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【摘要】 焊接接头是压力容器的重要连接元件，承受压力、温度、介质的作用，对在用压力容器的安全运行和使用寿命起着决定性的影响。基于在用压力容器焊接接头的损伤机理，综合在用压力容器焊接接头常用无损检测方法的特性，充分考虑在用压力容器焊接接头的材质、焊接方法、运行参数及其运行环境，并结合实际检验检测工作经验，在此基础上，对能够影响在用压力容器焊接接头常用无损检测方法可靠性的因素进行了系统研究，并提出了减少这些影响因素的方法和措施。
【关键词】 压力容器;焊接接头;无损检测;可靠性
【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.04.044
Study on Reliability of Nondestructive Testing for Welded Joint of Pressure Vessel
CAI Zhan-he
（Heze Product Inspection and Testing Institute，Heze 274000，China）
Abstract： Welding joints are important connecting elements of pressure vessels，which bear the effects of pressure，temperature，and media，and have a decisive influence on the safe operation and service life of pressure vessels in use. Based on the damage mechanism of the welded joints of pressure vessels in use，combined with the characteristics of commonly used non-destructive testing methods for welded joints of pressure vessels in use，fully consider the materials，welding methods，operating parameters and operating environment of welded joints of pressure vessels in use，and combine actual inspection. Based on the inspection work experience，the factors that can affect the reliability of the commonly used non-destructive testing methods for the welded joints of pressure vessels in use have been systematically studied，and methods and measures to reduce these influencing factors have been proposed.
Key words： pressure vessel;welding joint;nondestructive testing;reliability
1 引言
压力容器焊接接头由母材、熔合区和热影响区组成，其主要作用之一是承受力的载荷。焊接接头各区在焊接过程中进行了不同的冶金过程，并经受不同的热循环和应变循环作用，造成各区的组织不均匀，进而使整个焊接接头的力学性能不均匀[1]。焊接接头存在几何不连续、焊接变形造成内部应力集中，影响了焊接接头强度。此外，在焊接过程中，焊接接头易产生不同类型的缺陷，进一步降低了其强度。因此，焊接接头是压力容器力学性能薄弱的位置，是在用压力容器安全运行的主要隐患之一。
为尽早发现在用压力容器，尤其是焊接接头，存在什么缺陷，进而及时消除安全隐患，保证生产的长期稳定，我国相关法律和安全技术规范要求在用压力容器应进行定期检验，未经定期检验或者检验不合格的压力容器，不得继续使用[2-4]。金属压力容器定期检验项目，以宏观检验、壁厚测定、表面缺陷检測、安全附件检验为主，必要时增加埋藏缺陷检测[5-6]。
无损检测可靠性可以理解为，在给定的检测条件和工艺下，能够检测出某一尺寸范围的缺陷的可能性[7]。值得注意的是，在用压力容器无损检测的可靠性与在用压力容器的可靠性是两个不同的概念，不可混为一谈。保证无损检测的可靠性，并不是要求通过某种无损检测技术方法检出压力容器焊接接头上存在的所有缺陷，因为绝对无缺陷的设备是不存在的，而且每种无损检测方法都有其自身局限性，有其自身极限检测灵敏度，因此，只能要求通过某种无损检测方法检出一定当量大小的缺陷。在用压力容器安全使用的可靠性不仅与无损检测的可靠性有关，还与设计、制造、安装、使用管理等密切相关。
2 影响在用压力容器焊接接头无损检测可靠性的因素
2.1 无损检测方法优点及其局限性
