压力管道无损检测与安全评估技术

1 压力管道无损检测与安全评估技术 2 概 述 压力管道广泛地应用于石油、化工、机械、冶金、轻工、航空、航天、国 防等工业部门的生产以及人民生活。压力管道是是具有爆炸危险的特种承压 设备 (特种输送设备 )，承受着高压、高温、低温、易燃、易爆、有毒或腐蚀 介质，一旦发生爆炸或泄漏，往往并发火灾、二次爆炸与中毒等灾难性事 故，造成严重的环境污染，给社会经济、生产和人民生命财产带来巨大损失 和危害。如 1998年全国燃气管道爆炸事故近 20起，死亡 20余人； 1999年 3月荆 门石化公司某聚合反应釜装置发生燃烧爆炸死亡四人； 1999年茂名石化公司 制氢装置奥氏体不锈钢管路三通和弯头氯离子应力腐蚀造成装置失效； 2000 年 10月，合肥市四里河小区管道液化气泄漏爆炸，一幢楼层炸毁，死亡 10余 人。 2000年茂名石化公司焦化系统高温管线因混用碳钢材料造成爆炸，死亡 1 人； 2000年 7月首钢蒸汽管道爆炸，死亡 7人；浙江省建德市某化工有限责任 公司管道阀门爆裂，死亡 4人；北京某企业一台发电锅炉主蒸气管道阀门与管 道焊接部位撕裂发生爆炸，死亡 6人； 2002年山东省峰山化工集团有限公司金 乡尿素厂管道断裂引起爆炸，死亡 6人。 1999年 3月美国德州一炼油厂由于高 温临氢管线阀门破裂致使加氢反应器爆炸，损失惨重，类似爆炸在韩国、印 度也多有发生。综上所述压力管道对于国民经济和人民生活来说是至关重要 的，因此加强检验工作、保障压力管道长周期安全运行具有巨大的经济意义 和社会意义。 3 承压设备法规 标准体系 由于承压设备 （ 如压力管道等 ） 在高温高压易燃易爆或有毒 工况下工作 ， 具有一定的危险性 ， 因此世界各国均将压力管道作 为特种设备进行强制性管理 ， 依据自己的生产技术水平和管理要 求制定出符合本国国情的相应安全法规和技术标准体系 。 国家的 安全法规是国家为保证承压设备的安全而制定的强制性手段 ， 在 任何其管辖范围内的产品都必须遵循它的安全原则；技术标准应 是推荐性的 ， 规定保证承压设备安全所对应的产品质量技术指 标 。 但标准所规定的技术指标应该符合技术法规的安全原则 ， 同 时法规授予标准以强制性权利以更好地指导承压设备的设计 、 制 造 、 安装 、 检验和验收 ， 是承压设备产品生产和贸易的技术平均 平台 。 目前全球的承压设备法规和标准事实上包括两大体系：一是 广泛覆盖美洲和亚洲的 是目前已经形成规模 ， 通行 于欧洲并且影响力日益扩大的欧洲体系 。 承压设备的国际流通已 引起世界各国的广泛关注 。 4 承压设备法规 标准体系 我国政府对承压设备的安全监察工作十分重视 ， 设置专门的 机构 ， 建立安全监察制度 ， 制定专门法规 ， 实施安全监察 (法 、 法规 、 规章和技术法规 )。 国内同时成立全国锅炉压力容器标准化技术委员会 （ 挂靠在 中国特种设备检测院 ） 并与国际标准化组织 C 11 锅炉压 力容器技术委员会 取得实质性的联系 （ B） 。 目前国内承压特种设备的法规和标准体系的协调和覆盖在质 检总局特种设备局统一规划和布置下正有条不紊的进行 。 目前国际承压设备技术发展有以下特点： 1、 趋同性 ， 承压设备技术正在向统一方向发展尤其是设计方 法 、 材料 、 焊接和无损检测； 2、 区域性 ， 美日为代表的 系和欧洲体系竞争日趋激烈； 3、 相容性 ， 世界各国进行标准的 相互认可和促进贸易发展； 4、 贸易性 ， 标准是国际贸易依据 ， 主宰国际标准将获得巨大的市场份额和经济利益； 5、 经济性 。 降低安全系数 ， 风险评估 、 提高效率 ， 节约能源 ， 保证安全 。 5 承压设备法规管理体系 1、法律： 特种设备安全法 （第一层次） 2、法规： 特种设备安全监察条例 （第二层次） 3、规章（管理规定、办法）：按照 条例 规定，特种设备安全监察制 度分为行政许可制度和监督检查制度。特种设备行政许可制度共 8项：特种设 备设计许可、特种设备制造单位资格许可、特种设备安装、改造、维修单位 资格许可、罐车和气瓶充装单位资格许可、特种设备使用登记、特种设备检 验检测机构核准、特种设备检验人员考核、特种设备作业人员考核。特种设 备监检查制度共 5项：强制检验制度（包括设备生产过程监督检验和在用设备 定期检验）、现场安全监督检查制度、事故调查处理制度、安全责任追究制 度、安全状况公布制度以及 压力管道监督管理办法等 等。（第三层次） 4、综合技术法规（第四层次） 对应行政许可制度有许多安全技术规范，如许可条件、鉴定评审细则、 核准规则等；对应监督检查制度，有各类设备的监督检验、定期检验、型式 试验规则，现场安全监督检查、事故调查处理、信息化工作规则等。 此外还 包括安全监察规程类： 工业压力管道安全技术监察规程 。 公用压力管 道安全技术监察规程 、 长输压力管道安全技术监察规程 以及各种人员 考核规则、考核大纲等。 (中国特检院法规标准部）。 6 特种设备安全法 由于特种设备安全尚未在法律层次上立法，安全监察制度难以发挥更加有效作 用，安全监管工作仍存在一些空白领域，一些安全隐患得不到及时整改，特种设备事 故难以达到根本性的遏制。 