《压力容器安全技术监察规程》将汽车罐车(液化气体运输(半挂)车、低温液体运输(半挂)车)、铁路罐车(介质为液化气体和低温液体)和罐式集装箱(介质为液化气体和低温液体)统称为移动式压力容器,有常温型、低温型和深冷型。它们广泛用于石油和化学、航天航空、电子与机械、食品与烟草和医疗等领域,特别是近几年来,我国加快城市燃气化的步伐和加大环境保护的力度,对该类容器的需求量迅速增加。由于移动式压力容器储运的介质绝大部分是易燃、易爆以及有害等液化气体和低温液体,如突发安全事故,会给国家财产和人民生命带来极大危害。因而必须对移动式压力容器进行检测,以保证其安全使用。下面将针对其制造和使用的特点,综述其在不同阶段采用的无损检测技术的特点和要求。另外,对于低温和深冷型容器的无损检测技术将在后续专题中进行专门论述。
汽车罐车和铁路罐车涉及到交通管理、公安消防、特种设备、危险化学品运输等专业领域,我国现有涉及这两类移动式压力容器无损检测技术和要求的法规或技术规范主要有原国家质量技术监督局颁布的《压力容器安全技术监察规程》(1999版)、国家质量监督检验检疫总局颁布的《压力容器定期检验规则》(2004版)、原劳动部颁布的《液化气体汽车罐车安全监察规程》(1994版)和原化学工业部颁布的《液化气体铁路罐车安全管理规程》(1987版);涉及这两类移动式压力容器无损检测技术的相关标准主要有JB/T 6897―2000《低温液体槽车》、JB/TQ782―1989《液化石油气槽车》、HG 2599―1994《液氨汽车罐车技术条件》、GB 10478―1989《液化气体铁道罐车技术条件》和GB 10479―1989《铝制铁道罐车技术条件》。
1 制造过程中的无损检测技术
汽车罐车和铁路罐车的制造要求在《液化气体汽车罐车安全监察规程》和《液化气体铁路罐车安全管理规程》(简称两个规程)中分别有相应的规定,《压力容器安全技术监察规程》(简称《容规》)中也对这两类移动式压力容器的制造提出了无损检测要求。由于各规程制订的部门不同,实施的日期不同,所以对两类移动式压力容器的制造要求和无损检测的验收标准也各不相同。对于制造中的无损检测除满足设计标准和文件外,通常还应满足《容规》的要求,如无损检测应按JB 4730—2005《承压设备无损检测》的规定进行。而对《容规》没有涉及到的两类车辆本身具有的其它特殊要求,还应符合上述两个规程的规定。
1.1 原材料的无损检测
用于制造罐体的碳素钢和低合金钢钢板应逐张进行超声检测,钢板的超声检测应按JB 4730的规定进行,钢板的合格等级不应低于Ⅱ级。超声检测的主要目的是发现板材在冶炼和轧制过程中产生的分层、白点、折叠重皮和裂纹等缺陷。可选钢板的任一轧制平面进行检测,探头沿垂直于钢板压延方向,间距为100 mm的平行线进行扫查,也可根据合同、技术协议书或图样的要求,进行其它形式的扫查,当发现缺陷后应在缺陷周围附近认真细查并测量缺陷的面积。缺陷的性质应根据波形特点和钢板制造工艺综合判断,例如白点缺陷波形尖锐活跃,重复性差,底波明显降低,次数减少,移动探头时回波起伏大,此起彼落,且在板厚方向对称等。
1.2 制造过程中的无损检测
汽车和铁路罐车的罐体对接焊缝容易出现气孔、夹渣、未熔合、未焊透和裂纹等多种焊接缺陷,因此采用无损检测控制焊接质量十分重要。通常对焊缝内部的缺陷采用射线或超声检测,对有无损检测要求的角接接头和T形接头,不能进行射线或超声检测时,应进行磁粉或渗透检测。
上述的《容规》和两个规程对罐体制造过程中的无损检测有如下要求:①无损检测人员应按照《锅炉压力容器无损检测人员资格考核规则》进行考核,取得资格证书,方能承担与资格证书的种类和技术等级相应的无损检测工作。②罐体的焊接接头,应先进行形状尺寸和外观质量的检查,合格后,才能进行无损检测。有延迟裂纹倾向的材料应在焊接完成后24 h进行无损检测;有再热裂纹倾向的材料应在热处理后再增加一次无损检测。③罐体和人孔的对接接头必须进行全部射线或超声检测。④罐体人孔、补强板、接管等角接接头表面应全部进行磁粉或渗透检测。
