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压力容器无损检测——低温压力容器的无损检测技术

文档作者：沈功田张万岭王勇文档来源：中国特种设备检测研究中心		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NDT 无损检测
　　2005 年第27 卷第11 期
压力容器无损检测
———低温压力容器的无损检测技术
沈功田,张万岭1) ,王　勇
(中国特种设备检测研究中心,北京　100013)
摘　要:低温压力容器在液化气体储存和运输中得到广泛使用。综述了低温压力容器在制造
和使用过程中可能出现的缺陷和分别采用的各种无损检测方法。这些方法包括射线、超声、磁粉、
渗透、脉冲涡流、目视和泄漏检测等,并介绍低温压力容器无损检测方法的特点。
关键词:射线检测;超声检测;磁粉检测;渗透检测;涡流检测;目视检测;泄漏检测;压力容器
　　中图分类号: TG115. 28 　　　文献标识码:A 　　　文章编号:100026656 (2005) 1120592204
Nondestructive Testing of Pressure Vessels :
Nondestructive Testing Technique for Cryogenic Pressure Vessels
SHEN Gong2tian , ZHANGWan2ling 1) , WANGYong
(China Special Equipment Inspection and Research Center , Beijing 100013 , China)
Abstract : Cryogenic pressure vessels are extensively used in storage and t ransportation of liquefied gas. The
defect s possibly emerged in cryogenic pressure vessels and the nondest ructive testing (NDT) methods applied during
fabrication and using were reviewed , including radiographic testing (RT) , ult rasonic testing (U T) , magnetic particle
testing (MT) , penet rant testing ( PT) , pulsed eddy current testing ( PET) , visual testing (VT) and leak testing
(L T) . The characteristics of the NDT methods for cryogenic pressure vessels were also int roduced.
Keywords :Radiographic testing ; Ult rasonic testing ; Magnetic particle testing ; Penet rant testing ; Eddy current
testing ; Visual testing ; Leak testing ; Pressure vessel
　　低温压力容器是压力容器的常见形式之一,主
要用于液氧、液氮、液氩、液氢、液化二氧化碳、液化
天然气和其它液化气体的储存与运输。目前国内与
低温压力容器设计、制造、使用和检验有关的主要安
全技术规范和标准有原国家质量技术监督局1999
年颁布的《压力容器安全技术监察规程》、原劳动部
1994 年颁布的《液化气体汽车罐车安全监察规程》、
国家质量监督检验检疫总局颁布的TSG R7001 —
2004《压力容器定期检验规则》、GB 150 —1998《钢
制压力容器》、GB 18442 —2001《低温绝热压力容
器》、GB/ T 18443 —2001《低温绝热压力容器试验方
法》、HG 20585 —1998《钢制低温压力容器技术规
定》和JB/ T 4730 —2005《承压设备无损检测》。
GB 150 标准规定,设计温度≤- 20 ℃的压力容
收稿日期:2005210208
1) 河北大学质量技术监督学院,河北保定　071051
器为低温容器。《压力容器安全技术监察规程》将移
动式低温压力容器按设计温度的不同又划分为低温
型和深冷型两种,设计温度为- 20～ - 70 ℃的为低
温型,设计温度< - 150 ℃的为深冷型。在高压下二
氧化碳的液化温度为31～ - 78 ℃,因此其储存和运
输通常采用低温型容器。如表1 所示,在常压下氧
和氮等常用气体的液化温度均< - 160 ℃,因此储存
和运输这些液化气体的压力容器为深冷型。
由于低温容器内介质的温度非常低,因此其结
