焊接结构质量检验知识及方法

压力容器类冷作结构发生破坏的主要原因之一，就是由于结构中存在缺陷。检测可以把在制造过程中超标的缺陷检验出来，以确保产品的质量。并且，检测还可以在检修设备时检查出是否原有允许的缺陷或新产生的缺陷在使用过程中发展成为超标缺陷。因此，检测对于压力容器的生产质量的优劣及其安全使用，有着非常重要的意义。

冷作结构成品检验的方法很多，总的来讲可分为破坏性检验和无损检验两类。

属于无损检验的有无损检测、压力试验和致密性试验。

属于有损检验的有力学性能试验、金相组织检验、化学成分分析和晶间腐蚀试验等。

压力容器是典型的冷作结构产品，下面以对压力容器检验为例，结合GB150—2011《压力容器》标准和JB4730《承压设备无损检测》标准，介绍对冷作结构产品检验的方法。

1.无损检测

无损检测是检验材料和机械产品中内在缺陷的各种非损坏性方法的统称。无损检测是利用声、光、热、电、磁和射线等与被检物体的相互作用，在不损伤被检物体的内外部结构和使用性能的情况下，来探测材料、构件和设备所在的表面或内部的缺陷，并可决定其位置、大小、形状和种类的一种检测手段。无损检测是一种不损坏被检验对象（产品）而能了解其内在或表面质量的一种物理方法。

无损检测的常用方法有：肉眼检验、射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等几种。其中肉眼检验无须使用任何装置，而直接用肉眼进行检验、常用于不太重要的场合和初检工作。

无损检测技术广泛地应用在国民经济的许多领域。在压力容器等特殊冷作结构的制造生产中，无损检测技术主要用来对钢材或结构的焊接部位（焊缝）进行探查缺陷的检验。

无损检测在生产中的应用：

1）制造厂家用于对产品质量的监控。

2）产品的使用者用以对产品进行验收。

3）对在用设备进行监控检查。

压力容器类冷作结构发生破坏的主要原因之一，就是由于结构中缺陷的存在。检测可以把在制造过程中超标的缺陷检验出来，以确保产品的质量。并且，无损检测还可以在检修设备时检查出是否原有允许的缺陷或新产生的缺陷在使用过程中发展成为超标缺陷。因此，检测对于压力容器的生产质量优劣及安全使用，有着非常重要的意义。

（1）渗透检测和荧光渗透检测 渗透检测俗称着色探伤，是用黄、绿色的荧光渗透液或者红色的着色渗透液，来显示放大了的缺陷图像的痕迹，从而用肉眼检查出工种表面的开口缺陷的方法。它是利用某些液体具有良好的渗透性，对材料表面缺陷进行渗透，当显像液喷洒在被检物体表面时，残留在缺陷内的渗透液会被吸出来，形成缺陷痕迹，从而达到探伤的目的。

渗透检测的工作原理是基于渗透性液体的毛细作用，渗入工件表面的微小裂纹中，然后清除工件表面的剩余液体，在工件上再涂上一层吸附强的吸附剂，经一定时间后，由于吸附剂的毛细作用，把渗入工件缺陷中液体吸出来，显示出缺陷的形状、位置和大小。渗透检测的具体作法是：将擦拭干净的被检部位涂以渗透剂（或浸入渗透剂），具有良好流动性和渗透性极强的渗透剂，便渗入到焊件表面的裂缝中去。随后，将被检部位再次擦拭干净，涂以显现粉，侵入裂缝的渗透剂，遇到显现粉便呈现出缺陷的位置和形状来。

渗透检测适用于探测金属材料和致密性非金属材料的缺陷，能发现表面开口的裂纹、折叠、疏松、针孔等。通常也能确定缺陷的位置、大小和形状，但难以确定缺陷的深度。不能用于检测疏松的多孔性材料的缺陷。