特种设备安全法要解决的重点问题包括：、明确法律的调整范围；、巩固和 完善特种设备安全监察基本制度；、明确政府及其部门的监督检查职责；、强化 企业的主体责任；、明确检验检测工作的性质和检验检测机构的地位；、明确安 全技术规范的法律地位；、明确事故调查处理的主体关系；、明确法律责任。 指导思想：以邓小平理论和 “ 三个代表 ” 重要思想为指导，全面贯彻科学发展观， 体现以人为本、关注民生、构建和谐社会的宗旨，坚持安全第一、预防为主、综合治 理的方针，进一步改善特种设备的安全状况，提升全民安全意识，加快建立和完善与 市场经济相适应的安全监察体制和机制，保障公共安全和人民群众生命财产安全，提 高人民群众的生活质量，促进经济又快又好发展。基本原则：坚持安全、高效、便捷 的原则；继承与创新相结合的原则； 突出重点、兼顾一般的原则预防为主、综合治理的原则；明确责任、分类监管的 原则。 7 1979年，由于连续发生锅炉压力容器爆炸事故，国务院发出通报要求健 全锅炉压力容器安全监察机构和加强安全监察工作，同时开始了安全监察法 规的起草 ,1982年国务院颁布了 锅炉压力容器安全监察暂行条例 ，奠定了 我国锅炉压力容器安全监察的法制基础。 为贯彻落实暂行条例的实施，原锅 炉压力容器安全监察局根据 暂行条例 第二十三条制订了 锅炉压力容 器安全监察暂行条例 实施细则 ，以后陆续颁发了有关的部门规章、规范 性文件。建立了中国的锅炉压力容器等特种设备安全监察制度。 但是 暂行条例 也暴露出在新形势下许多不适应问题。 2003年 3月，国 务院颁布了 特种设备安全监察条例 ,自 2003年 6月 1日起施行 ,原 锅炉压 力容器安全监察暂行条例 同时废止。该条例规划了 “ 企业全面负责，部门依 法监管 ,检验技术把关 ,政府统一领导 ,社会广泛监督 ” 的特种设备安全工作新 格局，进一步确立了特种设备安全监察基本制度。 2007年启动 条例 修订 工作，进行实施后评估，并于 2009年 1月 14日国务院第 46次常务会议通过修订 案， 1月 24日第 549号国务院令发布 ， 2009年 5月 1日施行。新修订 条例 中，增加高耗能特种设备节能监管内容；明确特种设备事故分级、特种设备 安全监督管理部门事故调查的主体职责；进一步明确特种设备安全监察范 围，将场（厂）内专用机动车辆的安全监察纳入条例调整范围；下放特种设 备审批权限；明确行政许可收费依据；加入水处理要求等。 特种设备安全监察条例 8 综合安全技术法规 1955年 7月经国务院批准在劳动部设立锅炉安全检查总局，开 始对锅炉、压力容器、起重机械等特种设备进行专门监督管理， 实行国家安全监察。特种设备安全监察机构是为了保障特种设备 安全而设立，特种设备安全技术监察法规也是为了保障特种设备 安全而制定的。 1960年劳动部制定了第一个特种设备安全监察规范 ， 即第一 版的 蒸汽锅炉安全监察规程 。 1979年，由于连续发生锅炉压 力容器爆炸事故，国务院发出通报，并于当年批转当时的国家劳 动总局报告，要求健全锅炉压力容器安全监察机构和加强安全监 察工作，建立国家检测中心，同时开始安全监察技术法规起草工 作 压力管道安全技术监察规程工业管道 。 压力管道安全 技术监察规程公用管道 、 压力管道安全技术监察规程长 输管道 就是关于压力管道基本安全要求和管理要求的综合性安 全技术规范。 9 压力管道安全技术监察规程工业管道 2002年 11月国家质量监督检验检疫总局特种设备局下达 压力管道安全技术监察 规程工业管道 的起草任务书， 2002年 12月全国锅容标委管道分会在上海组织有关 专家成立起草组。 2004年 6月形成规程草案。 2007年 11月形成征求意见稿并以质检特 函 2008 4号文征求意见。根据征求意见形成送审稿。 2008年 4月特种设备局将送审 稿提交国家质检总局特种设备安全技术委员会审议，并形成报批稿。 2009年 5月 8日国 家质检总局批准颁布。规程考虑了压力管道安全技术的现状和国家有关行政许可的要 求，从材料、设计、安装、使用维修改造定期检验及安全保护装置等方面提出压力管 道安全性能的基本要求，以达到规范压力管道监管工作的目的。 10 压力管道标准 (工业管道 ) 工业管道的涉及面广，种类繁多，主要涉及电力、核电站、石油、化工、输油、输气、市政工程、建筑、制冷、矿业等。从大类上可分为基础标准、设计标准、材料标准、管道组成件标准、安装和施工标准、检验和试验标准、在用标准 ,包括 工业金属管道设计规范 、 工业设备及管道绝热工程设计规范 、 工业设备及管道绝热工程质量检验评定标准 、 工业金属管道工程质量检验评定标准 、 工业管道工程施工及验收规范 、现场设备、工业管道焊接工程及验收规范 、 石油化工剧毒、可燃介质管道工程施工及验收规范 、 钛管道施工及验收规范 、化工部 化工企业压力管道检验规程 、中石化 工业管道维护检修规程 、电力部 785火力发电厂中温中压管道（管件）安全技术导则 等。由于长期以来各行业各部门管理上的条块分割，缺乏系统性和配套性，没有形成一个完善的工业管道标准体系。 在压力管道标准体系中，安全建造规范涉及压力管道安全设计和建造的整个过程，起着重要的作用。