构形式必须满足保温要求。一般低温型容器的罐体
表1 　常用工业气体的液化温度℃
气体名称液化温度气体名称液化温度
氧- 183 氢- 253
氮- 196 天然气- 162
氩- 186 氦- 268. 8
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沈功田等:压力容器无损检测———低温压力容器的无损检测技术NDT 无损检测
2005 年第27 卷第11 期　
为单层结构,保温采用堆积绝热式,即在罐体的外部
覆盖保温层,该形式的低温压力容器可设人孔,定期
检验时可打开进行内部检验;深冷型容器的保温形
式一般采用真空粉末绝热式或高真空多层绝热式,
罐体结构采用夹套式,即内部一个承压内胆,外部一
个承受真空负压的夹套,夹层空间内填充多孔性微
粒绝热材料或多层防辐射材料。由于深冷型容器的
真空夹层结构,因此罐体一般不设人孔,其内胆为全
寿命设计,定期检验时无法进行无损检测。
低温容器的工作压力一般不太高,液化二氧化
碳约为2 MPa ,其它液化气体一般≯1 MPa 。下面
根据低温压力容器制造和使用的特点,综述在不同
阶段采用的各种无损检测技术的特点。
1 　制造过程中采用的无损检测技术
1. 1 　原材料的无损检测
与常温和高温压力容器相比,低温压力容器对
原材料要求的最大不同是低温容器受压元件均需进
行低温夏比(V 形缺口) 冲击试验。低温容器的壳体
材料常用低合金钢和不锈钢钢板,在特定条件下应
逐张进行超声检测,钢板的超声检测方法和质量标
准按JB 4730 标准的规定进行,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白点、裂
纹和分层等缺陷。需逐张进行超声检测的具体条件
为, ①厚度≥20 mm 的钢板,质量等级应≮Ⅲ级。
②调质状态供货的钢板,质量等级应≮Ⅱ级。
钢板超声检测选用纵波直探头,6～20 mm 厚
钢板需选用晶片面积≮150 mm2 的5 MHz 双晶直
探头,检测用试块为台阶标准试块;20～250 mm 厚
钢板需选用圆晶片直径为< 14～25 mm ,或方晶片
面积≮200 mm2 的2. 5 MHz 单晶直探头,检测用试
块为< 5 mm 平底孔标准试块。
1. 2 　对接焊缝的射线和超声检测
低温容器壳体的对接焊缝易出现气孔、夹渣、未
熔合、未焊透和裂纹等焊接缺陷,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
用射线或超声检测方法,对焊缝的表面缺陷采用磁
粉或渗透检测方法。
由于深冷型低温容器的壳体为夹层式结构,且
无人孔,投入使用后无法检验其内部的承压壳体,因
此低温容器焊缝的无损检测要求比常温容器要严格
得多。GB 150 标准规定,凡符合下列条件之一的对
接接头,应按图样规定的检测方法,进行100 %射线
或超声检测。具体条件有, ① 容器设计温度
< - 40 ℃。②如容器设计温度≥- 40 ℃,钢材厚度
δs > 25 mm。③标准抗拉强度下限值σb > 540 MPa
的钢材。④进行气压试验的容器。⑤图样注明盛
装毒性为极度危害或高度危害介质的容器。
对于进行100 %射线或超声检测的焊接接头,
是否采用超声或射线检测进行相互复检以及复检长
度,由设计者在图样上予以规定。
上述规定以外的焊接接头,允许作局部射线或
超声检测。具体检测方法按图样规定。检测长度不
得小于各条焊接接头长度的50 % ,且≮250 mm ,以
下部位必须全部进行检测,即① 焊缝的交叉部位。
②先拼版后成形的凸形封头上所有拼接接头。
③被补强圈、支柱、垫板和内件等覆盖的焊接接头。
④以开孔中心为圆心,1. 5 倍开孔直径为半径的圆
内所包含的焊接接头。⑤公称直径≮250 mm 的接
管与长颈法兰、接管与接管对接的焊接接头。
检测按JB 4730 标准进行,射线照相的质量要
求≮AB 级, 对100 %检测的对接接头,检测结果
≮Ⅱ级为合格;对局部检测的对接接头, ≮Ⅲ级为合
格。对于超声检测,100 %检测的对接接头, Ⅰ级为
合格;局部检测的对接接头, ≮Ⅱ级为合格。
射线检测设备包括X 和γ射线探伤机,一般X
射线探伤机适用于厚度< 50 mm 的钢板,75 Seγ源
检测厚度为10～40 mm ,192 Ir 为20～100 mm ,60 Co
为40～200 mm。射线检测一般采用胶片成像,但
由于许多低温罐车或罐式集装箱为标准化产品,一
些工厂采用X 射线实时成像系统进行检测。
超声检测方法适用于母材厚度> 8 mm 全焊透
熔化焊对接焊缝内部缺陷的检测。采用A 型脉冲
反射式超声波探伤仪, 仪器的工作频率为1 ～
5 MHz。探头一般采用2～5 MHz 斜探头,利用一次
反射法在焊缝的单面双侧对整个焊接接头进行检
测。当母材厚度> 46 mm 时,采用双面双侧直射波
检测。对于要求较高的焊缝,根据实际需要也可将
焊缝余高磨平,直接在焊缝上进行检测。检测区域