由于常规四种无损检测方法所依据的物理原理是不相同的，所以这就决定了常规四种无损检测方法各自的特点。射线照相法适用范围广，在大多金属材料上使用均能得到良好的效果，该方法对检测对象的形状、表面粗糙度没有严格要求;但是射线照相法检测成本较高，且对人体有伤害，需要采取防护措施[8]。超声检测方法适用于金属、非金属和复合材料，穿透能力强，可对较大厚度范围内的工件内部缺陷进行检测;缺陷定位较准确，对面积型缺陷的检出率较高;检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便，但是它难于对缺陷的精确定性、精确定量[9]。对于铁磁性材料表面和近表面的缺陷，磁粉检测最是适合，并且磁粉检测检测灵敏度也很高[10]。渗透检测适用范围广，并且不受检测对象化学成分、结构、缺陷形状、尺寸和方向的限制;但是，渗透检测对多孔的材料不适用。射线检测和超声检测对内部缺陷的检测灵敏度较高，磁粉检测对铁磁性材料表面、近表面的缺陷检测有效，而渗透检测只能用于非多孔性材料表面开口缺陷的检测。因此，检验检测人员应熟知常用四种无损检测方法的特点，在进行无损检测时应充分利用某种无损检测方法的优点，尽量避开其局限性。在用压力容器的无损检测以检测表面和近表面缺陷为主，因此对铁磁性材料应优选磁粉检测，若选择渗透检测，由于灵敏度的降低，会造成对表面细小缺陷的漏检，近表面缺陷可能检不出，从而导致无损检测可靠性降低。此外，由于渗透检测的重复性较差，在对缺陷部位进行复检时，若清洗不彻底，缺陷内的渗透检测剂仍残留其中，会造成缺陷显示不明显甚至不显示，无损检测可靠性也会下降。检测在用压力容器焊接接头内部埋藏缺陷时，应根据检验现场情况，灵活使用射线检测和超声检测两种检测方法能够得到比使用其中一种检测方法获得更高的检测可靠性。射线检测对体积型缺陷检测灵敏度较高;但对细小裂纹和层间未熔合可靠性差，并且对缺陷深度位置和自身高度较难确定，射线的穿透厚度也会受到射线能量的限制。超声检测对面状缺陷检出率较高，并且其穿透能力强，能确定缺陷的位置;但对于粗晶材料中的缺陷较难检测。故单独使用一种方法检测均有不足，只有根据检验方案和检验现场要求，针对性地选择检测方法才能获得更高的检测可靠性。 2.2 无损检测人员的人为因素
在用压力容器焊接接头无损检测可靠性的影响因素中，无损检测人员的人为因素起着关键性的作用，对无损检测可靠性具有决定性的影响。无损检测人员的人为因素主要体现在以下三个方面：首先，无损检测人员的资质技术水平和现场检测经验;其次，无损检测人员的责任心和执业道德水准;再者，无损检测人员在检测工作时的身心状态。以上三个方面相互关联，其中，无损检测人员的资质技术水平和现场检测经验是最主要的，从事无损检测的人员，应按照国家相关规定取得相应无损检测人员资格和级别，且只能从事与该方法和该资格级别相应的无损检测工作。未取得相应资格和级别的无损检测人员不允许从事相应工作，也不可能获得高可靠性的检测结果。
2.3 无损检测仪器设备的性能
目前，在用压力容器焊接接头无损检测可靠性在很大程度上依赖于无损检测设备的性能和状况，对无损检测设备性能和状况的掌控也是保障无损检测可靠性的措施。
在检测工作中，使用任何一种无损检测方法，其设备的性能都会不同程度地影响无损检测工作的可靠性。现阶段的超声检测仪，尤其是数字式超声检测仪，无论在功能还是在适用性上均有较大幅度的提升，超声检测的灵敏度和可靠性也远非早期的超声检测仪所比拟。即使是使用同型号的探头，其性能也难免有差异，检测灵敏度和可靠性也会不同。
2.4 无损检测方案的不合理性
在用压力容器的材质、壁厚、制造工艺、运行参数、使用环境千差万别，为提高在用压力容器焊接接头无损检测的灵敏度和可靠性，应综合分析在用压力容器的状况，预测可能产生缺陷的性质、位置、尺寸、延伸方向等，并根据相关规范、标准以及本单位的实际状况制定合理的检测方案。在对铁磁性材料的大径管角接接头进行表面检测时，应优先选择磁粉检测，如果采用交叉磁轭法，会造成磁轭与被检表面接触不良，降低磁粉检测的可靠性;如果选用渗透检测，由于渗透检测仅对开口缺陷有效，会造成近表面缺陷的漏检。
2.5 压力容器结构设计的欠缺性
焊接接头的结构形式直接影响对其无损检测的方便性和可靠性。对于射线检测，应提前根据焊接接头形式来确定透照方向和底片的放置。一般说来，各种焊接接头中，对接接头最适宜底片的放置，对某一固定位置一次照射即可;而对于角接接头，底片不易紧贴被检焊接接头表面，且对某一固定位置需要从多个透照方向进行检测才不至于漏检。对接接头两侧母材厚度不同时，图1所示，两侧母材厚度差较大，且过渡陡峭，易导致底片黑度差过大，影响射线检测灵敏度，其可靠性也得不到保障。图2所示过渡有所平缓，但局部的厚度差仍会影响射线检测的灵敏度和可靠性。图3所示，将焊接接头移到过渡段以外，变为两侧母材等厚焊接，消除了两侧母材因厚度差引起的问题，射线检测的灵敏度和可靠性得到保障。
对于超声检测，为使超声检测覆盖整个检测区、对缺陷进行定量等，往往需要进行双面双侧超声检测，且探头移动区宽度应满足相关标准要求。因此，对于不等厚焊接的焊接接头，应设计有适当的壁厚过渡区，以使超声检测探头移动区宽度满足相关标准要求。图5的结构形式就比图4的结构形式易进行双面双侧检测，前者的超声检测灵敏度和可靠性也较后者高。
3 结语
为提高在用压力容器焊接接头无损检测可靠性，应着重做好以下几点。