由全国锅炉压力容器标准化技术委员会压力管道分技术委员会负责组织制定的工业管道领域的综合性建造标准 20801压力管道规范 工业管道 已颁布，但是，和长输管道规范、公用管道规范一样，动力管道规范尚空缺，对管道系统的设计、施工的规范化以及安全运行造成较大的困难，建议应加强此类管道系统综合性建造规范的制订工作。 11 压力管道标准（公用管道） 我国公用管道属于城镇公用事业的一个重要组成部分。由于管理体制上的不同，以及我国公用事业发展的滞后，因此，在法规标准体系及其技术内容与发达国家相比有很大差距。我国的公用管道标准体系不完善， 城镇燃气设计规范 、城市热力管网设计规范 、 城市供热管网工程施工及验收规范 、 城镇燃气输配工程施工及验收规范 、 城市燃气管网抢修和维护技术规程 燃气管道仅有国家标准 城镇燃设计规范 、行业标准城镇燃气输配工程施工及验收规范 等少数标准，在关于公用管道的设计、制造、安装、检验、维修、改造、使用等 7个环节上，标准极不规范，也不完善，多数环节缺少标准，如在管道的安装、检验、制造、使用等。同时，城镇燃气管道在材料、焊接、检验、腐蚀防护专业领域方面基本无标准，基本引用石油等其他行业相关标准。而在热力管道方面，目前尚无国家标准。 12 压力管道标准（长输管道） 国内目前主要从设计、制造、安装、检验、使用、维修、改造以及安全环境等 8个方面建立基于完整性的长输管道全过程的安全技术标准体系。长输管道涉及的技术标准分布在石油工业标准体系中的设计、施工、管材、储运、安全、节能、海洋等多个专业中，目前包括 输气管道工程设计规范 、 输油管道工程设计规范 、 4006埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范 、 4006埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范 、 4006长输管道阴极保护工程施工及验收规范 、输油输气管道线路工程施工及验收规范 、 石油天然气管道安全规程 等。 管道标准太过于零散，引用外来的较多，缺少关于管道安装技术类的核心标准，同时，现有的部分核心标准应尽快上升为国家标准，加快对现行标准石油行业标准的有效整合。同时，借鉴国际上发达国家的管道完整性管理经验，结合我国油气管线的特点 (特有的破坏形式：打孔盗油等 )，参照国外的标准体系，形成具有中国特色的长输管道完整性标准体系。 13 国内压力管道行业存在的问题 一 、 压力管道管件质量低劣 长期以来压力管道管件 (如法兰 、 垫片 、 活接头 、 管接头三通 、 四通 、 大 小头 、 变径管接头堵头 、 封头 、 弯头 （ 45 90 180 ） 、 弯管 、 螺纹短 节 、 管子 、 膨胀节 、 阀门 （ 闸阀 、 截止阀 、 止回阀 、 球阀 、 旋塞阀 、 蝶阀和 隔膜阀 ） 等 )在制造过程中没有强制性的监督控制 。 大量伪劣产品进入市 场 ， 给压力管道安全长周期运行埋下事故隐患 。 1、某炼油厂加氢裂化装置管线中近万件新购弯头、大小头、三通中竟 有 30%发现裂纹、硬度偏高、砂眼等缺陷； 2、某化工厂丙烯管线竣工几乎全部法兰 (包括未安装的及仓库中法兰 ) 都存在表面裂纹； 3、某化工厂一条丙烯管线新安装开车后，由于十多个弯头开裂，不得不 带压堵漏； 4、国内数十个厂家几百只出口法兰进行抽检，发现存在很多问题（有表 面裂纹的、有材质不合格的、有机械性能不合格的、有板材加工的、有铸钢 件、有锻钢件、也有铸铁件），大约有一半以上的法兰不符合产品技术文件 的要求。 14 国内压力管道行业存在的问题 (2) 二、压力管道安装质量低劣 1、几乎每一条 、 、 类管道都有超标焊接缺陷（裂纹、未焊透、未 熔合、气孔、夹渣等）存在； 2、安装随意性大，有些支吊架和管线走向不符合图纸要求； 3、有些阀门、支吊架等管件安装位置不合理； 4、有些防振器和抑振器形同虚设，使管道系统的振动水平严重超标。 三、选材不当和设计结构先天不足 1、 如有的设计单位设计采用碳钢管道长期输送高温介质 ， 这些都引起了 管线在使用中的破坏 。 据不完全统计 ， 因材料 、 型号用错导致事故的例子多 不可数； 2、 有的设计单位在炼油厂实际某方向位移达 28 设计放置只 允许 15 3、 有的设计单位在选择管件材料许用应力值时有差错 ， 导致压扁试验不 合格 。 4、 有的设计单位在布置管系时： a、 管道的间距过小； b、 多层布置时 ， 将热介质管道布置在管架的下层 ， 而将腐蚀性介质管道 布置在管架的上层； c、 管系不平衡 。 15 国内压力管道行业存在的问题 (3) 四 、 压力管道使用中萌发的缺陷 近年来由于我国原油变重 、 含硫 、 含氮和含酸值的增高加重了对设备的腐蚀 。 由于腐蚀造成装置被迫停工 ， 使国民经济和人民生命财产受到很大的损失 。 因此采 油 、 油气运输 、 炼油和深度加工过程中的腐蚀是个很大的问题 。 在原油加工过程中 ， 石油本身对金属设备并不腐蚀 ， 但是石油中若含有某些杂质 ， 如：硫的化合物 、 无机 盐类 、 环烷酸 、 氮的化合物等等 ， 虽然含量很少 ， 但危害却很大 ， 这是因为它们有些 本身是腐蚀性介质 ， 另一些也会在加工过程中转化为腐蚀性介质 。 此外在炼制过程中 加入的氢 、 溶剂及酸碱等也会形成腐蚀介质 ， 加速材料裂化和腐蚀 。 