在《液化气体铁路罐车安全管理规程》中还规定,当罐体对接接头选用100%超声波探伤时,至少还应补加20%的射线复查。射线复查部位应包括焊缝交叉部位和超声波探伤的可疑部位。经复查发现有超标缺陷时,应增加10%(相应焊缝总长)的复验长度,如仍发现超标缺陷,则应进行100%复验。
检测标准按JB 4730进行。射线照相的质量要求不应低于AB级,对100%检测的对接接头,检测结果不低于Ⅱ级为合格。对于100%超声检测的对接接头,Ⅰ级为合格。磁粉或渗透检测前应打磨受检表面至露出金属光泽,并应使焊缝与母材平滑过渡。检测按JB4730标准进行,检测结果Ⅰ级合格。
2 在用汽车与铁路罐车的无损检测技术
《压力容器定期检验规则》针对罐车的检验制订了一个专门的附件《移动式压力容器定期检验附加要求》,将《容规》和两个规程进行了整合,提出了一个更规范、具体和操作性强的定期检验要求。将移动式压力容器中铁路罐车的中修和大修以及罐式集装箱的中间检验等统一规范称为年度检查和全面检验,并把一些原年度检查中有焊缝无损检测的内容划分到全面检验内容中。对罐车的在用检验,《压力容器定期检验规则》的要求是,罐体角焊缝和内表面对接焊缝应进行100%表面探伤,罐车存在以下情况之一时,还应对焊缝进行射线或超声抽查,即①罐车停用时间超过1 a(年),重新投用的。②使用过程中补焊的部位。③焊缝错边量、棱角度超标的部位。④焊接接头出现渗漏的部位及其两端延长部位。⑤因事故造成罐体焊接接头或近焊处严重损伤变形的部位。⑥上次埋藏缺陷检查有怀疑,要求作跟踪检查的部位。⑦有氢鼓包等应力腐蚀倾向的。⑧用户要求或检验人员认为有必要的。
对已经进行过射线或超声抽查的,下次全面检查时,如果经外观或表面探伤检查未发现缺陷,一般不再检测,但罐体经两个全面检验周期后应该对上述部位进行射线或超声复查。
随着检测手段的丰富,对于罐车的在用检测,还可以采用声发射判断缺陷的活动性,或采用磁记忆检测方法确定某些高应力集中部位是否存在疲劳损伤,以及用漏磁检测的方法从罐体外表面对罐体内表面的腐蚀状况进行监测,这些技术尤其适用于罐车的日常在用检测。
2.1 表面检测
罐车全面检验时,罐体人孔、补强板、接管等角焊缝和内表面对接焊缝均采用表面检测。铁磁性材料对接焊缝的表面检测一般采用磁粉检测,角焊缝无法采用磁粉检测时也可采用渗透检测方法。非铁磁性材料的表面检测采用渗透检测方法。罐车表面无损检测时应着重进行下列部位的检测,即①焊缝与焊缝热影响区常会存在焊接裂纹和疲劳裂纹,特别是在焊缝的丁字口、角焊缝、接管焊缝和焊缝表面缺陷处。②局部应力过高的地方也容易产生疲劳和应力腐蚀裂纹。罐车罐体中较高的应力主要产生在结构不连续的地方,例如罐体的人孔开孔周围,安全阀安装孔、罐体中部罐底位于鞍座承板处、罐体与卡带的结合处、封头的过渡部分及其附近、筒体与加焊附件的终止处等。
磁粉检测一般采用便携式磁轭探伤仪,其结构简单、重量轻、使用方便。磁轭法采用单关节和多关节磁轭纵向磁化工件,适用于罐体焊缝的局部检测,如对接焊缝和角焊缝。其特点是设备简单、操作方便,但由于须在同一部位至少作两次相互垂直的独立检测,故效率低,且易造成漏检。交叉磁轭法采用旋转磁场磁化工件,适用于罐体对接焊缝的局部检测。由于采用交叉磁轭能获得旋转磁场,灵敏可靠且探伤效率高,故在在用罐体检验中广泛应用。采用旋转磁场磁化工件常用完全连续磁化法。
