无损检测方法及标准在压力容器制造中的应用

无损检测是物理检验方法的一种，它是利用一些物理现象进行测定或检验的方法。材料或工件内部缺陷情况的检查，一般都是采用无损检测的方法。目前的无损检测有射线检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测和涡流检测等。在压力容器制造中所遵循的检测标准为JB/T4730.1～6—2005《承压设备无损检测》。

1.压力容器焊接接头无损检测的范围

按照GB150.1～150.4—2011的有关条款，各类压力容器的焊接接头应按以下规定作相应的无损检测。

1）凡符合下列条件之一的容器及受压元件，需采用设计图样规定的方法，对其A类和B类焊接接头，进行全部（100%）射线或超声检测。

①设计压力大于或等于1.6MPa的第Ⅲ类容器。

②采用气压或气液组合耐压试验的容器。

③焊接接头系数取1.0的容器及使用后无法进行内、外部检验或者耐压试验的容器。

④图样注明盛装毒性为极度或高度危害介质的容器。

⑤图样规定需100%检测的容器。

⑥设计温度低于-40℃的低温容器。

⑦设计温度虽高于或等于-40℃，但焊接接头厚度大于25mm的16MnDR、15MnNiDR、15MnNiNbDR、09MnNiDR制低温容器。

⑧奥氏体型不锈钢、碳素钢、Q345R、Q370R及其配套锻件的焊接接头厚度大于32mm者。

⑨18MnMoNbR、13MnNiMoR、12MnNiVR及其配套锻件的焊接接头厚度大于20mm者。

⑩15CrMoR、14Cr1MoR、08Ni3DR、奥氏体-铁素体型不锈钢及其配套锻件的焊接接头厚度大于16mm者。

⑪铁素体型不锈钢、其他Cr-Mo低合金钢制容器。

⑫标准抗拉强度下限值R_m≥540MPa的低合金钢制容器。

⑬图样规定须100%检测的容器。

要注意的是，公称直径不小于250mm的上述容器接管与接管对接接头、接管与高颈法兰对接接头的检测要求与A类和B类焊接接头相同。

2）除上述规定以外的容器，应对其A类及B类焊接接头进行局部射线或超声检测。检测方法按设计图样规定，其中，对低温容器检测长度不得少于各条焊接接头长度的50%，对非低温容器检测长度不得少于各条焊接接头长度的20%，且均不得小于250mm。焊缝交叉部位及以下部位应100%检测，其中①、②、③部位及焊缝交叉部位的检测长度可计入局部检测长度之内。

①先拼板后成形凸形封头上的所有拼接接头。

②凡被补强圈、支座、垫板、内件等所覆盖的焊接接头。

③对于满足GB150、不另行补强的接管，自开孔中心、沿容器表面的最短长度等于开孔直径的范围内的焊接接头。

④嵌入式接管与圆筒或封头对接连接的焊接接头。

⑤承受外载荷的公称直径不小于250mm的接管与接管对接接头和接管与高颈法兰的对接接头。

这里要注意两点：

第一，按本条规定检测后，制造部门对未检查部位的质量仍需负责。但是，若作进一步检测可能会发现气孔等不危及容器安全的超标缺陷，如果这也不允许时，就应选择百分之百射线或超声检测。

第二，上述容器上公称直径小于250mm的容器接管与接管对接接头、接管与高颈法兰对接接头的检测要求按设计图样规定。

3）凡符合下列条件之一的焊接接头，需按图样规定的方法，对其表面进行磁粉或渗透检测。

①1）条中低温容器上的A、B、C、D、E类焊接接头，缺陷修磨或补焊处的表面，卡具和拉筋等拆除处的割痕表面。

②凡属1）条中⑩、⑪、⑫容器上的C、D、E类焊接接头。

③异种钢焊接接头、具有再热裂纹倾向或者延迟裂纹倾向的焊接接头。

④钢材厚度大于20mm的奥氏体型不锈钢、奥氏体-铁素体型不锈钢容器的对接和角接接头。

⑤堆焊表面。

⑥复合钢板的覆层焊接接头。

⑦标准抗拉强度下限值R_m≥540MPa的低合金钢及Cr-Mo低合金钢容器的缺陷修磨或补焊处的表面，卡具和拉筋等拆除处的割痕表面。

⑧要求全部射线或超声波检测的容器上公称直径小于250mm的接管与长颈法兰、接管与接管对接连接的焊接接头。

⑨要求局部射线或超声波检测的容器中先拼板后成形凸形封头上的所有拼接接头。

⑩设计文件要求进行检测的接管角焊缝。

2.射线检测

射线检测是利用射线可穿透物质和在物质中有衰减的特性来发现缺陷的一种检测方法。按检测所使用的射线不同，可分为X射线检测、γ射线检测、高能射线检测三种。由于其显示缺陷的方法不同，每种射线检测都又分电离法、荧光屏观察法、照相法和工业电视法。射线检测主要用于检验焊缝内部的裂纹、未焊透、气孔、夹渣等缺陷。

（1）射线的产生和性质

1）X射线的产生。X射线主要是由X射线管产生，在真空玻璃外壳内的阴极（灯丝）和阳极（靶面）之间加上几十到几百千伏高电压，被加热的灯丝放出电子，在高电压电场作用下，以极高的速度撞击到靶面，产生大量的热能和少量的X射线能量，如图8-38所示。

2）γ射线的产生。γ射线是由放射性同位素的核反应、核衰变或核裂变放射出的。γ射线检测常用的放射性同位素有钴（Co60）、铱（Ir192）和铯（Cs137）等。同位素大多是将稳定元素放入原子反应堆中以热中子轰击而成。在轰击过程中，一个中子被原子核俘获，使原子的质量数增加一。在这种情况下，原子核被激励而具有较高的能量，放射出一个或多个γ量子，即γ射线。