1、 腐蚀： 、 常减压装置压力管线的腐蚀 ; 、 催化裂化装置压力管线管件的腐 蚀； 、 气体脱硫装置压力管线管件的腐蚀； 、 加氢装置压力管线管件的腐蚀； 、 制氢装置压力管线管件的腐蚀； 、 焦化装置压力管线管件的腐蚀； 、 油品装 置压力管线的腐蚀情况； 、 主要化工装置压力管线管件的腐蚀 （ 乙烯裂解装置 、 甲 醇装置 、 聚乙烯 、 聚丙烯装置等 ） 。 2、 高温运行下材料损伤： 、 珠光体球化； 、 石墨化； 、 蠕变损伤； 、 蠕变脆化 。 热壁加氢反应器接管管件介质腐蚀 、 氢腐蚀 、 氢脆 、 回火脆化和蠕变脆 化；加氢精制 、 加氢裂化及催化重整装置中高温高压临氢管线管件的高温氢腐蚀；加 氢脱硫装置；分离器气液混相流动配管的氢腐蚀；甲醇装置合成反应器如催化剂筐 、 分布管等管件的氢腐蚀；催化重整装置出口管线的脱碳和石墨化损伤； 16 国内压力管道存在的问题 (4) 催化重整装置反应器接管热影响区的蠕变脆化开裂；制苯装置氢苯混合气体高温管道 的蠕变脆化损伤；加热炉出口氢气管道弯头的氢腐蚀；铂重整装置管线管件的氢腐 蚀；蒸汽管道高温运行由于珠光体球化引发的爆管事故 。 3、 冲刷腐蚀： 石化系统使用的压力管道流动介质存在气 、 油 、 水 、 固相 （ 固体颗粒 ） 等多项流 体 ， 在管线的上下弯头 、 三通 、 大小头 、 阀门 、 直管的入口或出口段部位 将产生明显的局部冲刷减薄 。 五 、 在用管道管理和检验问题 压力管道的管理检验问题很多 ， 各企业对于压力管道的管理远不如压力容器的管 理规范 。 由于过去没有要求强制检验 ， 很多单位根本不检验或是进行一些象征性检验 工作 ， 使压力管道的管理和检验工作流于形式 。 1、 缺乏检验规程和标准； （ 2003年 7月在用工业管道定期检验规则 ） 2、 各企业有关工业管道的台帐 、 档案差别较大 ， 缺乏检验的条件： 、 线路不 清 ， 没有适合的管线图； 、 工业压力管道资料丢失 ， 没有材质 、 规格 、 热处理状态 等原始参数； 3、 缺乏专业检验队伍：过去这类检验主要由操作人员巡检和测厚 。 、 多年来没有对工业压力管道检验单位实行严格的资格认证制度缺乏有效的 管理制度和管理细则； 检验检测人员未经统一的考核与认可 ， 水平参差不齐； 17 压力管道破坏的主要原因（长输管道） 压力管道在实际使用过程中，由于在设计、制造、安装及运行管理中存 在各类问题，管道的破坏性事故时有发生。同时由于工作介质往往有易燃易 爆、腐蚀及剧毒的特点，因此给压力管道的安全运行带来一定的威胁。 1 长输管道 （ 1）在欧美国家管线事故的原因中，外力损伤占第一位，其次是腐蚀。 原苏联天然气管道的事故原因主要是腐蚀、施工和管材质量。我国管线事故 原因主要是设备故障、腐蚀、施工和管材等原因，与原苏联的事故统计数据 较为接近，和欧美国家情况相差较大，其主要原因在于当时在管材、制管工 艺、制造和安装水平比较落后。 （ 2）近几年，我国新建的西部油、气管线由于所采用的设备、材料已接近 国际水平，加之防腐、自动化操作水平的提高，设备故障、腐蚀、误操作等 原因造成的事故比例将会降低。但由于西部大部分地区自然环境恶劣，灾害 性地质较严重，因此外力引起的第三方破坏造成的事故比例会高于东部管 道，为此评价东、西部管线完整性时应该视具体情况具体分析，区别对待。 （ 3）对于老管线而言，事故率呈上升趋势。输气管线发生事故的概率低于 输油管线。 （ 4）外力破坏通常是陆地管线事故的主要原因，对大直径管道而言，管材 和施工缺陷是最常见的管道事故原因。 18 压力管道破坏的主要原因（公用管道） 城市煤气和天然气管线破坏事故的原因主要是腐蚀、外力损伤、制造缺陷和材料损伤等。 、埋设在地下的钢质管道均有外防腐绝缘层，阻隔金属管子与外界腐蚀因素的接触。该 防腐层一旦破坏，金属管的外表面腐蚀就极为迅速，为了确保管道安全运行，必须确保防腐层完 好无损。防腐层在制作和施工过程中不可避免地会出现漏孔、缺陷和损伤，在埋地之后，受热、 水、氧、地中杂散电流、细菌等环境因素影响，会老化、龟裂、剥离、防腐效果急剧下降。 、尽管实践表明对埋地管线采用涂料涂覆和阴极保护并用的防护效果最好，但在区域管 网中推广应用阴极保护尚有一定难度。 a、城市区域地下管线复杂，形状各异，采用传统阴极保护难以达到各部位同样的标准。 b、阴极保护电流对外部结构的干扰问题，有时损坏了周围有效范围内的众多金属设施。 c、埋地管线并非完整一致，而是要和外部结构发生多处短接，这种接触结果不但提供不同 金属相接触构成的电偶腐蚀机会，而且为实现阴极保护带来了更大困难，使输出设备负荷加大。 d、各种人为维修作业，常会出现将阴极保护系统损坏现象。 、城镇埋地燃气管网贯穿经济发达和人口稠密地区，发生事故后果非常严重。 1968年英 国 成墙体和楼板连续倒塌。 1970年格陵兰 管网煤气泄漏，建筑物全部倒塌。 1975年 8月英格兰 1972年美 973年法国 成房屋严重破坏。 1993年徐州市铜 山县液化气输配站管网破裂，造成 4人死亡， 16人受重伤。 1995年青海石油管理局西部炼厂天然 气泄漏，死 3人，重伤 4人。 1995年济南和平路煤气管爆炸 13人死亡， 48人受伤； 1996年春节前 后，天津、青岛、重庆、福州、哈尔滨等地相继发生燃气中毒和爆炸事故，伤亡 50多人； 2000 年 10月，合肥四里河小区燃气管网爆炸，死 10人，整幢楼炸毁。