JB 4730标准规定磁轭法的磁化规范可根据灵敏度试片或提升力来确定。对于磁轭,当电磁轭极间距为200 mm时,交流电磁轭至少应有44 N的提升力,直流电磁轭至少应有177 N的提升力,其磁极间距应控制在50~200 mm,但其有效磁化区域规定为两极连线两侧±50 mm区域,两次检测时应重叠15 mm;对于交叉磁轭,其提升力要求≮88 N[5]。
由于结构或材料的原因无法进行磁粉检测时,采用渗透检测。汽车和铁路罐车渗透检测主要采用着色渗透检测。检测前,焊缝表面必须用砂轮机、铁刷等工具来清除焊渣、铁锈和油污氧化层等杂物,并要防止清理时将表面开口状缺陷堵塞。在15~50℃的条件下,渗透剂的渗透时间一般≮10 min。常用擦除法去除溶剂。一般应先用干净不脱毛的布依次擦拭,直至大部分多余渗透剂被清除后,再用蘸有清洗剂的干净不脱毛的布或纸进行擦拭,直至将被检面上多余的渗透剂全部擦净,不得往复擦拭,不得用清洗剂直接在被检面冲洗。焊缝显像通常采用喷涂法,喷涂显像剂3~5 min后,可用肉眼或借助于3~5倍放大镜观察所显示的图像,观察应在被检表面可见光照度>500 lx的条件下进行。
2.2 射线检测
射线检测的优点是对检测出的缺陷定性准确,比较直观,便于多人对缺陷进行分析。对于在用罐车的内外部全面检验,其射线能量的选择取决于透照工件厚度及材料种类,有时也根据设备条件而定。通常情况下,随着射线能量的减低,透照图像的对比度增加。因此,在曝光时间许可的情况下,应尽量采用较低的射线能量。另外,对于超声检测发现的超标缺陷,通常采用射线检测进行复验,以进一步确定缺陷的性质和具体部位,为缺陷返修提供依据[1]。
2.3 超声检测
由于超声波检测的检验成本低、速度快,对面积型缺陷的检出率高,适用于对接焊缝和角焊缝,检测仪器体积小、重量轻,现场使用较方便,而且与射线相比对人无伤害,因此在罐体的全面检验中得到广泛使用[1]。随着技术的发展,超声检测方法已经能较为精确地实现缺陷的定量,这为缺陷的断裂力学评定提供了基础条件。对于超标的埋藏缺陷,也有许多案例是通过安全评定的方法确定其使用的安全性。《液化气体铁路罐车安全管理规程》对使用期限超过15 a的液氯、液态二氧化硫罐车和使用期限超过20 a的其它介质的罐车,提出综合技术评定的要求,但对评定的内容未作具体规定。一些检验单位对查出有超标缺陷的罐体,运用安全评定的方法,来推知其能否继续使用。
新修订的JB 4730规定超声检测缺陷自身高度测量方法有缺陷端点衍射波法、端部最大回波法和6 dB法等,但目前使用测量精度最高的方法是缺陷端点衍射波法,精确范围为0.5~1 mm。超声检测分辨力是超声检测的重要指标,分为时间分辨力、空间分辨力和对比度分辨力。时间分辨力反映了检测结果在时间上的可靠性,保证检测过程中不出现漏检现象。空间分辨力是指在一定的条件下,区分两个相邻反射体的能力。对比度分辨力是指超声图像中相邻两个结构能够加以区别程度的度量。为了提高检测分辨力,TOFD方法、相控阵方法和全息成像方法的理论研究已较为成熟,相应的超声波检测仪器也开始推广应用,这些方法可以得到内部缺陷更直观的显示和更精确的数据。
2.4 磁记忆检测
罐体由于封头、人孔和接管等结构不连续性、焊缝内残余应力、容器的支承、受压元件加工制作的残余应力和材料内部结构不连续性等原因,不可避免地存在应力集中,这些应力集中部位在介质、温度、压力及罐体运输过程中的颠簸等因素共同作用下易产生应力腐蚀开裂和疲劳裂纹。因此,找出罐体上应力集中部位,确定应力集中的大小,分析其对罐车安全性能的影响,成为检测中的关键。常规无损检测方法(如射线、超声、磁粉和渗透检测等)只能检测出一定尺寸的宏观缺陷,很难发现微观缺陷。而金属磁记忆检测技术能检出可能诱发损伤或破坏的应力集中部位,为罐体的早期诊断提供了依据[2]。
