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压力容器无损检测磁粉检测技术

文档作者：姚力胡学知范吕慧文档来源：中国空气动力研究与发展中心		点击数：	更新时间： 2021年08月17日
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压力容器检测
专题论坛
压力容器无损检测
　———磁粉检测技术
姚　力,胡学知1) , 范吕慧2)
(中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳　621000)
摘　要:对压力容器原材料、压力容器制造和使用过程中采用的磁粉检测技术的应用现状、行
业特点和发展趋势等进行了综述。对磁化方法和检测工艺进行了介绍。
关键词:磁粉检验;压力容器;材料;制造过程;使用过程
　　中图分类号:TG115. 28 　　　文献标识码:A 　　　文章编号:100026656 (2004) 0620302205
NONDESTRUCTIVE TESTING OF PRESSURE VESSELS :
MAGNETIC PARTICLE TESTING
YAO Li , HU Xue2zhi 1), FAN Lu2hui 2)
(China Aerodynamic Research and Development Center , Mianyang Sichuan 621000 , China)
Abstract : The application status , industry characteristics and development trend of magnetic particle testing used in raw
material inspection , fabrication inspection and in service inspection of pressure vessels were summarized. The magnetization
methods and inspection techniques were introduced.
Keywords :Magnetic particle testing ; Pressure vessel ; Material ; Fabrication process ; Use process
　　由于压力容器的使用条件恶劣,原材料中存在
的缺陷、制造过程中遗留的缺陷或使用中产生的新
生缺陷,均会导致其安全可靠性大幅下降,甚至产生
灾难性的后果。已有的统计数据表明,在原材料中
存在的与制造过程中产生的缺陷有70 %以上是表
面缺陷,而在使用中产生的缺陷有90 %以上是表面
缺陷或由表面缺陷导致的缺陷[1 ] 。断裂力学分析表
明,表面和近表面缺陷的当量尺寸比埋藏缺陷大一
倍,故其对压力容器安全性的影响至关重要。磁粉
检测对表面缺陷有很高的检测灵敏度、准确性和可
靠性,是最常用、最直观、最经济方便的常规无损检
测方法之一。这使得压力容器的磁粉检测具有十分
重要的作用。
1 　应用现状及特点
对压力容器行业而言,应用磁粉检测技术的目
收稿日期:2004203231
1) 陕西航空工业压力容器检测站,陕西西安　710077
2) 中国第二重型机械集团公司质量部,四川德阳　618013
的通常是为了保证产品质量、保障使用安全、改进制
造工艺和降低生产成本。其主要作用是在不损伤铁
磁性工件的前提下,检出表面和近表面缺陷,以满足
压力容器设计中强度等方面的需要。从该意义上
讲,压力容器领域的磁粉检测技术属于应用型的无
损探伤技术。在以铁磁性材料为主的压力容器原材