城镇埋地燃气管网事故的发 生，以及所带来的重大人员伤亡和经济损失，已严重地影响到社会稳定和人民生命财产安全。 19 压力管道破坏的主要原因（ 3） 工业管道 国外有关统计资料表明，工业管道的破坏性事故中，腐蚀破坏约占 28 1；疲劳破坏约占 29 1；蠕变破坏约占 28 8。可见腐蚀、疲劳、 蠕变破坏是管道破坏的三大主要原因。将 95年石化企业 、 、 类管道爆 炸与严重损坏事故原因按图 1所示进行了分类， 图 1 工业管道的破坏原因 很明显腐蚀与冲蚀比例偏高，而管理不善原因较低，其中腐蚀减薄引 起的占 材料以及制造质量引起的占 因安装原因引起的失效 占 20 压力管道的主要失效形式 1、 压力管道主要失效形式包括：、因存在原始制造性缺陷和使用过程中新生 缺陷引发的弹塑性断裂失效模式；、因环境或介质影响造成由腐蚀引发的破坏失效 模式；、因高温、高压、临氢、交变载荷环境造成材料累积损伤失效模式，如珠光 体球化、石墨化、回火脆化、蠕变破坏、疲劳破坏、氢损伤等。 压力管道失效型式的分类 （ 1）压力管道失效型式的分类方法有很多种。按破坏时宏观变形量的大小可分为 韧性破坏 (延性破坏 )和脆性破坏两大类。 韧性破坏：韧性破坏是管道在压力的作用下管壁上产生的应力达到材料的强 度极限，因而发生断裂的一种破坏型式。它通常包括材料变形过程的弹性变形、弹塑 性变形和断裂的三个阶段。韧性破坏是一种因强度不足而发生的破坏。如果管道不是 由于存在明显的缺陷和明显脆化，而是由于超压导致破坏时，都属于韧性破坏。 脆性破坏：脆性破坏是指管道破坏时没有发生宏观变形，破坏时的管壁应力 也远未达到材料的强度极限，有的甚至还低于屈服极限。脆性破坏往往在一瞬间发 生，并以极快的速度扩展。这种破坏现象和脆性材料的破坏很相似，故称为脆性破 坏。又因为它是在较低的应力状态下发生的，故也叫做低应力破坏。脆性破坏的基本 原因是材料的脆性和存在严重缺陷。此外，加载的速度、残余应力、结构的应力集中 等都会加速脆断破坏的发生。 （ 2）此外按破坏时材料的微观 (显微 )断裂机制分类，也可以分为韧窝断裂、解理 断裂、沿晶脆性断裂和疲劳断裂等。但实际工作中，往往采用一种习惯的混合分类方 法，即以宏观分类法为主，再结合一些断裂特征。通常分为：制造时产生的原始缺陷 破坏、腐蚀冲刷破坏、疲劳破坏、材料损伤和其他形式破坏。 21 无损检测技术的发展阶段 第一阶段称为无损探伤 (其主要作用就是在不损伤材料和设备产品的前提 下，检出内、外部缺陷，以满足设备工程设计的强度要求，这是无损检测技术发展的 初级阶段，其主要特征是以质量控制为中心。质量控制原则是利用无损检测对设备产 品的制造安装质量进行控制的一种安全评定原则。通常认为超声检测的质量控制参数 为：回波波幅的高度；缺陷的长度单位长度、单位面积或单位体积上的缺陷个 数。射线检测的质量控制参数为：缺陷长度；缺陷性质；单位长度上的缺陷个 数；单位面积上缺陷个数。因为其可靠性取决于控制门槛值有充分的安全裕度，所 以在真实缺陷与评定等级之间允许有一定的偏差。目前国际上基本上以质量控制为核 心内容。 第二阶段称为无损检测 (对于工业发达国家来说，该阶段始于上个世纪 70 年代，其任务不仅是检测设备产品的内外部缺陷，而且测定材料和焊缝的组织结构， 如晶粒度、石墨形态、金相组织、硬度和残余应力水平；同时还测定各种过工艺参数 诸如温度、压力、粘度和密度等。这时的无损检测技术表现为系统性质量控制概念， 远比第一阶段具有更为丰富的内涵。 第三阶段称为无损评价 (由于设计水平的不断提高，断裂力学等学科技术 的发展和推广，以及极限设计寿命思想的进步和实用化，因此要求无损检测技术不仅 能检出危险缺陷，而且要对缺陷进行定性，并测定其自身高度 (通常指壁厚方向的尺 寸 )，以便采用断裂力学对带缺陷设备的安全性和使用寿命进行评价。无损评价的核 心是合于使用原则，是确保没有危害性缺陷从而保证设备产品安全运行一种安全评定 原则，其主要检测参数为缺陷自身高度、缺陷性质、缺陷位置以及缺陷密集程度等。 22 压力管道 无损检测可靠性 通常压力容器的破坏主要取决于三个基本要素：应力水平（设计、制造不 合理），材料性能和缺陷危害程度。压力容器无损检测是在应力分析和材料 性能评价的前提下，确定原材料 (钢板、复合钢板、锻件、钢管等 )、焊缝和 热影响区中是否存在缺陷、缺陷当量、缺陷性质和危害程度，以保证压力容 器安全运行的一种手段。从这个意义说，压力容器无损检测可靠性也就是压 力容器安全可靠性的一个关键性组成部分。 过去人们常以 “ 能检出的最小缺陷尺寸 ” 来衡量检出缺陷的能力，并以此 作为评价无损检测可靠性的重要参数。这实际上是一种误解，因为该数据既 无法保证凡是大于该尺寸的缺陷一定能被检出来，也不能保证检测出的就一 定是缺陷，同时也无法反映出缺陷的准确当量和检测误差。就本质而言，无 损检测可靠性有两个含义：一是指不漏掉危险性缺陷的几率，即缺陷的检出 率；二是指检出结果的真实性，即对缺陷定性定量结果的可信赖性。 无损检测技术涉及到多方面的因素，如检测人员的技术水平、经验和心理 状况；检测仪器设备的水平和完好程度；各种检测方法的特点和检测方案的 适用性；工件的结构设计特点和材料特性；制造工艺和缺陷本身的特点等 等。