长焊缝采用了TOFD检测技术代替射线检测。TOFD技术被更多的应用到各工业现场检测工程中，如新疆中国石油采油管道对接焊缝检测项目、
鹤壁电厂锅炉主蒸汽
管道对接环焊缝检测项目、中海壳牌LOP罐区南海石化14台球罐及蒸汽管道焊缝检测项目、西气东输天然气管线陕京段焊缝检测项目、内蒙神华煤液化装置加氢反应器、压力管道、压力容器等，大量的现场应用案例积累了宝贵的TOFD 技术使用经验，也为今后进一步发展完善这项技术和扩展国内各领域尤其是焊缝无损检测项目提供了一个平台。
2.5 TOFD 的优缺点
（1）TOFD 的优点
（a） 检测数据可以用数字形式永久保存。取用、再分析、通讯传输方便。
（b） 同射线相比，TOFD 可以检测出与检测表面不相垂直的缺陷和裂纹。
（c） 可以精确的确定缺陷的高度。
（d） 在安全上，不需要一个安全的独立的操作空间，因此可以在不中断工艺生产的情况下进行检测，节约设备制造时间。
（e） 可以在线得到检测结果，并且可以将结果用数字信号形式永久保存在光盘中，以便于以后在役检验进行对比分析；
（f） 可以在线应用相关的工程评定标准对缺陷进行评定，仅将按标准评定的缺陷进行挖补修复，避免了破坏焊缝整体性的修补现象。
（g） 因为检测速度快，对于板厚超过25mm 的材料，成本比RT 少的多。
（h） 可以在200℃以上的表面进行检测（已有在400℃检测的实例）。
（i） TOFD 检测系统易于搬运，可以在方便的任何地方进行检测。
（j） 由于可以在产品制造期间进行检测，由此可以节约大量的时间和修复成本。 （k） 检测率高于常规的超声UT。
（2）TOFD 的缺点
（a） 焊缝的两边必须有能够安放用于TOFD 检测的发射和接收探头的位置。复杂几何形状的工件检测比较困难。
（b） 检测时，存在上下表面检测不到的盲区，此盲区在2～10mm不等。
（c） 点状缺陷的尺寸测量不够准确。对余高未磨平的焊缝横向缺陷检出有一定苦难，对于铸铁、奥氏体焊缝需做附加验证和附加处理。
（d）检测人员必须经过专门的训练，并积累相应的经验。
图6 TOFD管道检测 图7 TOFD容器检测
3 相控阵检测技术
3.1检测原理
超声相控阵探头的设计基于惠更斯原理。探头由多个相互独立的压电晶片组成阵列,每个晶片称为一个单元,按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个单元,使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面。同样,在反射波的接收过程中,按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成,再将合成结果以适当形式显示。
图8 超声波相控阵换能器实现电子聚焦和波束偏转的原理示意图
3.2检测设备及探头
图9 相控阵探伤仪 图10探头
3.3 相控阵检测技术应用
超声相控阵技术初期主要应用于医疗领域，随着电子技术和计算机技术的快速发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测,特别是在核工业及航空工业等领域，也应用道如压力容器、高能管道焊缝和输油管道焊缝的检测。
3.3 超声相控阵检测技术优势：
（1）实时彩色成像，包括A/B/C/D和S-扫描，便于缺陷判读，不会误判或漏判缺陷；
（2）相控阵技术可以实现线性扫查、扇形扫查和动态深度聚焦，从而同时具备宽波束和多焦点的特性，因此检测速度可以更快更准；
（3）相控阵具有更高的检测灵活性，可以实现其它常规检测技术所不能实现的功能，如对复杂工件检测；
（4）容易检测各种走向、不同位置的缺陷，缺陷检出率高，检测范围广，定量、定位精度高；
（5）扫查装置简单，便于操作和维护；使用更便捷，对人体无伤害，对环境无污染；
（6）检测结果受人为因素影响小，数据便于储存、管理和调用，以及连接电脑打印查看。也可以直接连接鼠标在仪器上操作。
（7）对管道环焊缝、球罐、储罐等对接焊缝的检测，效率高、效果好。
4）现场应用超声相控阵还有一定的局限性：
（1）受客观影响大，工件表面光滑度，焊缝工艺完整性，轨道安装精度都会对检测结果产生影响。
（2）检测不同壁厚，不同规格和材料的焊缝，需要不同的试块来做校准。
（3）仪器调节过程复杂，调节准确性对检测结果影响大。
（4）对手工电弧焊的检测效果低于自动焊。
图11 相控阵管道检测 图12 相控阵容器检测
4 总结
M-RT检测解决了多工种同区域同时工作的安全防护难题，做到全时制工作、提高工作效率。根据TOFD的原理和特点，在检测厚壁容器（如球罐）和大管径的管道方面进行了应用。目前，国内超声相控阵检测技术还没有统一的标准，但超声相控阵检测技术对管道环焊缝、球罐、储罐等对接焊缝的检测，效率高、效果好，在国外已被广泛应用。
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