傳統(tǒng)氣瓶定期檢驗技術(shù)遵循TSG 23—2021《氣瓶安全技術(shù)規(guī)程》的要求，需將氣瓶及附屬構(gòu)件進行拆卸，依次開展外表面預處理（包括機械打磨去除防腐涂層）、壁厚測定、磁粉檢測、滲透檢測及超聲檢測、水壓試驗等工序。該模式存在以下不足：①需要固定檢驗場地；②流程復雜，檢測周期長；③檢驗完成后需進行外表面涂層恢復，增加了成本和工序，還可能增加由檢測導致的二次腐蝕風險；④機械打磨可能造成母材表面粗糙度改變，拆卸過程中對螺紋、密封面等關(guān)鍵部位可能造成機械損傷。
通過對現(xiàn)有的承壓設(shè)備檢驗檢測方法進行分析，梳理出可用于高壓無縫氣瓶不拆卸檢測的方法（以檢測新技術(shù)為主），并對其有效性進行驗證。文章擬進行研究的檢驗檢測方法主要包括：高頻導波檢測、數(shù)字射線成像檢測、全自動超聲波檢測、陣列渦流檢測、爆破試驗、聲發(fā)射檢測等。
1. 檢測方法及試驗結(jié)果分析
此次試驗受條件所限，氣瓶樣瓶上加工了外表面軸向線性刻槽缺陷，樣瓶人工缺陷位置如圖1所示），樣瓶規(guī)格（外徑×壁厚×高）為232 mm×5.8 mm×1 180 mm。在圖1中，1#、2#、3#、4#缺陷為外表面軸向人工刻槽，長度為40 mm，深度分別為0.2，0.4，0.6，0.8 mm。
1.1 高頻超聲導波檢測
1.1.1 基本原理
超聲導波主要通過逆壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生，前者利用壓電晶體在交變電場下產(chǎn)生機械變形，高頻電壓信號可激發(fā)超聲波；后者則基于鐵磁性材料在高頻磁場中發(fā)生形變的原理，產(chǎn)生超聲波信號。
超聲導波是沿有限介質(zhì)邊界平面?zhèn)鞑サ膹椥圆ǎＳ糜诠艿垒S向檢測。當管道出現(xiàn)腐蝕減薄時，導波在缺陷處產(chǎn)生反射、折射與散射，部分能量波會被探頭接收。通過分析回波信號的波幅與傳播距離，即可確定缺陷的位置與尺寸[1]。
1.1.2 超聲導波分類
超聲導波包含板波、空心圓管導波及圓柱體導波。其中，板波按質(zhì)點振動方向分為S波和Lamb波，Lamb波又細分為對稱型（S型）和非對稱型（A型），每一種型式下又分為不同的模式。Lamb波的聲速受介質(zhì)特性、板厚及頻率影響，適用于金屬薄板的無損檢測[2]。
此次試驗采用Lamb波檢測，使用基于壓電效應(yīng)、配適角楔塊的接觸式超聲斜射單晶探頭，頻率≥0.5 MHz，屬于高頻導波檢測技術(shù)。
1.1.3 高頻導波檢測實施
試驗采用的設(shè)備為以色列ISONIC 2005型高頻導波檢測儀（見圖2），探頭型號為S544006型。
1.1.4 試驗結(jié)果分析
不同深度缺陷的高頻導波檢測結(jié)果如圖3所示。高頻導波檢測是基于高頻波長短、衰減小、傳播遠的特性，實現(xiàn)物體內(nèi)部缺陷無損檢測的技術(shù)。結(jié)合試驗結(jié)果和相關(guān)文獻，總結(jié)出其具有如下優(yōu)勢。
（1）信息全面。通過分析導波遇缺陷產(chǎn)生的反射、折射信號，可精準定位缺陷位置、尺寸及類型。
（2）靈敏度高。對裂紋、腐蝕、孔洞等缺陷檢測效果顯著，能識別微小缺陷。
（3）高效覆蓋。一次檢測可覆蓋長距離區(qū)域，相比逐點檢測，效率大幅提升，適用于在線檢測。
但該技術(shù)存在局限性，如檢測效果受材料聲學特性、結(jié)構(gòu)形狀及邊界條件制約，復雜結(jié)構(gòu)或材料不均物體的檢測難度大；受導波傳播特性影響，存在檢測盲區(qū)，部分位置的缺陷可能漏檢。
1.2 數(shù)字射線成像檢測（DR）
1.2.1 檢測原理與分類