也就是说同一缺陷在重复检验时，如果影响因素不同，检测结果将并不 总是一个固定的参数，而可能变化很大。这种不确定因素是无损检测的固有 特征，对无损检测的可靠性具有很大的影响。 23 压力管道无损检测 概述 无损检测是指在不损坏试件的前提下，以物理或化 学方法为手段，借助先进的技术和设备器材，对试件的 内部及表面的结构，性质，状态进行检查和测试的方 法。是指对材料或工件实施一种不损害或不影响其未来 使用性能或用途的检测手段。 常用的无损检测方法有射线检测（简称 超声 波检测（简称 磁粉检测（简称 渗透检测 （简称 称为四大常规检测方法。这四种方法是承 压类特种设备制造质量检测和在用检测最常用的无损检 测方法。其中 他用于承压类特种 设备的无损检测方法有涡流检测（简称 声发射检 测（简称 。 24 压力管道 射线检测 技术（特点 ） 射线的种类很多，其中易于穿透物质的有 射线、中子射线三 种。这三种射线都被用于无损检测，其中 射线常应用于承压设备焊 缝和其他工业产品、结构材料的缺陷检测，而中子射线仅用于一些特殊场 合。射线检测是工业无损检测的一个重要专业门类。最主要的应用是探测试 件内部的宏观几何缺陷（探伤）。 压力管道射线检测特点 底片。由于底片上记录的信息十分丰富，且 可以长期保存，从而使射线照相法成为各种无损检测方法中记录最真实、最 直观、最全面、可追踪性最好的检测方法。 可以获得缺陷的投影图像，缺陷定性定量准确各种无损检测方法中， 射线照相对缺陷定性是最准的。在定量方面，对体积型缺陷（气孔、夹渣 类）的长度、宽度尺寸的确定也很准，其误差大致在零点几毫米 。 体积型缺陷检出率很高。而面积型缺陷检出率受到多种因素影响。体 积型缺陷是指气孔、夹渣类缺陷。射线照相大致可以检出直径在试件厚度 1% 以上的体积型缺陷。面积型缺陷是指裂纹、未熔合类缺陷，其检出率的影响 因素包括缺陷形态尺寸、透照厚度、透照角度、透照几何条件、源和胶片种 类、像质计灵敏度等，所以一般来说裂纹检出率较低。 25 压力管道 射线检测 技术（特点 ） 测厚工件需要高能量的射线探 伤设备。 300 射线机透照厚度一般小于 40 420 射线机和 线机透照厚度均小于 100 厚度大于 100 器或 此是比较困难的。此外，板厚增大，射线照相绝对灵敏度是下降的，也 就是说对厚工件采用射线照相，小尺寸缺陷以及一些面积型缺陷漏检的可能性增大。 适宜检测对接焊缝。检测角焊缝效果较差，不适宜检测板材、棒材、锻件。用 射线检测角焊缝时，透照布置比较困难，且摄得底片的黑度变化大，成像质量不够 好；板材、锻件中的大部分缺陷通常与射线束垂直，因此射线照相无法检出。 于是穿透法检测，因此结构和 现场条件有时会限制检测的进行。例如，有内件的锅炉或容器，有厚保温层的锅炉、 容器或管道，内部液态或固态介质未排空的容器等均无法检测。采用双壁单影法透 照，虽然可以不进入容器内部，但只适用于直径较小的管道，对直径较大的管道，双 壁单影法透照很难实施。此外如焦距太短，则底片清晰度会很差。 对缺陷在工件中厚度方向的位置、尺寸（高度）的确定比较困难。缺陷高度可 通过黑度对比的方法作出判断，但精确度不高，尤其影像细小的裂纹类缺陷。 检测成本高。与其他无损检测方法相比，射线照相的材料和人工成本很高。 般情况下定向 00 拍一张片子需 10 射线源的曝光时间一般更长。但特殊场合则另当别论， 线会对人体组织造成多种损伤，因此对工作人员剂量当 量规定了限值。要求在保证完成射线探伤任务的同时，接受的剂量当量不超过限值。 26 压力管道射线检测技术 (工艺特点 ) 压力管道尤其是工业管道大量采用薄壁小径管，其施工主要采用氩弧焊打底，手 工焊盖面的单面焊接。长期以来小径管对接焊缝主要采用射线透照检测，但也存在不 少问题：、由于压力管道透照截面厚度变化大，宽容度很难保证，透照一次不能实 现焊缝全长的 100%检测 ; 、若要满足压力管道裂纹检测要求，则底片透照数量很难 满足要求；、同时射线透照大量采用 型片，底片质量和清晰度都 比较差。 4730 承压设备无损检测 对压力管道射线检测作了部分改进： 、增加了工业射线胶片系统分类的内容，将胶片分为 加附录 A（资料性附录），对胶片系统的特性指标提出了要求，对国内使用的胶片质 量进行有效的控制；对薄壁压力管道推荐采用 2或 高了 射线透照质量。 、对 10000环向对接焊接接头（包括曲率相同曲面焊接接头） , A 级、 降低了 少底片数量。 、小径管环向对接焊接接头的透照布置。小径管采用双壁双影透照布 置，当同时满足下列两条件时应采用倾斜透照方式椭圆成像： T（壁厚） 8 g（焊缝宽度） 4椭圆成像 时，应控制影像的开口宽度（上下焊缝 投影最大间距）在 1倍焊缝宽度左右。不满足上述条件或椭圆成像有困难时可采用垂 直透照方式重叠成像。 、小径管可选用通用线型像质计或附录 F（规范性附录）规定的专用（等径金属 丝）像质计，金属丝应横跨焊缝放置。像质计应置于源侧，当无法放置时，可将像质 计置于胶片侧。 27 压力管道射线检测技术 (工艺特点 ) 、小径管环向对接接头的透照次数小径管环向对接焊接接头 100%检测的透照次 数：采用倾斜透照椭圆成像时，当 T/ ,相隔 90 透照 2次。当 T/ 相隔 120 或 60 透照 3次。