图8-38 X射线管的结构

1—阴极 2—阳极 3—电子 4—灯丝变压器 5—高压变压器 6—X射线

γ射线与X射线相同，具有穿透金属材料的能力。各种放射性同位素的γ射线能量是不同的，其穿透能力也不同。几种常见的放射性同位素的γ射线可穿透钢件厚度的范围见表8-12。

表8-12 常见的放射性同位素的γ射线可穿透钢件厚度的范围（单位：mm）

3）射线的性质：

①不可见，直线传播，在真空中以光速传播。

②不带电，不受电场和磁场的影响。

③具有某些光学特性：反射、折射（折射系数近似1）、干涉和衍射等。

④具有极大的能量，能穿透可见光不能穿过的物质。

⑤能使物质电离，能产生热效应和光化作用。

⑥能使照相胶片感光，使某些物质产生荧光作用。

⑦能杀伤生物细胞，破坏生物组织，具有辐射生物效应。

（2）射线照相法原理和设备

X射线、γ射线、可见光、无线电波、红外线都是电磁波，因此X射线和γ射线在本质上都属于电磁波，只是X射线和γ射线是波长较短的电磁波。

射线照相检测法是利用射线透过物体时会发生吸收和散射这一特性，通过测量材料中因缺陷存在影响射线的吸收来探测缺陷的。若被检工件存在缺陷，由于缺陷和工件或焊接接头材料不同，其对射线的衰减程度不同，且透过厚度不同，透过后的射线强度则不同。

射线还有一个重要性质，就是能使胶片感光。当X射线或γ射线照射胶片时，与普通光线一样，能使胶片乳剂层中的卤化银产生潜像中心，经过显影和定影后就黑化，接收射线越多的部位黑化程度越高，这个作用叫做射线的照相作用。因为X射线或γ射线使卤化银感光作用比普通光线小得多，所以必须使用特殊的X射线胶片，这种胶片的两面都涂敷了较厚的乳胶。此外，还使用一种能加强感光作用的增感屏，增感屏通常用铅箔做成。若焊接接头中存在缺陷，则会由于截面的减少或组织结构的不连续性而使底片上显现黑度深浅不同的影像，从中可辨认出焊缝的轮廓及缺陷的形状和大小。

X射线照相原理如图8-39所示。

射线照相设备可分为：X射线检测机、高能射线检测设备（包括高能直线加速器、电子回旋加速器）、γ射线检测机三大类。

X射线检测机分为便携式（移动式）和固定式两大类。其主要由X射线管、操作架、高压电源和控制系统等组成。便携式X射线检测机主要用于施工现场，而固定式检测机多半安装在专用的探伤室内，可用于检查大型容器。

X射线检测机主要按受检焊件的最大厚度来选择。受检件厚度越大，要求选用级别越高的X射线检测机。

图8-39 X射线照相原理

1—胶片 2、3—焊缝缺陷 4—焊件 5—X射线 6—X射线管

γ射线检测机主要由γ射线源、储存容器、照射器、机械支架、操纵杆或遥控系统组成。工业γ射线探伤仪最常用的射线源有钻60、铯137、铀152+154。

3.超声波检测

超声波主要用于检测试件内部缺陷，它是一种频率超过20000Hz的机械振荡。这种声波能在固体、液体和空气中传播，并在经过不同介质的界面时会发生反射，因此利用这一特点可以检验金属材料中，包括焊接接头中的缺陷位置。但它对缺陷的性质、形状和大小较难确定，所以超声波检测常与射线检测配合使用。

（1）超声波的特性

在工业生产中，用于检测的超声波频率为0.4～25MHz，其中用得最多的是1～5MHz。这种高频率的超声波有以下特性：

1）具有良好的方向性，能形成窄的波束。

2）具有相当高的强度。超声波的强度与其频率的平方成正比。

3）在两种传播介质的界面上能产生反射、折射和波形转换。目前用得最多的脉冲反射法就是利用的这一特点。

4）具有很强的穿透能力。超声波能在许多金属和非金属中传播，且传播距离远、传输能量损失少、穿透力强，它是目前无损检测中穿透力最强的检测方法。

5）对人体没有伤害。

（2）超声波的发生

超声波可借助磁致伸缩法或电致伸缩法产生。在工业探伤设备中都采用电致伸缩法。某些固体物质在电场的作用下，其某一方向的长度会因电场强度的变化而产生相应的伸缩。这种固体物质称为压电体。如果在压电体上施加交变电压，则压电体的伸缩变形也是交变的，其振荡频率取决于外加电压的交变频率。当外加电压的交变频率处于超声波范围时，压电体就会产生超声波机械振荡。压电体还具有另一个重要特性，即可将作用在压电体上的机械振荡转变为交变电压，换句话说，压电体能将电能转变为机械能，也可将机械能转变为电能。这样，可以利用压电体作为超声波换能器。在超声波探伤仪中，常用的压电体有石英、钛酸钡、锆钛酸铅和硫酸锂，超声波探伤仪的探头就是采用这些材料制成的。

超声波探伤法可分为图像法和信号法两种。在工业生产的检验中，信号法应用最普遍。讯号探伤法包括脉冲反射法、穿透法和共振法。在焊接接头的探伤中，大都采用脉冲反射法。

（3）超声波的种类

超声波在介质中传播有不同的方式，波形不同，其振动方式不同，传播速度也不同。空气中传播的声波只有疏密波，声波的介质质点振动方向与传播方向一致，叫做纵波。在水下也只能传播纵波。可是在固体介质中除了纵波外还有剪切波，又叫横波。因固体介质能承受剪切应力，所以可在其中传播介质质点振动方向与波传播的方向垂直的波。