的宽度应是焊缝本身加上两侧各相当于母材厚度的
30 % ,且≮10 mm。
1. 3 　磁粉与渗透检测
GB 150 标准规定,凡进行100 %射线或超声检
测的低温容器,其T 形接头、对接焊缝和角焊缝均
需进行100 %磁粉或渗透检测,受压元件与非受压
元件的连接焊缝亦需进行100 %表面检测。
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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JB 4730
标准进行,检测结果I 级合格。
1. 4 　泄漏检测
深冷型压力容器由于采用真空夹层,制造完成
后还应按GB 18442 和GB/ T 18443 标准进行封结
真空度、漏率、漏放气速率和静态蒸发率四个性能指
标的测试。
1. 4. 1 　封结真空度测量
封结真空度为低温绝热压力容器抽真空结束封
结后,在常温状态下夹层压力相对稳定时的夹层真
空度,单位为帕。
封结真空度的测量有直接测量法和间接测量法
两种。直接测量法是利用直接安装在低温绝热压力
容器上的真空计来直接测量夹层内的真空度;间接
测量法是通过安装在低温绝热压力容器上的容器真
空阀外接真空测量系统来测量真空度。采用真空粉
末绝热的压力容器,根据容器的大小,一般压力应
< (2～10) Pa ;采用高真空多层绝热的压力容器,压
力应< 3 ×10 - 1 Pa 。
1. 4. 2 　漏率测量
漏率是指单位时间内漏入真空夹层的气体量。
低温绝热压力容器漏率采用氦质谱仪测量。采用真
空粉末绝热的压力容器,根据容器的大小,一般漏率
应< (6 ×10 - 7 ～2 ×10 - 5 ) Pa ·m3 / s ;采用高真空多
层绝热的压力容器,根据容器的大小,一般漏率应
< (2 ×10 - 7 ～6 ×10 - 6 ) Pa ·m3 / s。
1. 4. 3 　漏放气速率测量
漏放气速率是指真空夹层内绝热材料和器壁表
面等在单位时间内放出的气体量。低温绝热压力容
器的漏放气速率是通过测量不同时间的真空度计算
得到的,测量真空度的方法与1. 4. 1 节一致。采用
真空粉末绝热的压力容器,根据容器的大小,一般漏
放气速率应< (2 ×10 - 5 ～6 ×10 - 4 ) Pa ·m3 / s ;采用
高真空多层绝热的压力容器,根据容器的大小,一般
漏放气速率应< (2 ×10 - 6 ～6 ×10 - 5 ) Pa ·m3 / s。
1. 4. 4 　静态蒸发率测量
静态蒸发率是指低温绝热压力容器在装载大于
一半有效容积的低温液体时,静置达热平衡后,24 h
内自然蒸发损失的低温液体质量和容器有效容积下
低温液体质量的百分比, 并换算为标准环境下
(20 ℃,101 325 Pa) 的蒸发率值。
低温绝热压力容器静态蒸发率的测量采用湿式
气体流量计或质量流量计,测定单位时间内容器中
液体挥发后通过的气体流量或质量,最后计算出静
态蒸发率,它与容积大小和气体种类有关。如采用
真空粉末绝热的压力容器,根据容器的大小,液氮的
静态蒸发率应为每天0. 08 %～1. 2 %;采用高真空
多层绝热的压力容器,根据容器的大小,液氮的静态
蒸发率应为每天0. 023 %～0. 8 %。
2 　在用过程中采用的无损检测技术
为确保压力容器的安全,需对投入运行的压力
容器进行定期检验。《压力容器安全技术监察规程》
和TSG R7001 —2004 标准规定,压力容器在用检验
分为不停止运行的年度检查和停止运行后的内外部
全面检验。年度检查每年进行一次;固定式压力容
器内外部全面检验的周期最长为6 a (年) ;移动式压
力容器内外部全面检验的周期最长为5 a 。低温压
力容器的结构形式不同,所采用的无损检测技术也
有所不同,下面分别进行介绍。
2. 1 　低温型压力容器的检测
低温型压力容器通常采用单层壳体外带保温层
的结构,而且设有人孔。其年度检验主要以宏观检
查(目视检测) 为主,必要时进行壁厚测定、壁温检
查、腐蚀介质含量测定和真空度测试等。由于外带
保温层,采用常规手段进行壁厚测定时局部打开保
温层将会破坏保温层的结构,因此很难实施;目前国
际上研究的脉冲涡流测厚技术已逐渐成熟,可对保
温层厚度< 150 mm 的钢板腐蚀状态进行检测[1 ] 。
低温型压力容器进行全面检验时,需打开人孔
从内外分别进行检验,具体内容包括宏观、保温层、
壁厚、表面缺陷、埋藏缺陷、材质、紧固件、强度、安全
附件、气密性以及其它必要的项目。低温型压力容
器内外部全面检验的重点是在运行过程中壳体、法
兰和接管受介质、载荷、温度和环境等因素的影响而
产生的腐蚀、应力腐蚀开裂及疲劳开裂等缺陷,因此
检验的方法以宏观检查、壁厚测定和表面无损检测
为主,必要时可采用超声检测、射线检测、硬度测定、
金相检验、化学分析或光谱分析、涡流检测、声发射
检测和气密性试验等。由于低温容器的检测需在其
安装使用现场进行,检测条件受限,因此,采用适于