在渗透液中加入一些荧光物质，便是有明亮对比度的荧光渗透检测，若在渗透液中加入红色染料，便是着色探伤。

1）着色探伤。着色探伤是先将被探测的焊缝表面及其附近25mm内的污垢、熔渣、飞溅、氧化皮及锈蚀等清除干净。再用清洗气雾剂将被检测区域表面洗净，以除去表面油污和灰尘等，然后烘干或晾干。用渗透气雾剂喷涂至已清洗的工件表面（渗透10～30min），有时为探测细小的缺陷，也可将被检工件区域预热40～50℃后再渗透。用清洗剂喷涂工件表面，待3～5min后用清水洗净多余的渗透剂，并用洁净的丝绸将其擦干。将摇匀的显影剂均匀地喷涂在被检测区域的表面，并使之自然干燥。当工件表面上有缺陷时，在白色显影剂上便会显示出红色缺陷图像的裂纹或小气孔。

2）荧光渗透检测。荧光渗透探伤的程序与着色探伤基本相同。不同的是所用的渗透剂为荧光型渗透剂，而在暗室内用紫外线灯照射，当有缺陷时，便会显示出明亮的荧光图像。

荧光渗透检测的原理是利用被吸附于缺陷中的荧光物质，受到紫外线的照射发出荧光来发现缺陷的。其具体方法是：将被检部位侵入（或涂以）煤油与矿物油的混合液数分钟，然后取出擦干。由于混合液的渗透力很强，所以，极细微的裂缝中仍有残留混合液。此时，撒上荧光物质粉，再擦拭干净，但在缺陷的空隙中，仍有少量荧光物质粉依附于混合液而存在。在暗室中用紫外线光源发出的紫外线进行照射，渗入缺陷里的荧光物质就发出荧光，显现出缺陷的位置和形状。

渗透检测常用的着色剂有：苏丹红Ⅳ号、128烛红、刚果红等，荧光渗透检测常用的荧光物质有：发绿光的CaS、发黄绿光的ZnS、发蓝光的CaMo₄等。

渗透检测和荧光渗透检测的特点是：设备简单、实用经济、显示缺陷直观和可以同时显示不同方向的各类缺陷。同时，它们不受材料磁性的限制，可以检查各种金属、非金属、磁性、非磁性材料及零件的表面缺陷。但这两种探伤方法，操作工序相对比较繁杂，只能检查受检部位表面的缺陷，对于表层以内的缺陷，渗透检测和荧光渗透检测就无能为力了。

（2）磁粉检测 磁粉检测是将被检物体磁化后，在被检部位均匀地撒上磁粉，利用缺陷部位所产生的磁极，对磁粉吸附力较强的特性，来探测被检物体内部缺陷的一种无损检测方法。

磁粉检测的方法是：首先将被检部位充磁，将工件磁化，被检工件中便有磁力线通过。这时，在被检部位表面散布磁粉（磁粉平均粒度为5～10μm），观察磁粉在磁力线作用下形成的形状、多少和厚薄痕迹，判断缺陷的大小和位置。

当工件无缺陷时或当被检部位断面尺寸相同、内部材料均匀时，磁力线分布均匀，因而磁粉的分布也是均匀的。当被检物由于截面形状不同或者工件中有裂纹、气孔和夹渣时，则磁力线因各段磁阻不同而产生弯曲，磁粉的分布也随磁力线而呈现弯曲。当缺陷位于焊缝表面或接近于表面时，则磁力线不仅在焊缝内部弯曲，而且将穿过表面而形成“漏磁”。这时，磁粉就会被吸附在“漏磁”处，表现出一定形状的磁粉痕。当缺陷是线状缺陷时，若磁力线与线状缺陷垂直，显现得最清楚；若磁力线与线状缺陷平行，则显现不出来。为此，变换磁力线的方向，可以达到最佳灵敏度，如图8-32所示。

图8-32 磁粉检测检验线状缺陷时的充磁方向

a）纵向充磁检测横向裂纹 b）横向充磁检测纵向裂纹

1—横向裂纹 2—磁力线 3—纵向裂纹

磁粉检测的磁力线，具有一定的方向性。当线状缺陷与磁力线垂直时，磁粉才集中积聚在缺陷上。当线状缺陷与磁力线平行时，其灵敏度最小。因此为了有效地检测线状缺陷等，对于每个工件的被检测区域至少应作2次以上的检测，且检测磁力线的方向应相互垂直。