料验收、制造安装过程质量控制与产品质量验收以
及使用中的定期检验与缺陷维修监测等几个阶段
中,磁粉检测技术均得到了广泛应用。相关法规也
明确要求铁磁性材料的压力容器表面检测应优先选
用磁粉检测。为防止事故和保障安全,压力容器的
磁粉检测通常按行业相关规程、标准规定和设计文
件要求等进行。
1. 1 　原材料检验[2 ]
在原材料方面,磁粉检测的作用是控制材料的
质量和降低成本。按设计要求等,检测范围涉及板
材、棒材、管材、锻件及铸件等,包括毛坯件及半成品
(钢坯、铸件和锻件) 。主要检测缺陷包括发纹、分
层、裂纹、白点、折叠、冷隔、疏松、夹杂及气孔等。
·302 ·
第26卷第6期
2 0 0 4 年6 月
无损检测
NDT
Vol . 26 　No . 6
June 　2 0 0 4
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
典型的检测方法是,对棒材和管材采用固定式
磁化设备进行轴向通电法和线圈法磁化,湿法探伤;
对较大型的铸锻件等可采用磁轭法及触头法磁化,
湿法或干法探伤。
1. 2 　制造检验
在压力容器制造、安装和产品验收中,磁粉检测
的主要作用是控制焊接质量,保障使用安全。对于
磁粉检测的范围,钢制压力容器需按有关技术法规、
标准及相应设计图样规定。检测范围包括对接焊
缝、角焊缝、T 形接头,复合钢板的复合层焊缝,堆焊
表面,接管与长颈法兰及接管与接管的对接焊缝,修
磨或补焊处的表面及卡具和拉筋等拆除处的焊痕表
面,堆焊复合管板基层材料的待堆焊面和复合材料
加工后(钻孔前) 的表面,管板角焊缝,支柱与球壳连
接处的角焊缝表面,非受压件与容器的连接焊缝,火
焰切割且淬硬性较大的高强钢或合金钢材料的坡
口,超高压容器筒体表面,以及焊疤和紧固螺栓等的
表面和缺陷清除表面等。主要检测的缺陷有裂纹、
未焊透、未熔合、气孔、夹渣、分层和发纹等。
典型的检测方法有,对母材和焊缝等,多采用磁
轭法或交叉磁轭法,有条件也可采用触头法磁化,水
基或油基磁悬液湿法探伤;对坡口和钝边,采用触头
法或交叉磁轭法磁化,湿法探伤;对螺栓和钢管等,
多采用固定式磁粉探伤机,线圈法和轴向通电法磁
化,油基或水基磁悬液湿法探伤,或荧光磁悬液湿
法,剩磁法探伤;对焊接过程中的层间检验常采用干
粉法探伤;对超高压容器的筒体(如人造水晶高压釜
釜体) 可采用中心导体法探伤。
1. 3 　在用检验
主要用于压力容器的在役维修、定期检验及在
线监护监测等方面,目的是保障使用安全及预防事
故发生。压力容器在运行过程中受介质、压力和温
度等因素的影响而产生的缺陷主要有腐蚀、冲蚀、应
力腐蚀开裂和疲劳开裂等。重点检测部位包括,标
准抗拉强度下限值σb > 540MPa 材料的焊缝;铬2钼
(Cr2Mo) 低合金钢制容器的焊缝;介质有应力腐蚀倾
向容器的焊缝和其它有怀疑的焊缝; 应力集中、变
形、异种钢焊接、补焊和成形不良的部位,卡具焊迹
和易产生裂纹的部位以及高强螺栓等;投入使用后
首次检验、对应力腐蚀敏感材料、升卸压频繁或压力
波动较大容器的内表面焊接接头以及强腐蚀介质中
的换热容器管子管板焊接接头等。
由于绝大部分在用压力容器的检测均在安装、
使用和维修的现场进行,受检测条件的限制,多采用
适于现场应用的技术和便携式的设备器材等。典型
的检测方法是,针对焊缝采用磁轭或交叉磁轭法磁
化,水基磁悬液湿法探伤;针对焊缝层间检验采用磁
轭或触头法磁化,干粉法探伤;针对高强钢、裂纹敏
感材料和可能发生应力腐蚀裂纹的工件采用荧光法
探伤等。在用工件的磁粉检测通常应在去除表面涂
层、进行表面清理后或超声波检测前进行。
2 　技术标准现状
目前,国内大部分压力容器企业均以国家和行
业标准为生产准则。压力容器行业的磁粉检测标准
