特种设备无损检测中超声检测技术的应用要点

特种设备（如压力容器、压力管道、起重机械等）是工业生产的“心脏”，其运行安全直接关系到人员生命与财产安全。无损检测（NDT）是保障特种设备安全的核心技术，而超声检测（UT）因具有穿透能力强、灵敏度高、对人体无害、检测成本低等优势，成为特种设备检测中应用最广泛的方法之一。但超声检测的准确性高度依赖操作规范与应用要点的把控从设备校准到缺陷评定，每一个环节的偏差都可能导致漏检或误判。本文结合特种设备的类型与检测场景，详细阐述超声检测技术的应用要点，为一线检测人员提供实操参考。

检测前的设备与耗材准备要点

超声检测的准确性首先依赖设备与耗材的合理选择。对于特种设备检测常用的A型脉冲反射式超声探伤仪，需提前校准其水平线性与垂直线性水平线性误差应≤1%，保证缺陷位置计算的准确性；垂直线性误差≤5%，确保缺陷定量的可靠性。例如，检测厚度20mm的压力容器钢板时，需用标准试块（如CSⅠ、CSⅡ）校准仪器的声速（钢的声速约5900m/s）与灵敏度（将试块上φ2mm平底孔的反射信号调至满屏80%）。

探头的选择需结合特种设备的材质、形状与检测部位。直探头（0°）适用于板材、锻件的内部缺陷检测，如压力容器封头的锻件检测；斜探头（角度45°-70°）多用于焊缝的横向与纵向裂纹检测，比如压力管道的环焊缝，常用45°斜探头检测横向裂纹，60°或70°探头检测纵向裂纹；双晶探头（分割式压电晶体）则适合薄壁件或小直径管检测，如DN32的不锈钢蒸汽管道，双晶探头的近场盲区小（通常≤1mm），能检测到靠近表面的缺陷。

耦合剂的选择需考虑检测环境与材质兼容性。水基耦合剂（如洗洁精、工业用自来水）成本低、易清洗，适用于常温、光滑表面的检测，如新建压力容器的焊缝；油基耦合剂（如机油、变压器油）粘度大，适用于粗糙表面或垂直面检测，如起重机械主梁的锈蚀表面；高温耦合剂（如高温润滑脂）则用于温度超过60℃的特种设备，如蒸汽管道的在线检测，避免常规耦合剂因高温蒸发失效。

此外，需准备必要的辅助工具：如钢丝刷、砂纸用于去除检测面的锈蚀与涂层；直尺、记号笔用于标记检测区域；耦合膜（塑料薄膜）用于粗糙或曲面的耦合辅助，比如铸铁压力容器的检测，耦合膜能填补表面凹坑，提高耦合效果。

检测面处理与耦合控制要点

检测面的处理是超声检测的关键环节，直接影响耦合效果与信号传递。特种设备的检测面需满足“无锈蚀、无油污、无涂层、无凹凸”的要求对于有涂层的部位（如防腐漆、镀锌层），需用铲刀或砂纸去除，厚度超过0.5mm的涂层会严重衰减超声波；对于锈蚀严重的表面，需用钢丝刷打磨至露出金属光泽，避免锈蚀层中的气泡干扰信号。例如，检测使用5年的压力管道焊缝时，需先去除焊缝表面的红锈，再用砂纸打磨至Ra≤6.3μm的粗糙度。

耦合控制的核心是保证超声波能有效传入被检工件。耦合剂的涂抹需均匀，以覆盖探头底面为宜涂抹过多会形成“耦合剂垫层”，导致超声波衰减；涂抹过少则会出现“干摩擦”，无反射信号。对于垂直或倒置的检测面（如压力容器的顶部焊缝），需用粘度大的耦合剂（如甘油），或采用“点涂法”（每隔2-3cm点涂一点），避免耦合剂流淌。

对于曲面检测面（如压力容器筒体的环焊缝、压力管道的外表面），需调整探头压力与耦合剂用量。曲面的曲率半径越小，探头与工件的接触面积越小，需增大耦合剂用量（比如涂抹成1-2mm厚的薄层），并适当减小探头压力（以探头不滑动为宜），避免探头边缘与工件碰撞产生假信号。例如，检测曲率半径R=100mm的压力容器环焊缝时，需用曲面斜探头（与筒体曲率匹配），或在常规斜探头上加装曲面楔块，提高耦合效率。

需注意，耦合剂不能与被检材质发生反应例如，检测奥氏体不锈钢特种设备时，不能用含氯离子的耦合剂（如自来水），避免材质腐蚀；检测铝合金特种设备时，不能用油基耦合剂，防止油污渗透进材质孔隙，影响后续检测或涂装。