为了便于观察，常用磁粉的颜色有黑色、红色及白色。还可用荧光磁粉，这样在紫外线照射下显现缺陷更明显。

磁粉检测适用于探测铁磁性材料、碳素钢、铁、钢、镍、钴等材料及合金和某些合金工件的表面和近表面的裂纹、折叠、夹层、夹杂、气孔等缺陷，以及对这些材料进行焊接后，焊缝表层的裂纹、夹渣、气孔等的检测。灵敏度比较高，结果比较可靠。一般能确定缺陷的位置、大小和形状，但难以确定缺陷的深度，对非铁磁性材料不能检测。

磁粉检测的特点是：操作简便、灵敏度高、结果可靠。但随着缺陷埋藏深度的增加，其灵敏度迅速降低。另外，磁粉检测局限于铁磁性材料应用，而对于有色金属、奥氏体钢、非金属材料等非铁磁性材料是无法应用的。

（3）射线检测 射线能穿透普通光线不能穿透的物质，并在物质中表现出有一定规律的衰减作用。射线还能对某些物质产生光学作用，如使照相胶片感光，或使某些化学元素和化合物产生荧光等。射线检测就是根据射线的上述特性，利用射线对适应各种物质的穿透力来检测物体内部缺陷的一种方法。它是根据被检物体与内部缺陷介质对射线能量衰减程度的不同，而引起射线透过物体后的强度差异，在感光材料上获得缺陷投影所产生的潜影，经过处理后获得缺陷的图像，从而对照标准来评定物体的内部质量。

射线检测适用于探测体积型缺陷，如气孔、夹渣、缩孔、疏松等。它对锻件和型材中的缺陷检测不适用。

射线检测的原理如图8-33所示，当射线透过被检物质时，若被检物质内部完好，质地均匀，则射线衰减的强度无差异，作用于底片上感光均匀，暗房处理后胶片上灰度均匀。

若被检物内部有缺陷，如有夹渣、气孔、裂缝等，则射线穿透时，衰减的强度发生了变化。有缺陷部位的射线强度高于无缺陷部位，这是由于缺陷部位吸收的射线粒子少的缘故。作用于底片上感光就不均匀，暗房处理后，有缺陷的部位通过的射线强度大，而形成的黑度较大，由此来断定缺陷的存在。

图8-33 射线检测原理

1—射线 2—被检物质 3—底片

射线检测有X射线检测、γ射线检测和高能X射线检测。它们的基本原理相同，只是射线源不同。X射线或γ射线就本质而言与可见光相同，都属于电磁波。但因波长不同，所以性质也有所差异。波长越短，射线越硬，穿透力越强。反之，穿透力越弱。

X射线检测通常用于板材厚度70mm以下的对接焊缝，其灵敏度比γ射线高，透视时间短，速度快。但X射线检测设备比较复杂，费用也比较大。γ射线检测则多用于70mm以上的大厚度材料的对接焊缝。γ射线穿透能力比较强，能透照300mm的钢板，设备轻便、操作简单，但照射时间较长。当被检物体厚度小于50mm时，显示缺陷的灵敏度较低。

下面主要介绍X射线检测原理。

X线探伤原理，如图8-34所示。由X光管产生的X光束，穿过焊缝与放置在工件下面的胶片起作用。但由于X光对金属及内部的缺陷有着不同的穿透率（即X光对缺陷的穿透率大，对金属的穿透率小），穿透率大的地方，使胶片强力感光，穿透力小的则反之。凡有缺陷的地方，便会在胶片上呈现出黑色阴影，阴影的大小与形状，反映了焊缝内缺陷的大小与形状。阴影在胶片上所在的位置，则就是对应于缺陷在焊缝上所处的位置。

