焊接结构无损检测技术背景

焊接结构无损检测技术背景

多数焊接结构都是巨大工业财富的组成部分，并兼有环保对象的特点。按照美国90年代的估算，因焊接接头失效引起的经济损失高达国民生产总值的5％。因此，保证含有焊接构件装置的安全运行就成为一个富有挑战性的课题，而且要从制造、投产进而走向退役的整个工程链条中的每一个环节做起，分析影响失效的各种因素，开发出有效与可靠的检测与监控技术，实现潜在事故的早期预报，以提高焊接工程构件运行的安全性。

1. 焊接产品制造过程中引起的缺陷

焊接产品在焊接制造过程中因焊接工艺与设备条件的偏差，残余应力状态和冶金因素变化的影响，以及接头组织与性能不均匀等往往在焊缝中产生不同程度与数量的气孔、夹渣、未熔合、未焊透以及裂纹等缺陷，对其使用性能产生不利的影响。缺陷产生的几率与材料性能、焊接方法、熔池大小、工件形状和施工现场等因素有关。

1.1 车间与现场施焊接头的缺陷

一般情况下，车间的生产条件比野外现场施焊条件要好得多，因此缺陷出现的几率也比较小。在车间焊接的压力容器与管焊缝的缺陷发生率的统计值见表1。现场施焊的钢结构与球形储罐和管道缺陷的发生率的统计值见表2与表3。从表中的统计结果可以看出，现场施焊比车间焊接的焊缝缺陷发生率高，容器和钢结构等比管道焊缝的缺陷发生率低，这与各自的焊接施工条件大体上是对应的。另外也应当看到，上述结果基本上是按着质量控制标准对焊缝中的超标缺陷进行统计的。由于受到各个时期检验技术水平的限制，因此可以预见，焊缝中会含有不少所谓合格缺陷随着产品一起投入运行。

注：1. 缺陷发生率的统计值是按缺陷区或含缺陷底片长度与焊缝总长之比计算的。

2. TIG为钨极氩弧焊。

表3 现场施焊管道焊缝缺陷发生率的统计值

项目

油田管道TIG焊

封底焊条电弧焊盖

面

油田管道气体保护

焊

建筑安装管道气体保护

焊

电厂蒸汽给水厚壁管

道

缺陷发生率（％）9～16 6 5.4 6.9

1.2 焊接工艺对缺陷尺寸的影响

除了缺陷数量外，其尺寸与分布也是影响产品安全的重要参数。缺陷的尺寸与焊接方法和熔池大小有关，采用埋弧焊与电渣焊工艺焊成的焊缝，缺陷尺寸的统计结果见图1。可见，电渣焊缝的熔池大，缺陷尺寸也大。

M.G.Silk 曾经对大型化工容器焊缝中缺陷自身高度的分布状况作过统计，结果见表4。

缺陷高度/mm ＞2.5 ＞5 ＞7.5 ＞10 ＞15 ＞20 ＞25 内部缺陷110 40 16 6.5 1.0 0.2 0.03 表面缺陷14 1.0 0.06 0.005 ———

注：表中数字为第km焊缝的缺陷数。

在焊接结构制造过程中焊缝的缺陷可分为两种情况：一类属于超过标准规定的缺陷，按照技术条件的规定应对缺陷处的焊缝进行返修；另一类是不超过标准规定的缺陷，这样的缝属于合格焊缝。但是，目前焊接件的检测技术还不足以完全检出所有的缺陷，特别是细小的裂纹，于是这就给焊接件以后的运行带来了潜在的危害。表5是美国1981年统计139台运行容器事故的起因，其中制造过程中漏检裂纹约占35.3％。由此可见，不断提高焊缝的无损检测技术与设备功能是很必要的。

缺陷类型裂纹其它缺陷

引起原因蠕变等不明原因制造遗留维护不当蠕变制造遗留破坏台数27 18 48 10 1 11

2. 焊接结构服役过程中引起的裂纹

投产后的焊接结构在服役过程中有的处于高温、高压和兼有介质腐蚀的环境，有的承受疲劳、冲击及辐照等工况条件，这往往会引起材质恶化、应力变动，并产生新的裂纹，给焊接结构的安全运行带来不利影响。例如：

1) 温度与压力温度在465～570℃之间的常规电厂，其主蒸汽管线中T、Y、L形接头会出现蠕变裂纹以及焊缝区的石墨化现象。工作温度在350～450℃之间的热壁加氢容器要经受母材与焊缝回火脆化倾向的影响。

2) 应力腐蚀在尿素生产装置中，液氨贮罐会出现应力腐蚀裂纹，特别是液氨的含水量（质量分数）＜0.08％时更加严重。在石油加工系统中硫化氢体积分数大于5×10-3％，焊缝硬度大于240HV时也会引起应力腐蚀裂纹。

3) 中子幅照脆化在反应堆压力容器的活性区，焊缝金属会呈现中子幅照脆化现象，特别是焊缝中含铜高时更加严重。

4) 焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳裂纹是常见的，特别是低周疲劳裂纹常发生在桥梁构件、采油平台节点与高层钢结构建筑物上。

裂纹的萌生与扩展是导致焊接结构最终破坏的主要原因之一。因此，加强焊接产品运行过程中的在役检查是防止裂纹发展到临界尺寸的有效措施。

3. 焊接产品运行中的失效

焊接产品制造过程中遗留的缺陷与运行中发生的裂纹都在不同程度上对其

失效产生影响。以压力容器和管道为例，众所周知，在石油化工与电力工业中运行的压力容器和管道是具有开裂、泄漏和爆炸危险的设备。一旦发生破裂或泄漏，往往会并发为火灾或中毒，从而导致灾难性事故。为探索失效的宏观规律，国内外都进行了很多统计研究，借以得出防止容器失效的重点部位和有效途径，结果摘要如下。

3.1 欧美对压力容器和管道失效的统计

统计结果表明，容器投产初期失效率偏高。这是由于制造过程误差引起的。在其寿命的末期也会因材质恶化与裂纹的扩展等因素促成失效率再次升高。按照事故引起的后果，通常可把失效的类型划分为以下三种：

1) 非危险性失效容器的压力边界局部恶化或有裂纹，也可能产生少量泄漏但最终不会导致临界裂纹尺寸的出现。

2) 潜在性灾难失效容器上的裂纹可能扩展到临界尺寸，如果不采取补救措施就可能发展成为灾难性失效。

3) 灾难性失效容器壳体、封头、接管等破裂，并伴随有大量介质外流。

按照上述分类，各国对容器与管道失效的统计结果如下：

（1）英国对压力容器失效的统计

英国压力容器规范不是强制执行的，是由用户和业主之间的规定体现的。英国的Smith等人对1962～1978年间229起压力容器与管道的失效原因与工况条件的统计分析结果见表6。