一是提高无损检测人员的执业素养和技术水平。首先，要加强无损检测人员的法律意识和安全意识，使其充分认识到无损检测人员对其检测结果直接负责;其次，无损检测人员要严格遵守职业操守，严格根据相关法规标准和规范的要求，排除外界干扰，做好无损检测工作，客观公正地出具检测报告;再者，无损检测人员应不断提高自身业务能力和技术水平，及时掌握相关法规标准的更新情况，关注无损检测技术发展前沿动态，合理选用无损检测方法及其工艺，确保无损检测的可靠性和有效性。
二是提高无损检测自动化程度，减少人为因素对无损检测过程中的影响。
三是在给定条件下，选用最适合的无损检测方法和最优的无损检测工艺。由于每种无损检测方法均具有各自的局限性，不能适用于所有在用压力容器和所有缺陷，为提高无损检测结果的可靠性，应根据被检压力容器的材质、结构、形状、尺寸、运行参数和使用环境，预计可能产生缺陷的性质、部位、尺寸、延伸方向等，选择最适合的无损检测方法和最优的无损检测工艺。
【参考文献】
[1] 刘速志.压力容器焊接接头设计[J].焊接技术，2005（3）：60-61.
[2] 中华人民共和国第十二届全国人民代表大会常务委员会第三次会议.中华人民共和国特种设备安全法[Z].2013-6-29.
[3] 国务院.特种设备安全监察条例[Z].2003-3-11.
[4] 特种设备使用管理规则：TSG 08-2017[S].
[5] 固定式压力容器安全技术监察规程：TSG 21-2016[S].
[6] 移动式压力容器安全技术监察规程：TSG R0005-2011[S].
[7] GEORGE A G. Probability of detection （POD） curves derivation， application and limitations[R].Health and Safety Executive，2016.
[8] 强天鹏.射线检测（第2版）[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2007.
[9] 郑晖，林树青.超声检测（第2版）[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008.
[10] 宋志哲.磁粉檢测（第2版）[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2007.
【个人简介】
蔡占河（1979-），男，高级工程师，学士，研究方向为压力容器、压力管道检验及无损检测和技术管理。
【关键词】 压力容器;焊接接头;无损检测;可靠性
【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.04.044
Study on Reliability of Nondestructive Testing for Welded Joint of Pressure Vessel
CAI Zhan-he
（Heze Product Inspection and Testing Institute，Heze 274000，China）
Abstract： Welding joints are important connecting elements of pressure vessels，which bear the effects of pressure，temperature，and media，and have a decisive influence on the safe operation and service life of pressure vessels in use. Based on the damage mechanism of the welded joints of pressure vessels in use，combined with the characteristics of commonly used non-destructive testing methods for welded joints of pressure vessels in use，fully consider the materials，welding methods，operating parameters and operating environment of welded joints of pressure vessels in use，and combine actual inspection. Based on the inspection work experience，the factors that can affect the reliability of the commonly used non-destructive testing methods for the welded joints of pressure vessels in use have been systematically studied，and methods and measures to reduce these influencing factors have been proposed.