此外，还有在固体介质的表面传播的表面波和在薄板中的传播板波，它们都可用来检测。

在超声检测中，通常用直探头来产生纵波，纵波是向与探头接触面相垂直的方向传播的，如图8-40所示。横波通常是用斜探头来发生的，如图8-41所示。斜探头是将晶片贴在有机玻璃制的斜楔上，晶片振动发生的纵波在斜楔中前进，在检测面上发生折射，声波斜射传入被检物中。通常使用的斜探头使斜射到被检物中的折射纵波反射不进入被检物，只有折射横波传入被检物中，这就是斜探头的横波检测。

图8-40 直探头图

图8-41 斜探头

（4）超声波探伤仪、探头、耦合剂、试块

1）超声波探伤仪。超声波探伤仪主要由以下四部分组成：

①高频发生器——产生高频脉冲电压。

②换能器，即探头——收发超声波。

③放大器——放大接收的电信号。

④显示器，即示波管——显示放大后的电信号。

超声波探伤仪的工作原理如图8-42所示。当开始扫描时，高频发生器向探头发出短时（0.5～5.0μs）的高频电压，探头中的压电晶片就按高频电压的频率产生脉冲式超声波，送入受检部位，此脉冲超声波在传播过程中遇到缺陷和工件底面就会产生反射波，其高度表示反射的强弱。如果受检部位存在缺陷，则在示波管的荧光屏上会出现三个稳定的波形，即发射波、缺陷波、底面反射波。

2）探头。探头是超声波探伤仪中最重要的部件，它是一种声电换能器，由压电晶片、透声楔块和背衬等组成，如图8-43所示。常用压电晶片材料有石英、硫酸锂和钛酸铝等，其功能是将电信号转换成声信号，以及将声信号转换成电信号，即具有可逆的压电效应。楔块的材料为有机玻璃，它的作用是将声波按一定的方向传送到受检工件中，并可作反向的传递。背衬亦称阻尼块，其作用是吸收杂波以减小脉冲宽度。根据工件的形状、接头形式及其他探伤要求，也可选择各种角度的专用探头，如聚焦探头、双晶片探头、窄脉冲探头、爬行波探头和电磁声探头等。

图8-42 超声波探伤仪的工作原理图

图8-43 超声波探头的组成

1—吸收块 2—楔块 3—探头引线 4—阻尼块 5—压电晶片 6—声波入射点

3）耦合剂。当探头与被检工件表面直接接触时，必须选用合适的耦合剂以减少声能的损失，同时也能提高探头的使用寿命。在选择耦合剂时要注意不要对工件、探头及操作者构成损伤与腐蚀。

耦合剂常用透声性好的材料，如机油、浆糊、甘油和水等。

4）试块。在超声波检测技术中，为校验超声波探伤仪、探头等设备的综合系统性能，统一检验操作的灵敏度，使评价缺陷的位置、大小、性质等尽量达到一致要求，使最后对被检测工件的评级、判废等工作有共同的衡量标准，在进行超声波检测之前按不同用途设计并制造出各种形状简单的人工反射体，通称为试块。试块上有各种已知的特征，例如特定的尺寸，规定的人工缺陷某一尺寸的平底孔、横通孔、凹槽等。用试块作为调节仪器、定量缺陷的参考依据，是超声检测的一个特点。

总之，试块在超声检测中的用途主要有以下三方面：

①确定合适的检测方法。在超声检测中，可以应用在某个部位有某种人工缺陷（平底孔、槽等）的试块来摸索检测方法。在这种试块上摸索到的检测规律和方法，可应用到与试块同材质、同形式、同尺寸的工件检测中去。

②确定检测灵敏度和评价缺陷大小。不同种类、不同厚度、不同要求的工件，需要不同的检测灵敏度。为了确定检测时的灵敏度，就需要将带有各种人工缺陷的试块，用人工缺陷的波高来表示检测灵敏度，这是试块常用的一种方法。为了评价工件中某一深度处缺陷的大小，使用试块中同一深度各种尺寸的人工缺陷与之相比较，这就是检测中应用的缺陷当量法。

③校验仪器和测试探头性能。通过试块可以测试仪器或探头的性能，以及仪器和探头连接在一起的系统综合性能。

随着超声波检测工作的不断发展，国际焊接协会对试块的材质、形状、尺寸及表面形状等都做了具体统一的规定，并成为国际范围内的标准，这一类试块称为标准试块。标准试块可分为校验标准试块和对比标准试块。另外，根据试块的用途，又可将试块分为以下三大类：

①调节仪器及测试探头的试块。如我国JB/T4730.3—2005标准中推荐用于压力容器焊接接头中的超声波标准试块CSK—ⅠA，其主要以校验为主，结构及尺寸如图8-44所示。

图8-44 CSK—ⅠA试块

②纵波检测用试块，人工缺陷为平底孔。

③横波检测用试块，人工缺陷为横孔。如我国JB/T4730.3—2005标准中推荐用于压力容器焊接接头中的横波探伤试块CSK—ⅡA和ⅢA，其主要以对比为主，结构及尺寸如图8-45和图8-46所示。