1）X射线检测的缺陷判定技能用上述方法摄制出来的焊缝胶片，即可根据阴影的位置形状和大小，来判断焊缝是否有气孔、未焊透、夹渣及裂纹等缺陷。

各种焊缝缺陷在X射线胶片上的判定列于表8-4。

图8-34 射线探伤

1—射线源 2—工件 3—装在暗盒里的胶片

表8-4 焊缝缺陷在X射线胶片上的判定

2）缺陷位置的确定与返修。根据X光胶片上所表现出的缺陷位置、性质，只能确定缺陷的长度与宽度，但对缺陷的埋藏深度及其本身的厚度，从胶片上是反映不出的。目前一般缺陷返修的方法，只能用碳弧气刨或风铲等工具进行去除后再补焊。

3）射线检测（超声检测）抽检率及合格级别。国家标准《压力容器安全技术监察规程》规定，压力容器的无损检测按《承压设备无损检测》执行。

对压力容器对接接头进行全部（100%）或局部（20%）无损检测：当采用射线检测时，其透照质量不应低于AB级，其合格级别为Ⅲ级，且不允许有未焊透；当采用超声波检测时，其合格级别为Ⅱ级。

对规定进行全部（100%）无损检测的压力容器、第三类压力容器、焊缝系数取1.0的压力容器以及无法进行内外部检验或耐压试验的压力容器，其对接接头进行全部（100%）无损检测：当采用射线检测时，其透照质量不应低于AB级，其合格级别为Ⅱ级；当采用超声检测时，其合格级别为Ⅰ级。

公称直径大于等于250mm（或公称直径小于250mm，其壁厚大于28mm）的压力容器接管对接接头的无损检测比例及合格级别应与容器壳体主体焊缝要求相同；公称直径小于250mm，其壁厚小于等于28mm时仅做表面无损检测，其合格级别为Ⅰ级。

有色金属制压力容器焊接接头的无损检测合格级别，射线透照质量按相应标准或由设计图样规定。

压力容器的对接接头的无损检测比例，一般分为全部（100%）和局部（≥20%）两种。对铁素体钢制低温容器，局部无损检测的比例≥50%。

符合下列情况之一时，压力容器的对接接头必须进行全部射线或超声检测：

①GB150及GB151等标准中规定进行全部射线或超声检测的压力容器。

②第三类压力容器。

③第二类压力容器中易燃介质的反应压力容器和储存压力容器。

④设计压力大于5.0MPa的压力容器。

⑤设计压力大于等于0.6MPa的管壳式余热锅炉。(www.xing528.com)

⑥设计选用焊缝系数为1.0的压力容器（无缝管制筒体除外）。

⑦疲劳分析设计的压力容器。

⑧使用后无法进行内外部检验或耐压试验的压力容器。

⑨符合下列之一的铝、铜、镍、钛及其合金制压力容器：介质为易燃或毒性程度为极度、高度、中度危害的；采用气压试验的；设计压力大于等于1.6MPa的。

国家行业标准《承压设备无损检测》标准详细规定了X射线和γ射线检验钢材对接焊缝的技术要求及射线评定质量标准，并对缺陷进行分类定级。焊接方法包括焊条电弧焊、气体保护焊、电渣焊及气焊，照相厚度范围为2～120mm。