为JB 4730 —1994《压力容器无损检测》,其为强制性
行业标准,在压力容器行业的设计、选材、制造、安
装、使用、检验和修理过程中的检测要求均按该标准
执行。随着无损检测技术和压力容器行业的发展,
对于JB 4730 的修订正在进行中,按JB 4730 (送审
稿) 的编制说明,其修订主要根据国内多年的研究成
果和应用经验,参考美国ASME 第Ⅴ篇和日本J IS 标
准规范以及行业反馈意见进行,适用范围扩大为锅
炉、压力容器和压力管道,主要增加和修改内容包括
多向磁化、中填充线圈法、对高强钢及裂纹敏感材料
使用荧光磁粉检测的要求、对标准试片和试块的类
型规格的规定、磁轭提升力指标的要求以及在用设
备检测等相关内容。
现行压力容器磁粉检测相关标准有JB 4730 —
1994《压力容器无损检测》、GB/ T 12604. 5 —1990《无损
检测术语　磁粉检测》、GB/ T 15822 —1995《磁粉探伤
方法》、JB/ T 6061 —1992《焊缝磁粉检验方法和缺陷磁
痕的分级》、JB/ T 6063 —1992《磁粉探伤用磁粉　技术
条件》、JB/ T 6065 —1992《磁粉探伤用标准试片》、JB/ T
6066 —1992《磁粉探伤用标准试块》、JB/ T 8290 —1998
《磁粉探伤机》、JB/ T 6870 —1993《旋转磁场探伤仪技
术条件》、JB/ T 7411 —1994《电磁轭探伤仪技术条件》
以及GB/ T 16673 —1996《无损检测用黑光源(UV2A) 辐
射的测量》。
以上标准已基本形成了较为完整的标准体系。
现正在进行部分标准的修订和复审,一方面使检测
方法和工艺逐步完善,另一方面又逐步与国外相关
标准的内容接轨。
3 　主要磁化方法和磁化规范
3. 1 　磁轭法和交叉磁轭法
在压力容器制造和在用检验中,以焊缝检测为
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姚　力等: 压力容器无损检测———磁粉检测技术
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主,一般采用便携式磁轭探伤仪,其结构简单、重量
轻、使用方便,在压力容器行业得到最广泛的应用,
甚至有“磁轭打天下”的说法。
磁轭法采用单关节和多关节磁轭纵向磁化工
件,适用于大型工件的局部检测,如对接焊缝、角焊
缝、筒体钢板母材及坡口等的检测。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,适用于对
接焊缝、母材、坡口及大口径筒体封头等局部检测。
JB 4730 标准规定条件允许时可使用该方法。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,故在低碳钢和低合金钢焊缝的制造和在用检
验中得到了广泛应用。采用旋转磁场磁化工件常用
完全连续磁化法。其磁轭的行走速率一般应为2～
3m/ min ;磁极端面与工件表面的间隙越小越好,一
般≯1. 5mm;检验部位的方向一般限于向下和斜向
下;磁悬液喷洒应使磁粉有足够时间聚集,并避免冲
刷已形成的磁痕;观察磁痕应及时进行[3 ] 。
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200mm时,交流电磁轭至少应有44N 的提升
力,直流电磁轭至少应有177N 的提升力,其磁极间
距应控制在50～200mm ,但其有效磁化区域规定为
两极连线两侧±50mm 区域, 两次检测时应重叠
15mm;对于交叉磁轭,其提升力要求≮88N。
3. 2 　触头法
触头法作为周向磁化方法,也适用于大型工件