數(shù)字射線成像檢測技術(shù)利用射線機發(fā)射射線穿透檢測物體，經(jīng)衰減后的射線光子由數(shù)字探測器（DDA）或成像板（IP）捕獲，被轉(zhuǎn)化為電信號，再通過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，最終以數(shù)字圖像形式呈現(xiàn)檢測結(jié)果[3]。
1.2.2 射線數(shù)字成像檢測實施
依據(jù)NB/T 47013.11—2023《承壓設(shè)備無損檢測第11部分：X射線數(shù)字成像檢測》標準與試驗需求，確定DR檢測設(shè)備選型方案，明確適用于該項目檢測對象的設(shè)備技術(shù)要求。綜合現(xiàn)有設(shè)備條件，選定適配的X射線數(shù)字成像檢測設(shè)備（見圖4）與成像板。表1列出了試驗采用的射線機、探測器等核心部件的主要參數(shù)。
| 名稱 | 型號 | 主要參數(shù) |
|---|---|---|
| X射線機 | 300kV | 焦點：1.0 mm；管電壓：50~300 kV |
| 探測器 | XRD1621 | 轉(zhuǎn)換屏：DRZ；像素200 μm；16 Bit；采集幀頻：15 fps，30 fps；成像面積：409.6 mm×409.6 mm |
1.2.3 試驗結(jié)果分析
不同深度缺陷的數(shù)字射線檢測結(jié)果如圖5所示，數(shù)字射線成像檢測（DR）技術(shù)對氣孔、夾渣等體積型缺陷具有優(yōu)異的檢測效能，但對厚度方向尺寸較小或取向平行于射線束的未熔合、裂紋等面積型缺陷存在檢測盲區(qū)[4]。相較于傳統(tǒng)膠片射線檢測，DR技術(shù)具有以下技術(shù)優(yōu)勢。
（1）高靈敏度檢測能力
憑借高分辨率、高對比度的數(shù)字圖像輸出，可有效識別微小缺陷，為產(chǎn)品質(zhì)量控制和設(shè)備安全評估提供可靠依據(jù)。
（2）高效檢測性能
顯著縮短檢測周期，可實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)采集與處理，適用于工業(yè)生產(chǎn)線的在線實時檢測。
（3）數(shù)字化數(shù)據(jù)管理與分析
數(shù)字圖像便于存儲、檢索及后期處理，可通過專業(yè)軟件進行對比度增強、降噪濾波等操作，有效提升缺陷特征的可視化程度與分析準確性。
（4）綠色環(huán)保特性
摒棄傳統(tǒng)膠片檢測所需的化學顯影、定影工藝，避免了重金屬污染與化學廢液排放，符合現(xiàn)代工業(yè)綠色發(fā)展要求。
1.3 自動超聲探傷
依據(jù)NB/T 47013.3—2023《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》，參照企業(yè)內(nèi)部相關(guān)指導書，采用水耦合自動超聲探傷儀對氣瓶筒體部分進行自動檢測與測厚。
1.3.1 自動超聲探傷儀
對氣瓶筒體直段部位進行超聲檢測及測厚的水耦合自動超聲探傷儀，具備以下功能：能夠同時進行測厚、對縱向缺陷探傷及對橫向缺陷探傷[5]；能夠?qū)y厚數(shù)據(jù)、縱向缺陷及橫向缺陷在氣瓶筒體展開圖上進行自動實時記錄并能夠存儲、打印。
自動超聲探傷儀的其余指標應(yīng)符合標準NB/T 47013.3—2023的規(guī)定。超聲檢測探頭參數(shù)如表2所示。
| 檢測內(nèi)容 | 探頭種類 | 公稱頻率/MHz | 折射角/(°) | 探頭尺寸（長×寬）/mm |
|---|---|---|---|---|
| 測厚 | 水浸聚焦探頭 | 4~5 | 0 | <15×15 |
| 縱向缺陷 | 水浸聚焦探頭 | 2.5~4 | 40~45 | <15×15 |
| 橫向缺陷 | 水浸聚焦探頭 | 2.5~4 | 40~45 | <15×15 |
對比試塊的人工反射體尺寸包括：矩形槽、V形槽，槽深為5%氣瓶設(shè)計壁厚，槽的長度為40 mm，寬度為1.0 mm，缺陷位于外壁和內(nèi)壁，缺陷方向包含橫向和縱向兩種[6]。