图8-45 CSK—ⅡA试块

L—试块长度，由使用的声程确定

T—试块厚度，由被检材料厚度确定

4.磁粉检测

磁力检测是利用磁场磁化铁磁性金属零件所产生的漏磁来发现缺陷的。按测量漏磁方法的不同，可分为磁粉法、磁感应法和磁性记录法，其中以磁粉法应用最广。磁力检测只能发现磁性金属表面和近表面的缺陷，而且对缺陷仅能做定量分析，对于缺陷的性质和深度也只能根据经验来估计。

（1）磁粉检测原理

图8-46 CSK—ⅢA试块

铁磁性材料被磁化后，其内部产生很强的磁感应强度，磁力线密度增大几百倍到几千倍。当一被磁化的工件表面或内部存在不连续性缺陷，即包括缺陷造成的不连续性和结构、形状、材质等原因造成的不连续性时，由于缺陷的磁导率远小于工件材料，磁阻大，阻碍磁力线顺利通过，造成磁力线发生畸变、弯曲，部分磁力线有可能溢出材料表面，从空间穿过，形成漏磁场，漏磁场的局部磁极能够吸引铁磁性物质，如图8-47所示。此时若在工件表面撒上磁导率很高的磁性铁粉，漏磁场就会吸附磁粉，形成与缺陷形状相近的磁粉堆积，称为磁痕，通过对磁痕的分析即可评价缺陷。当裂纹方向平行于磁力线的传播方向时，磁力线的传播不会受到影响，此时缺陷也不可能被检出。

图8-47 缺陷漏磁场

a）表面缺陷 b）近表面缺陷

（2）影响漏磁场强度的主要因素

磁粉检验灵敏度的高低主要取决于形成漏磁场强度的强弱。影响漏磁场强度的主要因素有以下几点：

1）外加磁场强度。外加磁场强度越大，形成的漏磁场强度也越大。

2）缺陷的形状和位置。当缺陷的延伸方向与磁力线的方向成90°时，由于缺陷阻挡磁力线穿过的面积最大，形成的漏磁场强度也最大。随着缺陷的方向与磁力线的方向从90°逐渐减小（或增大），漏磁场强度明显下降。检测时，一般很难发现与被检表面所夹角度小于20°的夹层，因此磁粉检测时，通常需要在两个（两次磁力线的方向互相垂直）或多个方向上进行磁化。

随着缺陷的埋藏深度增加，溢出工件表面的磁力线迅速减少，且缺陷的埋藏深度越大，漏磁场强度就越小。因此，磁粉检测只能检测出铁磁材料制成的工件表面或近表面的裂纹及其他缺陷。

3）被检材料的性质。在一定外加磁场强度下，材料的磁导率越高，工件越易被磁化，材料的磁感应强度越大，漏磁场强度也越大。

（3）磁粉检测设备

磁力检测设备按其体积和重量可分为固定式、移动式和便携式三类。最常见的固定式检测机为卧式湿法检测机，主要用于中小型工件的检测；移动式检测机主要用于不易搬动的大型设备的检测；便携式检测机适合野外和高空作业，对于压力容器的焊接接头的局部检测多用电磁轭检测机。

1）标准试片。标准试片亦称灵敏度试片，主要用于检查磁粉检测设备、磁粉和磁悬液的综合性能，了解被检工件表面有效磁场强度与方向、有效检测区及磁化方法是否正确。标准试片有A₁型、C型、D型和M₁型四种，一般情况下应选用A₁型标准试片。如由于尺寸关系，A₁型标准试片使用不便时，可选用C型标准试片。为了更准确的推断出被检工件表面的磁化状态，根据用户或文件规定，可选用D型或M₁型标准试片。标准试片的规格、尺寸如图8-48所示。

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图8-48标准试片

a）A₁型b）C型c）D型d）M₁型

标准试片通常是由一侧刻有一定深度的直线和圆形细槽的薄铁片制成，槽深度越浅，显示的灵敏度越高。使用时，将试片刻有人工槽的一侧与被检工件表面贴紧，然后对工件进行磁化并施加磁粉，如果磁化方法、规范选择得当，在试片表面上应能看到与人工刻槽相对应的清晰显示。

2）磁粉。磁粉是在缺陷处形成缺陷磁痕的重要材料，正确选用磁粉可使检测灵敏度提高。

磁粉大致可分为荧光磁粉和非荧光磁粉两大类。磁粉是由具有高磁导率和低剩磁的磁性氧化铁粉（Fe₃O₄或Fe₂O₃粉末）或工业纯铁粉为原料制成。荧光磁粉是在上述铁粉的表面涂覆一层荧光染料制成，荧光在紫外光的激发下会发出人眼敏感的黄绿色荧光，在黑光灯下，色泽鲜明。一般情况下，荧光磁粉只在湿法检测中使用。非荧光磁粉既可用于湿法，又可用于干法检测。专用于干法检测的非荧光磁粉的表面上常涂有一层旨在增加对比度的染料，常见的有黑、红、浅灰和黄几种不同颜色。湿法磁粉平均粒度为2～10μm，干法磁粉平均粒度不大于90μm。由于荧光磁粉的显示对比度比非荧光磁粉高得多，所以采用荧光磁粉进行检测具有磁痕观察容易、检测速度快、灵敏度高的优点，但荧光磁粉检测必须在暗环境和黑光灯下进行。

3）磁悬液。湿粉检测时，将磁粉与煤油或水按一定比例混合而成的悬浮液体称为磁悬液。磁悬液的浓度，即每升液体中所含的磁粉克数，对检测的灵敏度有很大影响。小缺陷会因磁粉的浓度太低而被漏检，而磁粉浓度太高，又会使衬度变差，干扰缺陷的显示。磁悬液的配制浓度一般为：非荧光磁粉10～25g/L，荧光磁粉0.5～3g/L。