的局部检测,包括坡口、焊缝层间、电弧气刨面、铸锻
件材料及无法在固定式设备上进行探伤的大型结构
和工件等的检测。触头法通常使用便携式或移动式
探伤设备,其特点是电极间距及磁化规范可调,但也
须在同一部位至少作两次相互垂直的独立检测,效
率不高,且易造成漏检。由于存在电流的导入,可能
产生过热、起弧或烧伤工件,对于热处理后的焊缝及
有淬硬倾向材料制造的压力容器等需限制使用。当
触头法用于坡口和焊缝层间检测时,应在操作时注
意保持触头与工件表面的良好接触后再通电磁化,
并在关闭电源后再拿开触头,以免烧伤工件。有些
材料或特殊用途的容器禁止使用铜触头。
触头法磁轭的磁化规范可根据灵敏度试片来确
定。其磁极间距应控制在75～200mm。磁化电流的
选取应保证在一定范围内灵敏度达到要求,工件厚
度< 20mm 时为3 ～ 4 倍间距的范围, 工件厚度
≥20mm时为4～5 倍间距的范围。
3. 3 　轴向通电法或中心导体法和线圈法
对于制造螺栓螺母的棒材、抽样检验钢棒和钢管
原材料缺陷状况的塔形试验件、无缝钢管和螺栓等轴
类零件、法兰、凸圆及圆筒等,常用固定式或移动式设
备进行轴向通电法或中心导体法周向磁化和线圈法
纵向磁化进行检测。对现场的管状工件,也常用电焊
机电缆缠绕工件的绕电缆法或线圈法进行纵向磁化,
用直接通电法或中心导体法进行周向磁化。
轴向通电法或中心导体法和线圈法的磁化规
范,可由JB 4730 标准规定的经验公式计算确定。
3. 4 　复合磁化法
复合磁化为同时在被检工件上施加两个或两个
以上方向的磁场,其中一个必然是交流磁场,合成磁
场的方向在被检区域内随着时间变化,一次磁化就
能检出各种取向的缺陷。其主要优点是灵敏可靠,
检测效率高。在管板焊缝的检测中应用效率高。手
提式复合磁化磁粉探伤仪用于集箱管子接头角焊缝
等的检测,提高了可靠性,效率更是提高10 倍以上。
3. 5 　平行电缆法
平行电缆法可用于较长尺寸的角焊缝等的检
测,其优点是可用交流弧焊机替代专门的磁粉检测
电源进行检测。但其磁化规范不能准确控制,只能
采用灵敏度试片来确定。
3. 6 　直流磁化法和交流磁化法
由于集肤效应、焊缝表面磁场强度和分布规律、
磁粉的振动有利于其迁移以及退磁等原因,交流磁
化和整流磁化对表面缺陷的检测效果通常优于直流
和永久磁铁(磁轭) 磁化,其应用范围更广泛。如充
电式电瓶的直流磁轭探伤仪,虽然提升力指标远大
于188N ,但针对表面缺陷的检测,其效果仍远差于
交流磁轭探伤仪。
4 　主要检测工艺
4. 1 　湿法和干法
湿法检测灵敏度较高,特别适于检测如疲劳裂纹
类的细微缺陷,多采用连续法非荧光磁粉湿法(油或
水悬液) 检测。而干粉法与磁轭法或触头法相配合,
常用于大型铸锻件毛坯及大型结构件焊缝的局部检
测。对较高层间温度下进行的焊缝层间检验,常采用
干法,干磁粉颜色可选用较高对比度的蓝、灰或红色;
对于300～400 ℃的高温,可使用特制的高温磁粉[4] 。
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姚　力等: 压力容器无损检测———磁粉检测技术
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4. 2 　荧光法和非荧光法
由于压力容器制造、安装和在用检验工况环境
等因素的影响和限制,非荧光法的应用远比荧光法
广泛。常用非荧光法的磁粉为黑色(Fe3O4) 和红褐
色(γ2Fe2O3) 磁粉等。当工件油污等已被有效清洗
或对工件锈蚀无特殊要求时,成品磁膏现场配制的
黑磁粉水基磁悬液因方便经济并能满足检测灵敏度
的要求,而得到广泛使用。
由于荧光法具有对比度高、灵敏度高、适于暗处
和空间狭窄部位、成本低、视觉疲劳小、劳动强度低