检测工艺的制定与执行规范

超声检测工艺需依据国家或行业标准制定，常用标准包括《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》（JB/T 4730.3）、《焊缝无损检测 超声检测 技术、检测等级和评定》（GB/T 11345）。工艺文件需明确检测对象（如“φ1000mm×10mm的碳钢管式压力容器”）、检测方法（如“斜探头脉冲反射法”）、检测等级（如“B级检测，覆盖焊缝100%长度”）、验收标准（如“不允许存在大于φ3mm的当量缺陷”）。

检测面的选择需覆盖所有可能的缺陷部位。例如，压力容器的环焊缝检测，需选择焊缝两侧的母材表面作为检测面（单侧或双侧），确保探头能扫查到焊缝的整个截面；压力管道的纵向焊缝检测，需选择管道的外表面作为检测面，若外表面无法检测（如保温层未拆除），可选择内表面，但需用内穿式探头。

扫查方式的选择需结合缺陷类型与检测部位。全面扫查（探头沿检测面均匀移动，覆盖整个区域）适用于板材、锻件的检测，如压力容器封头的锻件；扇形扫查（探头绕某点旋转，角度范围10°-80°）适用于焊缝的裂纹检测，如压力管道环焊缝的横向裂纹；交叉扫查（用两个不同角度的探头扫查同一部位）适用于复杂焊缝，如压力容器的接管与筒体连接的角焊缝，交叉扫查能覆盖不同方向的裂纹。

扫查速度需控制在≤150mm/s，确保探头能捕捉到所有缺陷信号。对于重要部位（如压力容器的拼接焊缝、起重机械的主梁焊缝），需采用“重叠扫查”相邻扫查线的重叠宽度≥探头晶片宽度的10%，避免漏检。例如，用φ13mm晶片的斜探头检测焊缝时，重叠宽度需≥1.3mm，确保焊缝的每个区域都被覆盖。

检测过程中需实时记录数据：如探头的位置、角度、缺陷信号的波高、声程、水平距离与深度。记录需清晰、准确，例如“在压力容器环焊缝0°位置，用45°斜探头检测到一个缺陷，声程25mm，深度12mm，水平距离18mm，波高为满屏60%，当量φ2.5mm”，便于后续缺陷评定与追溯。

不同特种设备类型的针对性检测要点

压力容器是超声检测的重点对象，其焊缝（尤其是环焊缝与纵焊缝）的检测需注意坡口形式与探头角度的匹配。对于V型坡口焊缝（板厚10-20mm），常用45°斜探头检测横向裂纹，60°探头检测纵向裂纹；对于X型坡口焊缝（板厚＞20mm），需用双侧检测（正面与背面），确保焊缝根部的缺陷被检测到。例如，检测厚度30mm的压力容器纵焊缝（X型坡口），正面用45°探头检测，背面用60°探头检测，覆盖焊缝的整个厚度。

压力管道的检测需关注直径与壁厚的影响。小直径管（DN≤50mm）的曲率大，常规斜探头的耦合效果差，需用小晶片探头（φ6-8mm）或双晶探头，如DN40的碳钢管道，用2.5MHz、φ6mm的45°斜探头，配合耦合膜检测；厚壁管（壁厚＞20mm）则需用双晶直探头或聚焦探头，提高深层缺陷的检测灵敏度，如壁厚30mm的高温蒸汽管道，聚焦探头的焦点可调整至壁厚的1/2处，增强缺陷反射信号。

起重机械的金属结构检测需重点关注疲劳裂纹。起重机械的主梁、端梁等部位因长期受动载荷，易在应力集中处（如焊缝趾部、孔边）产生疲劳裂纹。检测时，需用斜探头沿焊缝趾部做“梳状扫查”（探头沿焊缝边缘平行移动，每次移动1-2mm），例如，桥式起重机主梁的对接焊缝，需用45°斜探头扫查焊缝趾部，捕捉疲劳裂纹的反射信号疲劳裂纹的信号通常是连续的、波高稳定的线状信号，深度一般≤5mm。

锅炉的检测需注意受热面管的氧化皮影响。锅炉的水冷壁管、过热器管长期在高温下运行，内壁易形成氧化皮（厚度可达1-3mm），氧化皮的声阻抗与钢不同，会产生强烈的反射信号，干扰缺陷检测。检测时，需用双晶探头或带延迟块的探头，将盲区调整至氧化皮厚度以外，例如，检测锅炉过热器管（壁厚4mm，氧化皮厚度2mm），双晶探头的盲区≤1mm，能绕过氧化皮检测到管内壁的缺陷。