（4）磁化方法及特点

常用的磁化方法有：线圈法、磁轭法、轴向通电法、触头法、中心导体法和交叉磁轭法等，如图8-49所示。若按磁力线的方向分类，线圈法和磁轭法称为纵向磁化；而轴向通电法、触头法和中心导体法属于周向磁化；交叉磁轭法属于复合磁化。选择怎样的磁化方法，应根据工件的结构、尺寸和缺陷的概况确定。

图8-49 常用的磁化方法

a）线圈法 b）磁轭法 c）轴向通电法 d）中心导体法 e）触头法（固定触头间距） f）触头法（非固定触头间距） g）交叉磁轭法

在检测与工件轴线方向垂直或夹角大于等于45°的缺陷时，应采用纵向磁化方法；在检测与工件轴线方向平行或夹角小于45°的缺陷时，应采用周向磁化方法。交叉磁轭法同时对工件进行纵向、周向磁化，适合任意方向的缺陷检测。

（5）磁粉检测方法分类

磁粉检测方法有多种分类方式：

1）按检验时机分类，分为连续法和剩磁法。磁化、施加磁粉和观察同时进行的方法称为连续法；先磁化，后施加磁粉和检验的方法称为剩磁法，此法只适用于剩磁很大的硬磁材料。

2）按使用的电流种类分类，分为交流法、直流法两大类。交流电因有集肤效应，对表面缺陷检测灵敏度较高。

3）按施加磁粉的方法分类，分为湿法和干法。其中湿法采用磁悬液，干法则直接喷洒干粉。湿法适宜检测表面光滑的工件上的细小缺陷，干法则多用于粗糙表面的检测。

（6）磁粉检测的一般步骤

磁粉检测的步骤主要包括以下几个方面：

1）预处理。去除工件表面的油脂、涂料和铁锈等，以免妨碍磁粉附着在缺陷上。用干磁粉时还应使工件表面干燥。

2）磁化。选定适当的磁化方法和磁化电流值，对工件进行磁化操作。

3）施加磁粉。干法施加干粉，湿法施加磁悬液。磁粉的施加时间，若为连续法则在磁化工件的同时喷洒磁粉，磁化一直延续到磁粉施加完成为止；若为剩磁法则是在磁化工件之后才喷洒磁粉。

4）磁痕的观察与判断。如果是采用非荧光磁粉检测时，则在光线明亮的地方，用自然的日光和灯光观察被检表面；如果是采用荧光磁粉检测时，则在暗室或暗处用紫外线灯观察被检表面。在磁粉检测中，肉眼看到的磁痕不全都是缺陷，因为形成磁痕的原因很多，所以对磁痕必须进行分析判断，把假磁痕排除掉。

为了记录磁粉痕迹，可采用照相或用透明胶带把磁痕粘下备查，这样的记录具有简便、直观的优点。

5）后处理。检测完毕后，根据工件的使用需要，应进行退磁、除去磁粉和防锈处理。进行退磁处理的原因是因为剩磁可能造成工件运行受阻和加大零件的磨损，尤其是对转动部件经磁粉检测后，更应进行退磁处理。退磁处理的方法有两种，即交流退磁和直流退磁。

5.渗透检测

渗透检测是利用某些液体的渗透性等物理特性来发现和显示缺陷的，包括着色检测和荧光检测两种，可用来检查铁磁性和非铁磁性材料表面的缺陷。

（1）渗透检测的原理

若被检工件表面存在有细微的肉眼难以看到的裸露开口缺陷时，将工件表面施以含有荧光染料或着色染料的渗透剂后，在毛细管作用下，经过一定时间后，渗透剂可以渗进工件表面开口缺陷的内部，然后用清洗剂除去工件表面多余的渗透剂，再在工件表面涂覆薄薄一层显像剂，同样在毛细管作用下，经过一定时间后，显像剂又将缺陷中保留的渗透液吸附到工件表面上来，即渗透液回渗到显像剂中。在一定的光源（紫外线光或白光）下，缺陷处的渗透剂痕迹被显示（黄绿色荧光或鲜红色），从而检测出缺陷的形状及分布状态。

（2）渗透检测剂的组成

渗透检测剂包括渗透剂、乳化剂、清洗剂和显像剂。

1）渗透剂。渗透剂为液态，通常由颜料、溶剂、乳化剂和多种增强渗透性能的添加剂组成。

2）清洗剂。清洗剂分水洗型、后乳化型和溶剂型三种。

水洗型清洗剂的主要组分是工业用水，后乳化型清洗剂由乳化剂和水组成。

3）乳化剂。乳化剂以表面活性剂为主，并附加调整粘度的溶剂。

4）显像剂。显像剂分干式显像剂、湿式显像剂和快干式显像剂。

干式显像剂的组分是白色无机粉末，如氧化镁和氧化钛粉末。

湿式显像剂是显像粉末的水溶液，且溶液中的显像粉末呈悬浮状态，同时附加润湿剂、分散剂及防腐剂。

快干式显像剂是显像粉末溶解于挥发性有机溶液中，并加适量限制剂和稀释剂等。

（3）渗透检测的分类

根据渗透剂及显像剂种类不同，渗透检测方法可按表8-13进行分类。

表8-13 渗透检测方法分类

注：渗透检测方法代号示例，如ⅡC-d表示为溶剂去除型着色渗透检测（溶剂悬浮显像剂）

荧光法比着色法有较高的检测灵敏度。

1）按渗透液所含染料成分分类：

根据渗透液所含染料成分，可分为荧光法、着色法和荧光着色法三种。

荧光法是在渗透液中添加了荧光物质，缺陷图像在紫外线下能激发荧光。

着色法是在渗透液中添加了有色染料，缺陷图像在日光下显色。

荧光着色法是在渗透液中既添加了荧光物质，又添加了有色染料，缺陷图像在紫外线下能激发荧光，在日光下也能显色。

2）按渗透剂种类分类：

根据渗透剂的去除方法，可分为水洗型、后乳化型和溶剂去除型三大类。

水洗型渗透法是渗透剂内含有一定量的乳化剂，工件表面多余的渗透剂可直接用水洗掉。有的渗透液虽不含乳化剂，但溶剂是水，即水基渗透液，工件表面多余的渗透剂也可直接用水洗掉，它也属于水洗型渗透法。