和环境污染小等优点,在国外得到广泛应用。近年
来国内压力容器行业荧光磁粉的应用也逐步增加,
针对灵敏度要求高的关键工件和受力部位应要求采
用荧光法检测。
4. 3 　系统综合灵敏度校验
由于使用简单、携带方便而且能满足压力容器
现场检测的需要,标准试片和磁场指示器是合理选
择磁化规范及进行系统综合灵敏度校验的快速、直
观和有效的方法,相对于采用霍尔元件或场强计等
其它验证磁化规范的方法而言,应用更广泛。
标准试片是校验磁粉探伤系统综合灵敏度的工
具,能较准确地反映复杂结构工件不同部位的磁场方
向和磁场强度。标准试片用于被检工件表面有效磁
场强度和方向、有效检测区及磁化方法是否正确的测
定。常用的是中等灵敏度的A230/ 100 型标准试片。
受工件尺寸限制时,可用相当于A215/ 100 灵敏度的C
型标准试片。磁场指示器用于粗略校验表面磁场方
向、有效检测区及磁化方法是否正确,应用于连续法,
但不能用作磁场强度及其分布的定量指示。
4. 4 　水断试验
使用水基磁悬液时,由于工件表面润湿状况可
能严重影响磁悬液中磁粉的分布、运动、聚集和保
持,故必须采用具有表面活性剂的水溶液擦拭工件
表面,确保磁悬液对工件表面润湿良好,形成完整的
薄膜表面,以确保检测质量。要求每次工作前应进
行水断试验,即将水基磁悬液浇在被检工件表面上,
如磁悬液的水膜连续不断,无裸露的水断表面,表示
水基磁悬液的润湿性能良好,可以开展磁粉检测,否
则说明其润湿剂不足或清洗不足,需进一步处理。
5 　主要设备器材现状[5 ]
国内现已能够生产满足压力容器磁粉检测需要
的全系列设备的主机和附件、标准试片、试块以及相
关器材,部分厂家已取得ISO9000 系列国际质量保
证体系认证,其产品在品种和功能方面已符合相关
国际标准要求。相关的进展有:
(1) 便携式磁粉探伤仪方面
近年来,国内研制的手提式复合磁化装置可实
现大型压力容器焊缝及管板角焊缝等的一次性磁
化,并在全方位上显示缺陷磁痕方面有所创新。
近年来,多个国内外设备厂家已推出了重量轻,
适应高空作业、野外无电源和防火防爆现场检测的
电瓶充电式磁轭探伤仪,其检测效果与永久磁铁探
伤仪相近。
为方便用户,仪器厂将角焊缝磁轭、多关节磁
轭、旋转磁场磁轭和磁化线圈等集合为一体,形成多
功能仪器,满足了压力容器检测的不同现场需要。
低频交流磁轭的研究和应用进一步深入发展,
现已能用于管对接焊缝等的6～8mm 深未焊透等近
表面缺陷的检测。
(2) 自动化检测装置方面
多个厂家已有微机控制的自动化固定式磁粉探
伤机供应,可进行上下工件、磁化、喷液、检测和退磁
等工序的程控化,在小型锻件、螺栓件和管材等部件
的检测中取得良好效果。移动式半波直流探伤机作
为检查压力容器多层焊缝的专用设备,对皮下缺陷
有较高的检测灵敏度。
(3) 相关器材方面
适用于压力容器现场检测的磁膏和反差增强
剂、浓缩磁悬液、全粉型复合荧光磁粉和荧光磁粉探
伤磁悬载液以及照度计、紫外辐射计、场强计和标准
试片等辅助器材已逐步齐全完善,部分产品的质量
已符合相关国际标准的要求。
6 　技能培训与技术交流
压力容器磁粉检测人员的技术素质和业务水平
对于保证压力容器的安全运行十分重要,受到了各
级政府部门和各行业部门的高度重视。国家质量监
督检验检疫部门归口管理、培训和考核对压力容器
磁粉检测质量控制和人员素质的提高十分有益。
1987 年以来,全国锅炉压力容器无损检测人员资格
鉴定考核委员会组织编写的《磁粉检测》培训教材多
次修改再版,促进了压力容器磁粉检测技术的应用
和人员水平的提高。开展压力容器磁粉检测技术交
流的途径包括以《无损检测》和《无损探伤》杂志为代
表的专业学术刊物、全国无损检测学术年会、全国表