现场应用的无损检测方法和便携式仪器。
由于全面检验所采用的各种无损检测技术在文
献[2～4 ]中已详细介绍,此处不再赘述,下面重点介
绍目视检测和带保温层钢板的腐蚀状态检测技术。
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沈功田等:压力容器无损检测———低温压力容器的无损检测技术NDT 无损检测
2005 年第27 卷第11 期　
2. 1. 1 　低温型压力容器的目视检测
目视检测主要内容有① 压力容器的铭牌、漆
色、标志及喷涂的使用证号码是否符合有关规定。
②压力容器的本体、接口(阀门、管路) 部位和焊接
接头等是否有裂纹、变形、泄漏和损伤等。③外表
面有无腐蚀,有无异常结霜和结露等。④保温层有
无破损、脱落、潮湿和跑冷等。⑤ 压力容器与相邻
管道或构件有无异常振动、响声或相互摩擦等。⑥
支撑或支座有无损坏,基础有无下沉、倾斜和开裂,
紧固螺栓是否齐全完好。⑦排放(疏水、排污) 装置
是否完好。⑧运行期间是否有超压、超温和超量等
现象。⑨ 罐体有接地装置的, 检查其是否符合
要求。
2. 1. 2 　带保温层压力容器腐蚀状态的脉冲涡流检
测技术[1 ]
脉冲涡流检测技术的原理是利用激励线圈产生
快速变化的脉冲磁场,从而在被检测物件内诱发产
生涡流,通过探测涡流的特征和持续时间可测量被
检件的厚度。涡流信号的强度依提离距离(绝缘层
厚度) 而不同,而其持续时间随着金属壁厚的不同而
变化。同时,检测信号受很多因素的影响,包括金属
材料性质(磁性和电性) 和温度的变化。该方法采用
被检件自校准,通过对比可给出其它部位厚度的当
量(百分比) 数据,其检测的精度误差约为5 %。
目前该技术已在荷兰、德国、比利时、法国、美
国、加拿大、澳大利亚和中国等国家得到推广应用。
荷兰RTD 公司于1997 年成功开发了专门适用于
带保温层铁磁性材料(低合金钢) 腐蚀状态检测的设
备(RTD - INCO TEST) ,它适于检测大面积的腐蚀
缺陷,但不能检测单个小的腐蚀坑。
利用该方法可不接触检测物体表面,检测带有
绝缘层、石棉层、防火层、沥青涂层、混凝土或其它涂
层的低合金钢管道或钢板的腐蚀状态,从而节省了
拆卸这些物体外覆盖层所要花费的高额费用。该技
术可在压力容器不停车的情况下进行检验,且适于
较大范围的气候和温度条件。
该技术的主要优点是,不用打磨被检测容器的
表面;不必去除绝缘层或涂层;可检测用铝或钢做保
温层外壳(厚度< 1 mm) 的高低温压力容器;允许被
检测物表面粗糙或结壳;允许保温层不规则或不均
匀;允许保温层内有加强作用的金属网。
该技术的缺点是,只适合于低合金钢;不能检测
小的独立的凹坑;比超声波的精度低;部件的温度会
影响检测精度;只能检测壁厚为6～65 mm 的压力
容器;不能检测管径< < 50 mm 的管道; 会受到
150 mm检测范围内障碍物的影响;不能区分外表面
还是内表面缺陷等。
2. 2 　深冷型压力容器的检测
由于深冷型压力容器采用夹套式结构,且不设
人孔,因此在目前的技术条件下,在用检验无法对内
胆进行测厚和无损检测,只能采用目视检测和真空
度测定。目视检测的内容与2. 1. 1 节的要求一致;
真空度的测试,如采用真空多层式,夹层真空度应
≤1. 33 Pa , 如采用真空粉末式, 夹层真空度应
≤13. 3 Pa ,否则需重新抽真空。
3 　结论
无损检测技术在低温压力容器的制造和使用过
程中,对保证其质量和安全运行扮演着极其重要的
角色。对原材料(钢板) 以超声波检测为主;在制造
过程中,容器壳体的对接焊缝以射线或超声检测为
主,角焊缝以表面检测为主;对于在用过程的定期检
验,低温型压力容器以目视检测、测厚、表面检测和
超声检测为主;深冷型压力容器只能进行目视检测
和真空度测试。因此,今后的发展方向是开发适用
于带夹套压力容器内胆的无损检测技术和方法。
参考文献:
[1 ] 　Robers M , Scottini R. Pulsed eddy current in corro2
sion detection [ A ] . Proceedings of 8th ECNDT [ C ] .
Barcelona :2002. 251.
[2 ] 　陈　钢,沈功田. 压力容器无损检测———球形储罐的无
损检测技术[J ] . 无损检测,2005 ,27 (1) :27 - 32.
[3 ] 　关卫和,沈功田. 压力容器无损检测———塔式容器的无
损检测技术[J ] . 无损检测,2005 ,27 (3) :142 - 145.
[4 ] 　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.
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编:200437
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