磁记忆检测主要用于罐体的在线监测和定期检验。目的是对设备的整体应力集中状况进行快速扫查,对可能存在的损坏进行早期诊断,对诊断后可能存在问题的部位重点复查,以保障使用安全和预防事故发生。由于磁记忆检测对焊缝表面的清洁程度要求不高,不需要清理金属被测表面,可以在保持金属的原有状态下进行检测,而且传感器和被测表面间不需要耦合剂,传感器可以离开金属表面,因而检测的准备工作相对简单。在线的磁记忆检测可以总体上了解罐体的状态,预测应力的发展情况,为合理判断罐体的安全状况等级提供依据,并可提前做好检验计划。
2.5 漏磁检测
漏磁检测除能发现表面和近表面裂纹性质的缺陷外,最大的优点是可以从外部发现罐体内部的腐蚀坑等缺陷,而且不需要对罐体表面进行打磨处理,适用于罐体在线检测,而罐体在线检测是目前用户最急需的方法,它可以减少不必要的停工,降低了检验成本。另外,漏磁检测还能探知缺陷的某些特征尺寸,如深度和长度等[3]。
漏磁检测应用于罐体较多的是在线检测。运用容器外壁的漏磁检测技术,分析容器壁内的缺陷情况,尤其是内表面腐蚀的严重性及其分布情况。此外,漏磁检测还可用于无人孔等停车检验时无法进行内检的移动式压力容器的缺陷检测。目前对于无法进行内部检验的设备除采用内窥镜观察外,没有很好的检验手段,况且由于内表面介质的覆盖无法清理等原因可能无法对内表面的状态进行有效观察。漏磁检测可用于表面带油漆层情况下的扫描检测,而且从外部可测出内壁存在的腐蚀坑大小和深度,从而降低了由于非必要停车和打磨而增加的检验成本,同时也减轻了劳动强度。在线漏磁检测可从总体上了解罐体内表面状态和缺陷的分布情况,对重点设备和重要部位的漏磁检测结果,可存档作为一种定期抽查的参照依据,以预测罐车壁厚减薄的速率,确保设备能安全地运行到下一个检验周期。
2.6 罐车的整体声发射检测
随着国家标准GB/T 18182《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》的颁布实施,以及计算机及电子仪器技术的发展,声发射技术越来越多地应用到在用压力容器的检测中。在整体监测和活动性缺陷的评价方面,声发射技术有着其独特的优势。罐车的罐体同样可以采用声发射检测技术进行缺陷的严重性评定,对缺陷实现精确定位。声发射检测特点是必须在检测过程中对压力容器进行加载,常用的加载方法为压力容器停止运行后进行的水压或气压试验,也可直接用工作介质进行加载。对活动性缺陷,在加载过程中用多个声发射传感器对压力容器壳体进行整体监测,以发现活性声发射源并进行定位,然后用磁粉和超声等方法对活性声发射源进行表面和埋藏缺陷检测,排除干扰源,发现压力容器上存在的真正缺陷。对已知缺陷进行活动性监测,判断已知缺陷在给定的操作条件下是否有扩展的趋势,也是声发射技术的主要应用之一,为罐体的安全性评价提供科学依据。
3 结论
在汽车和铁路罐车的制造和使用过程中,无损检测技术在保证其质量和安全运行中扮演了极其重要的角色。对于原材料,即钢板以超声波检测为主;对于制造过程,罐体的对接焊缝以射线照相或超声检测为主,人孔、补强板和接管的角焊缝以磁粉和渗透检测为主;对在用过程中的全面检验,罐体角焊缝和内表面的对接焊缝以表面检测为主,有特殊情况时进行焊缝的射线和超声抽查。随着检测技术的发展和仪器的开发,漏磁、磁记忆和声发射检测等自动化程度提高,对被检对象要求低并可实现在线监测的技术越来越广泛地应用到罐车的检验过程中,为此类罐车的安全运行提供新的可靠的检测手段。
参考文献:
[1] 张万岭,沈功田.压力容器无损检测———换热器的无损检测技术[J].无损检测,2005,27(6):308-312.
[2] 李光海,刘时风,沈功田.压力容器检测中磁记忆检测技术[J].无损检测,2004,26(11):570-574.
[3] 李光海,刘时风,沈功田.漏磁检测技术在压力容器检验中的应用[J].无损检测,2004,26(12):638-642.
作者:焦阳 李光海