垂直透照重叠成像时，一般应相隔 120 或 60 透照 3次。由于结构原因不能进行多次透照时，可采用椭圆成像或重叠成像方式透照 一次。鉴于透照一次不能实现焊缝全长的 100%检测，此时应采取有效措施扩大缺陷可 检出范围，并保证底片评定范围内黑度和灵敏度满足要求。 、底片评定范围内的黑度 A 级： D D B 级： D用 件时， 、 小径管可选用通用线型像质计或附录 F（规范性附录）规定的专用（等径金 属丝）像质计，金属丝应横跨焊缝放置。像质计应置于源侧，当无法放置在源侧时， 可将像质计置于胶片侧。 、对截面厚度变化大的压力管道，在保证灵敏度要求的前提下，允许采用较高 的射线管电压。但有一定压力范围的限制。 、不加垫板单面焊的未焊透缺陷和根部内凹和根部咬边分级评定。管外径 100 型）进行测定。管 外径 00径管上述深度可采用小径管专用对比试块 (A 或 B 型 )进行测定 , 28 压力管道射线检测（表面要求） 射线检测前，焊接接头的表面应经外观检测并合格。表面的不规则状态 在底片上的影像不得掩盖或干扰缺陷影像，否则应对表面作适当修整。其主 要理由如下 、 焊缝的表面缺陷 （ 如咬边 、 凹坑 、 沟槽等 ） 将直接反映在底片上 ， 往往掩盖了焊缝内的缺陷 ， 使之漏检；或是形成伪缺陷 ， 给缺陷的评定 、 分 级和返修带来很大困难 。 如曾在某厂就发现过好几起类似的现象 ， 当时在底 片上某丁字缝发现一条黑色影象 ， 很象裂纹 ， 经两次返修后缺陷仍然存在 ， 经实地检查 ， 发现原来是丁字口上一道很细的沟槽 。 我们认为若在射线检测 前先进行较细致的外观检查 ， 这类情况的产生就会大大减少 。 、 焊缝余高对焊缝缺陷的检出有一定的影响 ， 余高越高 ， 对底片的宽 容度要求愈高 ， 缺陷检出则比较困难 ， 因此 ， 焊缝余高应尽可能减小 ， 并控 制在一定的尺寸范围内 。 综上所述 ， 焊缝表面质量与底片的有效性 、 可靠性及缺陷检出灵敏度有 很大关系 ， 必须给予高度的重视 。 29 压力管道射线检测（裂纹检测） 任何无损检测方法都十分重视裂纹的检出率 ， 射线检测也不例外 。 为 保证裂纹的检出效果 ， 通常在射线照相检测标准中都作出了一些技术方面的直接或间接的规定 ， 目前世界各国标准对此可以概括为三种类型： 、 直接对裂纹检验角进行规定：美国军标规定检验裂纹 ， 只有当工件处于射线束 10 圆锥角之内区域才是有效的 。 即意味着为保证裂纹检出 ， 照射角应不大于 10 。 、规定透照厚度比 4730标准和德国标准等没有直接规定裂纹检验。但由于规定了 际上也就规定了有效透照区，间接控制允许的射线照射角。 、直接规定有效透照区长度进行间接控制： 准直接规定有效透照区长度 1之间的关系，间接控制了射线检验角，从而保证裂纹检出。 上述三种类型实际上是以不同方式限制了允许采用的射线照射角，即射线束与裂纹开裂面之间的角度。一般认为射线束与裂纹开裂面之间的角度小于 ，裂纹检出率在 70%以上； 角度大于 15 ，裂纹检出率在 50%左右； 角度大于 15 ，裂纹检出率急剧下降。 但必须注意的是，这些限制都假设裂纹面处在与工件表面垂直的方向，而实际的裂纹可能要复杂得多，其检验的掌握也更困难。 30 压力管道射线检测（检测灵敏度） 射线照相灵敏度一般由三个因素所控制 ， 即对比度 、 不清晰度和颗粒 度 。 对比度描述的是细节影象与背景影象的黑度差 ， 对缺陷而言则是缺陷影 象与背景影象黑度差 ， 它直接决定缺陷影象的可识别度 。 不清晰度则描述影 象边界的扩展程度 ， 影响缺陷影象可识别度 ， 尤其对于细长缺陷影响更大 。 颗粒度是影象黑度分布不均匀视觉印象 ， 由形成影象银团随机分布产生 ， 直 接对应于信噪比 ， 颗粒度越细 ， 灵敏度愈高 。 一般来说采用 射线透照所获得的固有不清晰度要比采用 不清晰度数值小 ， 检出细长缺陷能力强；不清晰度数值大 ， 则检出能力低 。 目前国内用来控制射线检测灵敏度的线型象质计对对比度变化敏感 ， 而 对不清晰度和透照焦距的变化不敏感 。 也就是说现行象质计不能有效地控制 不清晰度的变化 。 因此 ， 为了能保证获得较好的不清晰度值 ， 达到较高实际 检测灵敏度 ， 对钢制或有色金属制承压设备尽量采用 此外当不得不采用 射线源进行射线透照检测时 ， 采用低噪声 、 高梯度 噪声比和高分辨率的胶片可作为实际检测灵敏度的一种弥补 。 尤其对于 b 540 由于缺口敏感性比较高 ， 产生细长型 冷 、 热 、 再热和应力腐蚀裂纹的趋势比较明显 ， 为了保障安全 ， 必须强制性 采用高分辨率的胶片 。 31 压力管道射线检测（象质计） 目前 ， 世界上通用的象质计主要有五类：单丝式线型象质计 、 双丝式线 型象质计 、 平板式孔型象质计 、 阶梯板式孔型象质计和槽型象质计 。 准主要采用单丝式线型象质计 ， 利用可识别的最细丝径 度 。 单丝式象质计具有结构简单 、 制作方便 、 使用可靠等优点 ， 能准确地测 定对比度的变化情况 。 但也具有一定的局限性： 、 对底片上能识别的最细钢丝的确定 ， 没有一个定量的规定 ， 因此存 在一定的人为主观性； 、 象质计指示值与裂纹类危险性缺陷检出率对应性较差； 、 对影响不清晰度参数的变化不敏感； 、 当透照焦距和射线能量发生变化时 ， 象质计灵敏度和实际缺陷检出 率的变化不相一致 。 