后乳化型渗透法的渗透液不能直接用水从工件表面洗掉，必须增加一道乳化工序，即工件表面上多余的渗透剂要用乳化剂“乳化”后方能用水洗掉。

溶剂去除型渗透法是用有机溶剂去除工件表面多余的渗透剂。

3）按显像方法分类：

根据不同的显像方法分为干式显像、湿式显像、快干式显像和无显像剂式显像四种。

干式显像法是直接使用干燥的白色显像粉末作为显像剂的一种方法。显像时，直接把显像粉末喷洒到工件表面，显像剂附着在工件表面上并从缺陷中吸出渗透剂形成显示痕迹。用这种方法，缺陷部位附着的显像剂粒子全部附着在渗透剂上，而没有渗透剂的部分就不附着显像剂，因此显像痕迹不会随着时间的推移而发生扩散，并能显示出鲜明的图像。这种显像方法在后乳化型荧光渗透检测和水洗型荧光渗透检测中用得较多，而着色渗透检测法，因为显示痕迹的识别性能很差，所以不适于干式显像法。

湿式显像法是把白色细粉末状的显像材料调匀在水中作为显像剂的一种方法。把工件浸渍在显像剂中或者用喷雾器把显像剂喷在工件上，当显像剂干燥时，在工件上就形成白色显像薄膜，由白色显像薄膜吸出缺陷中的渗透剂而形成显示痕迹。这种方法适合于大批量工件的检测，常用于水洗型荧光渗透检测法。使用这种方法，缺陷显示痕迹是会扩散的，所以随着时间的推移，痕迹的大小和形状会发生变化。

快干式显像法是把白色细粉末状的显像材料调匀在高挥发性的有机溶剂中作为显像剂的一种方法。将显像剂喷涂到工件上，在试件表面快速形成白色显像薄膜，由白色显像薄膜吸出缺陷中的渗透剂而形成显示痕迹。因为这种显像方法操作简单，所以在溶剂去除型荧光渗透检测和着色渗透检测法中得到广泛应用。这种方法与湿式显像法一样，随着时间的推移，缺陷显示痕迹会扩散，因此必须注意显示痕迹的大小和形状变化。

无显像剂式显像法是在将检测表面清洗处理之后，不使用显像剂来形成缺陷显示痕迹的一种方法。它用在高辉度荧光渗透剂水洗型荧光渗透检测法中，或者在把工件加交变应力的同时做渗透检测显示痕迹的方法中使用。这种方法与干式显像法一样，其缺陷显示痕迹是不会扩散的。

（4）渗透检测的特点

1）适用材料广泛。除了疏松多孔性材料外任何种类的材料，如黑色金属、有色金属、陶瓷、塑料、橡胶、石墨、玻璃等材料的表面开口缺陷都可以用渗透检测。

2）是检测各种表面开口缺陷的有效检测方法，但对埋藏缺陷或闭合型的表面缺陷无法检出。

3）用一次检测操作就可以完成对大面积各种方向和形状缺陷的检测，同时也很容易观察出缺陷的显示痕迹。设备简单，操作方便。

4）适用于各种形状复杂工件的表面检测，并且一次操作就可大致做到全面检侧。

5）检测灵敏度比磁粉检测低。工件表面粗糙度对检测结果影响很大。

6）检测结果往往容易受操作人员水平的影响。

7）所使用的渗透检测剂易燃、有毒，使用时应注意通风。

（5）渗透检测基本程序

渗透检测的基本操作程序分以下八个步骤进行：

1）预处理、预清洗。去除工件被检表面的铁锈、氧化皮、焊接飞溅、铁屑、毛刺及各种防护层，用清洗液洗净工件被检表面的油污，并用强风吹干或自然蒸发，使其完全干燥。

2）渗透处理。采用喷涂、刷涂、浇涂、浸涂等方法将渗透剂涂在工件表面。在10～50℃的温度条件下，渗透剂持续作用时间不应少于10min。这个过程叫渗透。

3）乳化处理。采用浸渍、浇涂、喷洒（亲水型）等方法将乳化剂施加于工件表面，不允许采用刷涂法。乳化时间取决于乳化剂和渗透剂的性能及被检工件的表面粗糙度。

4）清洗处理。待渗透剂充分地渗透到缺陷内之后，用水或清洗剂把工件表面的渗透剂洗掉。这个过程叫清洗。清洗时的水压不超过0.34MPa，水温为10～40℃。

5）干燥处理。可用热风进行干燥或自然干燥。干燥时，被检面的温度不得高于50℃。当采用溶剂去除多余渗透剂时，应在室温下自然干燥。干燥时间通常为5～10min。

6）显像。显像时把显像剂喷洒或涂敷在工件表面上，将残留在缺陷中的渗透剂吸出，表面上形成放大的黄绿色荧光或者红色的显示痕迹，这个过程叫做显像。当环境温度在10～50℃范围内时，显像时间一般不应少于7min。采用自显像时，停留时间最短10min，最长2h。