缺陷信号的识别与假信号排除

缺陷信号的识别是超声检测的核心，需结合信号特征与工件结构分析。点状缺陷（如气孔、夹渣）的信号特征是“尖峰状、波幅高、宽度窄”，移动探头时信号迅速消失；线状缺陷（如裂纹、未熔合）的信号是“连续状、波幅稳定、宽度适中”，移动探头时信号连续出现；面状缺陷（如分层、未焊透）的信号是“宽峰状、波幅低、长度长”，移动探头时信号持续时间长。例如，压力容器焊缝中的未焊透缺陷，信号通常出现在焊缝根部（深度等于板厚的1/2-1/3），波幅稳定，长度与焊缝宽度一致。

假信号的排除是确保检测准确性的关键。常见的假信号包括耦合假信号（因耦合剂不足或有气泡产生，信号特征是“不稳定、波幅低、位置不固定”）、表面假信号（因检测面凹凸或涂层产生，信号特征是“靠近始波、波幅高、移动探头时信号位置不变”）、材质假信号（因材质不均匀或晶粒粗大产生，信号特征是“杂乱无章、波幅低、分布广”）。例如，铸铁压力容器的检测中，材质假信号较多，需用高频率探头（5MHz）或聚焦探头，提高信号的信噪比。

对于疑似缺陷信号，需用“四点法”验证：即移动探头至信号最髙点，标记探头中心位置；然后向前后左右移动探头，找到信号消失的四个点，若四个点围成的区域与缺陷特征一致，则为真实缺陷；若区域不规则或信号消失快，则为假信号。例如，检测压力管道焊缝时，若某信号在探头移动1mm后消失，则为耦合假信号；若信号在移动5mm后仍存在，则为真实缺陷。

此外，需结合工件的加工工艺分析信号来源。例如，压力容器的封头锻件检测中，若信号出现在锻件的中心区域，可能是锻造时的缩孔；若信号出现在边缘区域，可能是锻造时的折叠。压力管道的焊接焊缝中，若信号出现在坡口边缘，可能是未熔合；若出现在焊缝根部，可能是未焊透。

缺陷定位与定量的实操技巧

缺陷定位需通过超声探伤仪的水平线性与探头角度计算。对于直探头检测，缺陷深度（d）=声速（c）×脉冲传播时间（t）/2，例如，钢的声速5900m/s，脉冲传播时间4μs，则缺陷深度=5900×4×10^-6/2=0.0118m=11.8mm。对于斜探头检测，缺陷的水平距离（l）=声程（s）×sinθ，深度（d）=声程（s）×cosθ（θ为探头折射角），例如，用45°斜探头检测，声程30mm，则水平距离=30×sin45°≈21.2mm，深度=30×cos45°≈21.2mm。

缺陷定量需依据标准试块的反射信号对比。对于点状缺陷，用“当量法”计算：将缺陷信号的波幅与标准试块上φ2mm、φ3mm平底孔的信号对比，若缺陷波幅等于φ2mm平底孔的信号，则当量直径为φ2mm；若波幅高于φ2mm但低于φ3mm，则用插值法计算（如波幅为φ2mm的150%，则当量直径≈φ2.5mm）。对于线状缺陷，用“长度法”测量：移动探头至信号出现与消失的位置，两点间的距离即为缺陷长度，例如，焊缝中的裂纹信号，从100mm位置出现，到120mm位置消失，则缺陷长度为20mm。

缺陷的评定需依据特种设备的标准。例如，压力容器焊缝的缺陷评定按JB/T 4730.3：Ⅰ级焊缝不允许存在任何缺陷；Ⅱ级焊缝不允许存在大于φ3mm的点状缺陷或长度大于10mm的线状缺陷；Ⅲ级焊缝不允许存在大于φ4mm的点状缺陷或长度大于20mm的线状缺陷。例如，检测压力容器Ⅱ级焊缝时，若发现一个φ3.5mm的点状缺陷，则该焊缝判定为不合格。

需注意，缺陷的位置对评定有影响。例如，压力容器的封头与筒体连接的角焊缝，若缺陷出现在焊缝根部（受力部位），即使缺陷尺寸小（φ2mm），也需返修；若缺陷出现在焊缝表面（非受力部位），则可按标准评定。起重机械主梁的焊缝，若缺陷出现在应力集中处（如焊缝趾部），即使长度短（5mm），也需处理，避免疲劳扩展。