从上世纪 60年代以来 ， 许多研究者致力研究开发新型象质计 。 随着科技 的发展 ， 能更准确地控制射线检测灵敏度的象质计必然会在不久的将来问 世 ， 并在标准中得到反映 。 32 压力管道射线检测 (象质计材料 ) 通常被透照设备的材料应与线型象质计的材料相一致 ， 才 能取得较好的检测效果 。 但由于目前锅炉 、 压力容器及压力管道 用材比较复杂 ， 新钢种和有色金属材料 （ 如钛 、 铝 、 铜 、 镍及镍 合金 、 锆等 ） 不断涌现 ， 给线型象质计实际使用带来很大困难 。 代用 （ 高带低 ， 不能低代高 ） 。 当某种材料的象质计用来检测其它材料的焊缝时 ， 如不能确 定是否合适 ， 可采用下述方法进行判定：取两块与被检设备厚度 大体相当的试块 （ 一块与被透照设备的材料相一致 ， 另一块与象 质计材料相一致 ） ， 将其在同一张胶片上 ， 以产品射线照相的合 适能量级别进行一次曝光照相 ， 底片上两种材料的黑度范围 (一 般地说指黑度比较均匀的试块中间部位 )应在 1 5 4 0之间 ， 如果被透照设备的材料黑度和制作象质计材料黑度的比值在 1 0 87之间 ， 那么被透照设备材料可以采用该种材料制作的象质 计进行射线照相检测 。 33 压力管道射线检测（焊缝质量级别） 钢焊缝质量级别的确定与承压设备所承受载荷的性质 、 大小 、 温度 、 介 质以及环境条件有关 。 实验数据表明 ， 除低应力脆断这种特殊情况外 ， 一般 由静载荷引起的焊缝强度降低远远小于冲击和往复动载荷引起的焊缝疲劳强 度降低 。 因此 4730中钢焊缝射线检测质量级别主要是根据由缺陷引起的 疲劳强度降低程度来确定的 ， 共分为四级 。 级焊缝：对疲劳强度要求很高的焊缝 。 通常是指核能 、 超高压或工作介 质为剧毒物质的设备焊缝 ， 以及承受很大静载荷 、 动载荷和交变载荷的焊 缝 、 特别是在循环不对称交变载荷作用下的焊缝 。 由于这类焊缝对疲劳强度 要求相当高 ， 因此一般应采用较高的质量等级 （ 即 级 ） 。 由于余高的存在 将使疲劳强度显著降低 ， 所以 级焊缝通常不保存余高 。 级焊缝：对疲劳强度有一定要求的容器焊缝 ， 即高压或工作介质为有害 气体焊缝 、 以及承受较大动 、 静载荷或有限循环次数交变载荷的焊缝 。 一般 保留焊缝余高 。 级焊缝：基本上不考虑疲劳强度的焊缝 ， 主要包括低压或工作介质为无 害气体的焊缝 ， 以及只承受静载荷的焊缝 。 级焊缝：不合格的焊缝。 34 压力管道射线检测（深孔缺陷分级） 深孔缺陷 （ 针孔缺陷 ） 是承压设备焊接接头的一种危害性潜 在缺陷 ， 一旦出现问题将会产生灾难性事故 ， 给人民的生命财产 带来巨大威胁 。 因此压力容器的有关射线检测对此都给予充分重 视 。 但由于对深孔缺陷的判断缺乏明确的判据和门槛值 ， 所以在 94标准中对此没有明确的规定 。 4730考虑到各方面的因素 ， 规定：对致密性要求高的焊 接接头 ,经合同各方商定 ,可将圆形缺陷黑度作为评级依据 。 黑度 大的圆形缺陷定义为深孔缺陷 ,当焊接接头存在深孔缺陷时 ， 接 头质量评为 级 。 多层包扎 、 热套承压设备内筒纵 、 环焊缝射线检测 （ 6 35 压力管道射线检测（ 缺陷尺寸确定） 一般来说 ， 除非透照检测很厚的工件之外 ， 缺陷在胶片上投影产生的线 性放大很少大于 5%， 所以 ， 评定缺陷长度时 ， 可直接以底片上的投影长度作 为测定依据 。 当缺陷长度方向与胶片方向有明显夹角时 ， 评片可按经验对缺 陷投影长度乘上一个修正系数来确定缺陷长度 。 但这种情况不多 ， 通常也易 于识别 。 缺陷在底片上的影象宽度通常是由缺陷的投影宽度加上总的影象不清晰 度构成的 。 除非考虑到宽度很窄的缺陷 、 或固有不清晰度较大的高能射线或 射线检测应进行修正外 。 在其他情况下 ， 底片上测出的影象投影宽度通常 就作为缺陷的宽度来考虑 。 实际生产时 ， 如果压力管道焊缝部位宽度小于圆形缺陷评定区的宽度 ， 则此时圆形缺陷评定区的宽度可以取实际焊缝宽度进行评定 。 36 压力管道射线检测（检测质量控制） 根据目前国内对压力管道环焊缝射线检测质量的控制，应 该说并不能完全保证压力管道的焊接施工质量（从拍片数量，射 线源、底片的不清晰度等角度考虑），压力管道的制造安装质量 实际在很大程度上是通过严格工艺纪律进行保证的，国外工业先 进国家也基本采用这种形式，因此目前国家质检总局推行的对压 力管道强制性监督检验制度具有比较重要的现实意义（多年来竣 工资料和定期检验情况明显不符）。 此外，对于厚壁压力管道可以 效果不 佳。采用康普顿散射成象技术：该技术类似于脉冲反射超声成 象，将射线源与胶片置于同一侧，适于检测厚壁封闭压力管道， 影象质量高，防护简便 但需指出的是射线检测无法或很难进行缺陷定量（缺陷自 身高度测定）。 37 压力管道 超声检测 技术（特点 ） 超声波检测主要用于探测试件内部缺陷，它的应用十分广泛。所谓超声波是指 超过人耳听觉，频率大于 20 于检测的超声波，频率为 25 其中用得最多的是 1 5 声波探伤方法很多，通常有穿透法、脉冲反射法、串 列法等。但目前用得最多的是脉冲反射法