7）观察与评定。观察显示应在显像剂施加后7～60min内进行。荧光渗透剂的显示痕迹在紫外线照射下呈黄绿色，着色渗透剂的显示痕迹在自然光下呈红色。用肉眼观察就可以发现很细小的缺陷，这个过程叫观察。着色渗透检测时，缺陷显示的评定应在白光下进行，通常工件被检面处白光照度应大于或等于1000lx；若由于条件限制，可见光照度可适当降低，但不得低于500lx。荧光渗透检测时，缺陷显示的评定应在暗室或暗处下进行，暗室或暗处白光照度应不大于20lx。

8）后处理。工件检测完毕应进行清洗，以去除对以后使用或对工件材料有害的残留物。可用布料、纸张擦除，也可用水冲洗或用压缩空气清除。

6.涡流检测

涡流检测是以电磁感应原理为基础的一种无损检测方法，把一块导体置于交变磁场之中，在导体中就有感应电流存在，即产生涡流。由于导体自身各种因素（如电导率、磁导率、形状、尺寸和缺陷等）的变化会导致感应电流的变化，利用这种现象而判知导体性质、状态。

（1）涡流检测的原理

将通有交流电的线圈置于待测的金属板上或套在待测的金属管外，如图8-50所示。这时线圈内及其附近将产生交变磁场，使工件中产生呈旋涡状的感应交变电流，称为涡流。涡流的分布和大小，除与线圈的形状和尺寸、交流电流的大小和频率等有关外，还取决于工件的电导率、磁导率、形状和尺寸、与线圈的距离以及表面有无裂纹缺陷等，因而，在保持其他因素相对不变的条件下，用一探测线圈测量涡流所引起的磁场变化，可推知工件中涡流的大小和相位变化，进而获得工件中有关电导率、缺陷、材质状况和其他物理量（如形状、尺寸等）的变化或缺陷存在等信息。

图8-50 涡流检测原理图

由于涡流是交变电流，所以在导体的表面电流密度较大。随着向内部的深入，电流按指数函数而减少，这种现象称为集肤效应，所以检测到的信息仅能反映工件表面或近表面处的情况。

（2）涡流检测的应用

涡流探伤是靠检测线圈来建立交变磁场，把能量传递给被检导体，同时又通过涡流所建立的交变磁场来获得被检测导体中的质量信息。所以说，检测线圈是一种换能器。检测线圈的形状、尺寸和技术参数对于最终检测是至关重要的。在涡流探伤中，往往是根据被检测工件的形状、尺寸、材质和质量要求（检测标准）等来选定检测线圈的种类。

按工件的形状和检测目的的不同，可采用不同形式的线圈，通常有穿过式、探头式和插入式线圈3种，如图8-51所示。穿过式线圈用来检测管材、棒材和线材，它的内径略大于被检物件，使用时使被检物体以一定的速度在线圈内通过，可发现裂纹、夹杂、凹坑等缺陷。探头式线圈适用于对工件进行局部探测，应用时线圈置于金属板、管或其他工件之上，可检查工件表面上的缺陷。插入式线圈也称内部探头，放在管子或零件的孔内用来作内壁检测，可用于检查各种管道内壁的腐蚀程度等。为了提高检测灵敏度，探头式和插入式线圈大多装有磁芯。

图8-51 探测线圈的分类

a）穿过式线圈 b）插入式线圈 c）探头式线圈

涡流法主要用于生产线上的金属管、棒、线的快速检测以及大批量零件如轴承钢球、气门等的探伤（这时除涡流仪器外尚须配备自动装卸和传送的机械装置）、材质分选和硬度测量，也可用来测量镀层和涂膜的厚度。

（3）涡流检测的特点

1）涡流检测的对象必须是导电材料，且由于电磁感应的集肤效应原因，只适用于检测金属表面和近表面缺陷，不适用检测金属材料深层的内部缺陷。

2）对于表面缺陷的探测灵敏度很高，且在一定范围内具有良好的线性指示，可对大小不同缺陷进行评价，所以可以用作质量管理与控制。

3）检测结果以电信号输出，所以可存储、再现及进行数据比较和处理，容易实现自动化检测。

4）由于采用非接触式检测，也不需要耦合介质，所以检测速度很快。

5）由于检查时不需接触工件，又不用耦合介质，所以可进行高温下的检测。由于探头可伸入到远处作业，所以可对工件的狭窄区域及深孔壁（包括管壁）等进行检测。

6）不能显示出缺陷图形，因此无法从显示信号判断出缺陷性质。

7）影响涡流的因素很多，如裂纹、材质、尺寸、形状及电导率和磁导率等。采用特定电路进行处理，可筛选出某一因素而抑制其他因素，由此有可能对上述某一单独影响因素进行有效的检测。

8）各种干扰检测的因素较多，容易引起杂乱信号。

9）形状复杂的试件很难应用，因此一般只用其检测管材、板材等轧制型材。

10）不能用于不导电的材料。

7.声发射检测

声发射技术是20世纪60年代开始，目前逐步成熟的一种无损检测方法，已被广泛应用在压力容器检测和结构完整性的评价方面。

声发射（Acoustic Emission，AE）是指材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象。弹性波可以反映出材料的一些性质，声发射检测就是通过探测受力时材料内部发出的应力波判断容器内部结构损伤程度的一种新的无损检测方法。

压力容器在高温高压下由于材料疲劳、腐蚀等产生裂纹，在裂纹形成、扩展直至开裂过程中会发射出能量大小不同的声发射信号，根据声发射信号的大小可判断是否有裂纹产生及裂纹的扩展程度。