焊缝在透视检验之前，必须进行表面检查。其不规则程度应不妨碍底片上缺陷的辨认。例如，咬边、焊瘤等，否则应在射线照相前加以修整。

焊缝质量根据缺陷数量的规定分成四级。

Ⅰ级焊缝内不准有裂纹、未熔合、未焊透以及条状夹渣。

Ⅱ、Ⅲ级焊缝内不准有裂纹、未熔合以及双面焊和加垫板的单面焊中的未焊透。

焊缝缺陷超过Ⅲ级的为Ⅳ级。

长宽比小于或等于3的缺陷定义为圆形缺陷，包括气孔、夹渣和夹钨。评定圆形缺陷，可按表8-5进行换算。

表8-5 圆形缺陷换算表

各级圆形缺陷的限量按表8-6的规定。

表8-6 圆形缺陷的分级

Ⅰ、Ⅰ、Ⅲ级焊缝中气孔的点数，多者用于厚度上限，少者用于厚度下限，中间厚度的气孔点数用插入法决定，可按数字修约法推算至整数。

母材厚度小于或等于20mm，单个气孔（包括点状夹渣）的尺寸超过母材厚度的1/3时，即作为Ⅳ级。

产品的射线检测级别要求是由产品设计部门规定的，一般在图样中标出。

（4）超声波检测 与普通声波一样，是一种直线传播的线性声波。声波是弹性介质的机械振动，人耳所能感受的振动频率为16～20000Hz，故20000Hz以上的弹性振动称为超声波，是一种人耳听不见的高频率声波，它能在金属的内部传播，并在遇到两种介质的界面上，发生反射和折射。在检测中所用的超声波频率为0.5～10MHz。

利用探头发射出的1MHz～5MHz的超声波脉冲，射入被检物体内，当超声波碰到该物体的另一侧底面时，会立即反射回来被探头所接收。如果物体内部存在缺陷，射入的超声波在碰到缺陷时，也会立即反射回来被探头所接收，根据二者反射回来的声波信号之间的差异，就可在荧光屏上检测出缺陷的大小和位置，这种检测方式称为超声波探伤。

超声波检测特别适用于检测面积型缺陷，如裂纹、白点、分层和焊缝未熔合等。它对粗晶材料，形状复杂和表面粗糙的工件不适用。

超声波检测工作原理如图8-35所示。

图8-35 超声波检测工作原理

扫描发生器发出一个信号，作用在高频脉冲发生器上，产生一个高频电流脉冲，它同时作用在超声波发射探头和接收放大器上。作用在接收放大器上的高频脉冲信号经放大后，加在示波器的垂直偏向板上，在荧光屏上形成第一个脉冲（始脉冲）。高频电流脉冲作用在探头上，由于探头内装有压电晶体，能把接受的高频交变电压脉冲转变成超声波，射向工件并在其中传播。在传播方向上遇到缺陷时引起反射，一部分未遇到缺陷的超声波传到工件底面也同样引起反射，接收探头接到这些反射后，就把这两个波束转变成两个高频电流脉冲，通过接收放大器放大，加到示波器的垂直偏向板上，便在荧光屏上形成第二（缺陷）脉冲和第三脉冲（底脉冲）。检验时根据荧光屏上是否有第二脉冲，以及这几个脉冲之间的位置，确定工件上是否有缺陷和缺陷在厚度方向的位置。

超声波在传播过程中，当遇到两种不同介质的界面或不同密度的材料时，便会在交界面上发生折射或反射。反射式探伤法是利用超声波在工件的传播中，能分别在工件的内部缺陷及其背面发生反射，而反射回来的超声波在通过超声波接收器之后，又将声波转为电能，在荧光屏上显示三者各自的波形图，如图8-36所示。

超声波检测与射线检测相比，具有灵敏度高、灵活方便、周期短、成本低、效率高和对人体无害等优点。缺点是要求工件表面平滑光洁，辨别缺陷能力较差，对于缺陷反映不直观等。由于超声波检测的上述特点，因此特别适用于厚度较大的焊缝或工件的检测。

1）直探头检测法

①耦合剂的选择。在检测时，为了克服探头与工件表面之间的空气膜，使超声波顺利传入工件，在工件表面需要涂耦合剂。对耦合剂的要求，应符合下列几点：

a）透声性良好，耦合介质的声阻抗应高一些。

b）对工件应无腐蚀作用，对后道工序加工无影响。

c）流动性好，来源方便，价格又低廉。

d）对操作人员的健康无损害。

目前一般常用的耦合剂，有机油和水等。

②检测操作。先将超声波探伤仪放在钢板上，用探头沿垂直于钢板的轧制方向，作间距为100mm的平行线移动，并用水或机油作为耦合剂检测。当监视到有缺陷波形出现时，还应在其两侧进行探查，以确定缺陷面积，并用显示笔记录在钢板上。