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姚　力等: 压力容器无损检测———磁粉检测技术
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面探伤技术年会及其它各类学术交流会议等。
7 　主要研究和应用
在压力容器磁粉检测技术及其相关领域,近年
来部分相关应用研究的进展有:
(1) 在相同的检验概率下,磁粉检测比渗透检
测能检出深度更小的缺陷,对同一缺陷磁粉检测的
检出率较高[6 ] ;对在用压力容器焊缝表面用化学除
漆剂除漆、水基磁悬液磁轭法工艺进行磁粉检测的
数据进行统计分析证实,其以个数计的缺陷检出率
达98. 3 % ,在95 %置信度下的检出率> 90 % ,从而
证明磁粉检测是一种可靠、有效的检测方法[7 ] 。
(2) 部分试验表明[8～10 ] ,一定厚度的涂层(0. 25
～0. 5mm) 不影响A 型试片的有效检出;但对实际现
场容器上厚度< 0. 1mm 涂层下的弧坑裂纹进行独
立检测,仍不能保证其有效检出。
(3) 低频磁轭磁化装置已能发现距被检表面
6mm深的缺陷[11 ] ,可有效检出深度达6～8mm 的根
部未焊透等缺陷,具有广阔的应用前景。
(4) 对不同表面状况下水磁悬液的检测灵敏度
试验表明,在母材表面状况良好、不修磨焊缝表面的
情况下,使用反差增强剂加黑磁粉检测工艺,对表面
和近表面缺陷的检出率和分辨力能满足国内现行标
准验收条款的要求[12 ] 。
(5) 磁悬液浓度对探伤结果影响的试验表明,
磁粉检测灵敏度不随磁悬液浓度单调上升,而受磁
悬液浓度、表面粗糙度和磁化规范的共同影响[13 ] 。
(6) 对电磁轭指标的研讨分析表明,提升力是
考核直流、整流和交流电磁轭性能的主要指标;灵敏
度试片法是保证电磁轭探伤灵敏度的一种简易、可
靠的考核指标和手段;其影响因素除包括磁感应强
度和截面积以外,磁轭的材质(磁导率和电导率) 及
其与工件的接触间隙(接触不平度) 等均不可忽视。
8 　发展趋势和亟待解决的问题
(1) 完善行业标准　JB 4730 标准中,关于磁化
方法、磁化规范的确定、磁化电流、评定等级划分、水
断试验和灵敏度校验时机等,与其它行业标准相比
均不够完善,存在一定差距。作为压力容器磁粉检
测的行业标准,对检测质量控制和先进技术的推广
应用等的影响和作用较大,行业标准的修改、完善、
拓展及与国际标准接轨等均十分重要。
(2) 向无损评价发展　为适应压力容器技术和
无损检测技术的发展,满足质量控制、损伤容限设计
和断裂安全评定的需要,应对压力容器领域开展磁
粉定量检测、检出率可靠性研究等有针对性的工作,
努力使磁粉检测技术适应材料使用安全评估或在用
设备安全评定的需求,而不仅是停留在探伤阶段。
(3) 扩大适用范围　随着国家特种设备管理范
围的发展变化,压力容器磁粉检测应吸纳相应技术,
扩大适用范围,满足包括锅炉、压力容器、压力管道
和气瓶等特种设备的原材料、制造、安装和使用过程
中的实际检测需要。如开展复合磁化技术和低频磁
化技术等的研究。
(4) 加快与国际接轨的步伐　引进先进设备器
材制造技术,提高磁粉检测配套器材的生产和制造
的整体水平,参考或等效采用相关国际先进标准等,
以推动行业磁粉检测技术适应我国进入世贸组织的
形势需要。
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姚　力等: 压力容器无损检测———磁粉检测技术
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

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