Key words： pressure vessel;welding joint;nondestructive testing;reliability
1 引言
压力容器焊接接头由母材、熔合区和热影响区组成，其主要作用之一是承受力的载荷。焊接接头各区在焊接过程中进行了不同的冶金过程，并经受不同的热循环和应变循环作用，造成各区的组织不均匀，进而使整个焊接接头的力学性能不均匀[1]。焊接接头存在几何不连续、焊接变形造成内部应力集中，影响了焊接接头强度。此外，在焊接过程中，焊接接头易产生不同类型的缺陷，进一步降低了其强度。因此，焊接接头是压力容器力学性能薄弱的位置，是在用压力容器安全运行的主要隐患之一。
为尽早发现在用压力容器，尤其是焊接接头，存在什么缺陷，进而及时消除安全隐患，保证生产的长期稳定，我国相关法律和安全技术规范要求在用压力容器应进行定期检验，未经定期检验或者检验不合格的压力容器，不得继续使用[2-4]。金属压力容器定期检验项目，以宏观检验、壁厚测定、表面缺陷检測、安全附件检验为主，必要时增加埋藏缺陷检测[5-6]。
无损检测可靠性可以理解为，在给定的检测条件和工艺下，能够检测出某一尺寸范围的缺陷的可能性[7]。值得注意的是，在用压力容器无损检测的可靠性与在用压力容器的可靠性是两个不同的概念，不可混为一谈。保证无损检测的可靠性，并不是要求通过某种无损检测技术方法检出压力容器焊接接头上存在的所有缺陷，因为绝对无缺陷的设备是不存在的，而且每种无损检测方法都有其自身局限性，有其自身极限检测灵敏度，因此，只能要求通过某种无损检测方法检出一定当量大小的缺陷。在用压力容器安全使用的可靠性不仅与无损检测的可靠性有关，还与设计、制造、安装、使用管理等密切相关。
2 影响在用压力容器焊接接头无损检测可靠性的因素
2.1 无损检测方法优点及其局限性
由于常规四种无损检测方法所依据的物理原理是不相同的，所以这就决定了常规四种无损检测方法各自的特点。射线照相法适用范围广，在大多金属材料上使用均能得到良好的效果，该方法对检测对象的形状、表面粗糙度没有严格要求;但是射线照相法检测成本较高，且对人体有伤害，需要采取防护措施[8]。超声检测方法适用于金属、非金属和复合材料，穿透能力强，可对较大厚度范围内的工件内部缺陷进行检测;缺陷定位较准确，对面积型缺陷的检出率较高;检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用较方便，但是它难于对缺陷的精确定性、精确定量[9]。对于铁磁性材料表面和近表面的缺陷，磁粉检测最是适合，并且磁粉检测检测灵敏度也很高[10]。渗透检测适用范围广，并且不受检测对象化学成分、结构、缺陷形状、尺寸和方向的限制;但是，渗透检测对多孔的材料不适用。射线检测和超声检测对内部缺陷的检测灵敏度较高，磁粉检测对铁磁性材料表面、近表面的缺陷检测有效，而渗透检测只能用于非多孔性材料表面开口缺陷的检测。因此，检验检测人员应熟知常用四种无损检测方法的特点，在进行无损检测时应充分利用某种无损检测方法的优点，尽量避开其局限性。在用压力容器的无损检测以检测表面和近表面缺陷为主，因此对铁磁性材料应优选磁粉检测，若选择渗透检测，由于灵敏度的降低，会造成对表面细小缺陷的漏检，近表面缺陷可能检不出，从而导致无损检测可靠性降低。此外，由于渗透检测的重复性较差，在对缺陷部位进行复检时，若清洗不彻底，缺陷内的渗透检测剂仍残留其中，会造成缺陷显示不明显甚至不显示，无损检测可靠性也会下降。检测在用压力容器焊接接头内部埋藏缺陷时，应根据检验现场情况，灵活使用射线检测和超声检测两种检测方法能够得到比使用其中一种检测方法获得更高的检测可靠性。射线检测对体积型缺陷检测灵敏度较高;但对细小裂纹和层间未熔合可靠性差，并且对缺陷深度位置和自身高度较难确定，射线的穿透厚度也会受到射线能量的限制。超声检测对面状缺陷检出率较高，并且其穿透能力强，能确定缺陷的位置;但对于粗晶材料中的缺陷较难检测。故单独使用一种方法检测均有不足，只有根据检验方案和检验现场要求，针对性地选择检测方法才能获得更高的检测可靠性。 2.2 无损检测人员的人为因素
在用压力容器焊接接头无损检测可靠性的影响因素中，无损检测人员的人为因素起着关键性的作用，对无损检测可靠性具有决定性的影响。无损检测人员的人为因素主要体现在以下三个方面：首先，无损检测人员的资质技术水平和现场检测经验;其次，无损检测人员的责任心和执业道德水准;再者，无损检测人员在检测工作时的身心状态。以上三个方面相互关联，其中，无损检测人员的资质技术水平和现场检测经验是最主要的，从事无损检测的人员，应按照国家相关规定取得相应无损检测人员资格和级别，且只能从事与该方法和该资格级别相应的无损检测工作。未取得相应资格和级别的无损检测人员不允许从事相应工作，也不可能获得高可靠性的检测结果。
2.3 无损检测仪器设备的性能