声发射与X射线、超声波等常规检测方法的主要区别在于它是一种动态无损检测方法。声发射信号是在外部条件作用下产生的，对缺陷的变化极为敏感，可以检测到微米数量级的显微裂纹产生、扩展的有关信息，检测灵敏度很高。此外，因为绝大多数材料都具有声发射特征，所以声发射检测不受材料限制，可以长期连续地监视缺陷的安全性和超限报警。

（1）声发射检测原理

声发射检测的原理如图8-52所示。从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。

图8-52 声发射检测原理图

当固体受力时，由于微观结构不均匀或存在缺陷导致局部应力集中，促使产生塑性变形或裂纹扩展释放应力波。位错运动、相变、孪生、裂纹萌生及裂纹扩展、断裂、摩擦、泄漏、无扩散型相变、磁畴壁运动、热胀冷缩、外加负荷的变化等都是声发射源。固体材料中内应力的变化产生声发射信号，人们根据观察到的声发射信号的发射强度及特征，进行分析与推断，以了解材料产生声发射的机制，从而推断材料缺陷的严重性。

声发射的频率范围很广，金属的声发射的频带在超声范围内，检测金属缺陷的频率处于100～300kHz。

（2）声发射检测的主要目的是：

1）确定声发射源的部位。

2）分析声发射源的性质。

3）确定声发射发生的时间或载荷。

4）评定声发射源的严重性。一般而言，对超标声发射源，要用其他无损检测方法进行局部复检，以精确确定缺陷的性质与大小。

（3）声发射检测技术的特点

1）实时动态检测。被测材料只有受到外载荷的作用时，内部开放型裂纹的产生和扩展才有声发射信号，所以声发射为动态检测技术。探测到的能量来自被测物本身，而不是像超声或射线检测方法那样由无损检测仪器提供。

2）灵敏度高。声发射技术可检测到裂纹微米级的变化。声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，能探测到在外加结构应力下线性缺陷的活动情况，且稳定的缺陷不产生声发射信号。

3）整体性。采用多通道探头的声发射检测材料，按一定的要求将探头布置在整体构件上，一次就可以检测到整个结构中缺陷的位置和严重程度。但是声发射检测技术不能确定缺陷的类型，如果需要，可用其他的检测手段来判定缺陷的性质和大小。

（4）声发射技术的实际应用

压力容器制造完成后，最终都要进行以水或空气为介质的耐压试验，以考核和确认压力容器的安全质量。对一些有特殊要求的压力容器，在水压试验时还同时进行声发射检测，以检测压力容器在水压过程中可能出现的缺陷开裂、裂纹萌生与扩展，并对压力容器的结构完整性进行评价。声发射检测一般采用多通道声发射仪对压力容器进行整体源定位的实时监测。

一般声发射技术多用来检测压力容器裂纹的始发和扩展，以及缺陷的部位，另外，还可检测构件的裂纹、检测输送管道的焊缝质量、飞机结构、船舶部件、海洋石油钻井平台结构等。

8.磁记忆检测

磁记忆（Metal Magnetic Memory，MMM）检测方法就是通过测量构件磁化状态来推断其应力集中区的一种无损检测方法，其本质为漏磁检测方法。

（1）磁记忆检测原理

铁磁性材料制造的压力容器在运行时受介质压力的作用，材料内部磁畴的取向会发生变化，并在地磁环境中表现为应力集中部位的局部磁场异常，形成“漏磁场”，并在工作载荷去除后仍然保留，且与最大作用应力有关，这就是磁记忆检测技术的物理原理。磁记忆检测方法是通过测量铁磁体的漏磁场法向分量H_p来进行应力集中的检测。研究表明，检测中铁磁体表面H_p=0的线与应力集中位置重合，并采用通过应力集中线的磁场法向分量H_p梯度对应力集中水平进行定量评估。压力容器磁记忆检测时，通常采用磁记忆检测仪器对压力容器焊缝进行快速扫查，以发现焊缝上存在的应力峰值部位，然后对这些部位进行表面磁粉检测、内部超声检测、硬度测试或金相分析，以发现可能存在的表面缺陷、内部缺陷或材料微观损伤。

（2）磁记忆检测仪器

磁记忆检测仪一般由传感器、主机及其他辅助设备组成。

（3）磁记忆检测的应用

压力容器在运行过程中受介质、压力和温度等因素的影响，易在应力集中较严重的部位产生应力腐蚀开裂、疲劳开裂和诱发裂纹，在高温设备上还容易产生蠕变损伤。磁记忆检测方法用于发现压力容器存在的高应力集中部位，它采用磁记忆检测仪对压力容器焊缝进行快速扫查，从而发现焊缝上存在的应力峰值部位，然后对这些部位进行表面磁粉检测、内部超声检测、硬度测试或金相组织分析，以发现可能存在的表面裂纹、内部裂纹或材料微观损伤。

磁记忆检测方法不要求对被检测对象表面做专门的准备，不要求专门的磁化装置，具有较高的灵敏度。金属磁记忆方法能够区分出弹性变形区和塑性变形区，能够确定金属层滑动面位置和产生疲劳裂纹的区域，能显示出裂纹在金属组织中的走向，确定裂纹是否继续发展。是继声发射后第二次利用结构自身发射信息进行检测的方法，除早期发现已发展的缺陷外，还能提供被检测对象实际应力-变形状况的信息，并找出应力集中区形成的原因。但此方法目前不能单独作为缺陷定性的无损检测方法，在实际应用中，必须辅助以其他的无损检测方法。