③缺陷的判定。

a）当荧光屏上无底脉波而只有缺陷波的多次反射。

b）当荧光屏上缺陷波和底脉波同时存在。

c）当荧光屏上无底脉波而只有缺陷脉波的多个紊乱的缺陷脉波。

2）斜探头检测 检验焊缝时若焊缝表面和钢板的表面不平，须磨平后，才能用直探头。但在某些情况下，焊缝不能磨平，只可选用斜探头。

焊缝检测时，应将其两侧一定宽度范围内的飞溅、污垢及突起的氧化皮等清除干净，否则将会影响检测的灵敏度和准确性，同时在探头与工件表面之间，应涂上耦合剂（机油）等。

图8-36 超声波检测

a—始脉波 b—底脉波 c—缺陷脉波

3）超声波探伤的抽检率和合格级别的规定。用于制造压力容器壳体的碳素钢和低合金钢钢板，凡符合下列条件之一的，应逐张进行超声检测：

①盛装介质毒性程度为极度、高度危害的压力容器。

②盛装介质为液化石油气且硫化氢含量大于100mg/L的压力容器。

③最高工作压力大于等于10MPa的压力容器。

④国家标准和行业标准中规定应逐张进行超声检测的钢板。

⑤移动式压力容器。

钢板的超声检测应按《承压设备无损检测》的规定进行。用于①、②、⑤所述容器的钢板的合格等级应不低于Ⅱ级；用于③所述容器的钢板的合格等级应不低于Ⅲ级，用于④所述容器的钢板，合格等级应符合标准中相应的规定。

（5）压力容器焊接头检测方法的选择要求

1）压力容器壁厚不大于38mm时，其对接接头应采用射线检测；由于结构等原因，不能采用射线检测时，允许采用可记录的超声波检测。

2）压力容器壁厚大于38mm（或不大于38mm，但大于20mm且使用材料抗拉强度规定值下限不小于540MPa）时，其对接接头若采用射线检测，则每条焊缝还应附加局部射线检测。无法进行射线检测或超声波检测时，应采用其他检测方法进行附加局部无损检测。附加局部检测应包括所有的焊缝交叉部位，附加局部检测的比例为原无损检测比例的20%。

3）对有无损检测要求的角接接头、T形接头，不能进行射线或超声波检测时，应做100%表面检测。

4）铁磁性材料压力容器的表面检测优先选用磁粉检测。

5）所有焊缝的交叉部位以及开孔区将被其他元件覆盖的焊缝部分必须进行射线检测，拼接封头（不含先成形后组焊的拼接封头）、拼接管板的对接接头必须进行100%无损检测，拼接补强圈的对接接头必须进行100%超声波或射线检测，其合格级别与压力容器壳体相对应的对接接头一致。拼接封头应在成形后进行无损检测，若成形前进行无损检测，则成形后应在圆弧过渡区再做无损检测。

6）经过局部射线检测或超声波检测的焊接接头，若在检测部位发现超标缺陷时，则应进行不少于该条焊接接头长度10%的补充局部检测。若仍不合格，则应对该条焊接接头全部检测。

上述四种无损检测方法，所能检测到焊缝的缺陷形状、内外表面深度各不相同，因此必须根据缺陷的特征，选择最适宜的检测方法，见表8-7。

表8-7 焊缝的不同缺陷对检测能力的比较

（6）检测方法的选择和结果的评定 每一种检测方式都有其自身的特点，在实际应用中，应根据被检测对象的材质、加工方法、使用状况、周围环境等因素，预计会产生什么缺陷以及其性质、形状和分布情况，然后选择最合适的检测方法来进行检测。

无损检测的目的是为了保证产品的经济性和安全性，因此检测时必须做出正确的判断。为此，往往需要多种检测手段同时使用，再结合材料性质、加工工艺等来进行综合分析，才能对测试的结果做出正确的判断。值得注意的是，并非被检测对象中，只要有缺陷存在就是不合格品，事实上有些被检测对象中允许存在一定性质和一定大小的缺陷。