目前，在用压力容器焊接接头无损检测可靠性在很大程度上依赖于无损检测设备的性能和状况，对无损检测设备性能和状况的掌控也是保障无损检测可靠性的措施。
在检测工作中，使用任何一种无损检测方法，其设备的性能都会不同程度地影响无损检测工作的可靠性。现阶段的超声检测仪，尤其是数字式超声检测仪，无论在功能还是在适用性上均有较大幅度的提升，超声检测的灵敏度和可靠性也远非早期的超声检测仪所比拟。即使是使用同型号的探头，其性能也难免有差异，检测灵敏度和可靠性也会不同。
2.4 无损检测方案的不合理性
在用压力容器的材质、壁厚、制造工艺、运行参数、使用环境千差万别，为提高在用压力容器焊接接头无损检测的灵敏度和可靠性，应综合分析在用压力容器的状况，预测可能产生缺陷的性质、位置、尺寸、延伸方向等，并根据相关规范、标准以及本单位的实际状况制定合理的检测方案。在对铁磁性材料的大径管角接接头进行表面检测时，应优先选择磁粉检测，如果采用交叉磁轭法，会造成磁轭与被检表面接触不良，降低磁粉检测的可靠性;如果选用渗透检测，由于渗透检测仅对开口缺陷有效，会造成近表面缺陷的漏检。
2.5 压力容器结构设计的欠缺性
焊接接头的结构形式直接影响对其无损检测的方便性和可靠性。对于射线检测，应提前根据焊接接头形式来确定透照方向和底片的放置。一般说来，各种焊接接头中，对接接头最适宜底片的放置，对某一固定位置一次照射即可;而对于角接接头，底片不易紧贴被检焊接接头表面，且对某一固定位置需要从多个透照方向进行检测才不至于漏检。对接接头两侧母材厚度不同时，图1所示，两侧母材厚度差较大，且过渡陡峭，易导致底片黑度差过大，影响射线检测灵敏度，其可靠性也得不到保障。图2所示过渡有所平缓，但局部的厚度差仍会影响射线检测的灵敏度和可靠性。图3所示，将焊接接头移到过渡段以外，变为两侧母材等厚焊接，消除了两侧母材因厚度差引起的问题，射线检测的灵敏度和可靠性得到保障。
对于超声检测，为使超声检测覆盖整个检测区、对缺陷进行定量等，往往需要进行双面双侧超声检测，且探头移动区宽度应满足相关标准要求。因此，对于不等厚焊接的焊接接头，应设计有适当的壁厚过渡区，以使超声检测探头移动区宽度满足相关标准要求。图5的结构形式就比图4的结构形式易进行双面双侧检测，前者的超声检测灵敏度和可靠性也较后者高。
3 结语
为提高在用压力容器焊接接头无损检测可靠性，应着重做好以下几点。
一是提高无损检测人员的执业素养和技术水平。首先，要加强无损检测人员的法律意识和安全意识，使其充分认识到无损检测人员对其检测结果直接负责;其次，无损检测人员要严格遵守职业操守，严格根据相关法规标准和规范的要求，排除外界干扰，做好无损检测工作，客观公正地出具检测报告;再者，无损检测人员应不断提高自身业务能力和技术水平，及时掌握相关法规标准的更新情况，关注无损检测技术发展前沿动态，合理选用无损检测方法及其工艺，确保无损检测的可靠性和有效性。
二是提高无损检测自动化程度，减少人为因素对无损检测过程中的影响。
三是在给定条件下，选用最适合的无损检测方法和最优的无损检测工艺。由于每种无损检测方法均具有各自的局限性，不能适用于所有在用压力容器和所有缺陷，为提高无损检测结果的可靠性，应根据被检压力容器的材质、结构、形状、尺寸、运行参数和使用环境，预计可能产生缺陷的性质、部位、尺寸、延伸方向等，选择最适合的无损检测方法和最优的无损检测工艺。
【参考文献】
[1] 刘速志.压力容器焊接接头设计[J].焊接技术，2005（3）：60-61.
[2] 中华人民共和国第十二届全国人民代表大会常务委员会第三次会议.中华人民共和国特种设备安全法[Z].2013-6-29.
[3] 国务院.特种设备安全监察条例[Z].2003-3-11.
[4] 特种设备使用管理规则：TSG 08-2017[S].
[5] 固定式压力容器安全技术监察规程：TSG 21-2016[S].
[6] 移动式压力容器安全技术监察规程：TSG R0005-2011[S].
[7] GEORGE A G. Probability of detection （POD） curves derivation， application and limitations[R].Health and Safety Executive，2016.
[8] 强天鹏.射线检测（第2版）[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2007.
[9] 郑晖，林树青.超声检测（第2版）[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008.
[10] 宋志哲.磁粉檢测（第2版）[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2007.
【个人简介】
蔡占河（1979-），男，高级工程师，学士，研究方向为压力容器、压力管道检验及无损检测和技术管理。