測厚校準階梯試塊采用30CrMo調(diào)質(zhì)鋼材料或與30CrMo調(diào)質(zhì)鋼聲速相近的鋼材料制備。
1.3.2 全自動超聲檢測實施
采用PVUT-Ⅱ型超聲波探傷儀（見圖6）對制作的缺陷氣瓶進行檢測，檢測結(jié)果如圖7，8所示。
1.3.3 試驗結(jié)果及分析
由試驗結(jié)果可知，該檢測技術(shù)對測厚具有很好的檢測效果，可以快速選定最小壁厚位置，以進行復驗；系統(tǒng)自帶檢測結(jié)果統(tǒng)計、篩查功能，可以對最小壁厚、最大壁厚、平均壁厚進行統(tǒng)計和篩查；對外表面人工缺陷顯示清晰，有利于下一步的手工復驗。
然而，該檢測方法實施檢測時需要將氣瓶移動至自動超聲檢測裝置上，對于固定于某個場地或裝置使用的氣瓶，較難實現(xiàn)氣瓶不拆卸檢測。但在不拆卸檢測發(fā)現(xiàn)可疑缺陷或問題時，可作為一種較好的檢測比對方法。
1.4 陣列渦流檢測
1.4.1 檢測儀器及探頭
文章所提陣列渦流檢測試驗選用Eddyfi公司生產(chǎn)的Ectane2型檢測儀，搭配襯墊式陣列渦流探頭，檢測現(xiàn)場如圖9所示。該探頭線圈直徑為3.5 mm，含32個線圈、60個通道（縱向30個、橫向30個），能自適應(yīng)缺陷走向，同步檢出多方向缺陷，適用于寬度不大于56 mm的檢測區(qū)域。
切向陣列渦流檢測技術(shù)（TECA）采用多路復用切向與扁平線圈相組合，可實現(xiàn)工件表面及近表面缺陷的高效檢測。該技術(shù)通過雙通道設(shè)計實現(xiàn)各向異性缺陷檢測：①TR橫向通道，利用正交激勵線圈產(chǎn)生方向性渦流場，捕捉渦流與橫向裂紋作用產(chǎn)生的特征信號，可精準檢測裂紋長度與深度，顯著提升檢測靈敏度；②Lg縱向通道，切向線圈激發(fā)的渦流沿試件表面?zhèn)鞑ィ苯玉詈洗艌龈蓴_，可穩(wěn)定檢測縱向裂紋長度與深度。
雙通道通過差異化配置激勵頻率、線圈布局及信號處理算法，形成正交檢測能力：TR通道基于高頻趨膚效應(yīng)檢測表面缺陷，Lg通道利用低頻穿透性評估近表面缺陷。系統(tǒng)集成同步采集與成像算法，實時生成二維缺陷分布圖，定位精度高。
1.4.2 試驗結(jié)果及分析
掃查方向與刻槽方向一致及垂直的掃查結(jié)果如圖10，11所示，可見，相較其他表面檢測手段，陣列渦流檢測具備高效檢測、數(shù)據(jù)詳實、支持C掃成像及便于數(shù)據(jù)存檔等優(yōu)勢。該技術(shù)可穿透表面非導電涂層，其穿透能力與陣列探頭線圈結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，且對不同位置刻槽的涂層檢測效果存在差異，這為鋼質(zhì)無縫氣瓶帶涂層免拆卸檢測提供了重要參考。
1.5 爆破試驗
氣瓶爆破試驗是一項破壞性測試，其主要目的分為以下4種。
（1）驗證極限強度：通過加壓至氣瓶爆破，測定其最大承載能力，確保設(shè)計強度符合安全標準，保障正常工況下的安全性。
（2）排查缺陷問題：暴露材料內(nèi)部裂紋、氣孔等潛在缺陷，以及成型、熱處理等工藝環(huán)節(jié)的薄弱點。
（3）評估安全余量：計算實際爆破壓力與標稱工作壓力的比值（爆破系數(shù)），確保其符合法規(guī)要求。
（4）分析失效模式：觀察斷裂位置與形態(tài)（如塑性/脆性斷裂），驗證失效模式是否與設(shè)計預期一致，降低意外事故風險。
1.5.1 爆破試驗實施
此次爆破試驗依據(jù)標準GB/T 15385—2022《氣瓶水壓爆破試驗》進行試驗裝置包括加壓裝置、承壓管道、測量儀表和數(shù)據(jù)處理計算機。
1.5.2 試驗結(jié)果及分析
（1）氣瓶在34.7 MPa壓力下發(fā)生爆破，其壓力和進水量-時間曲線（見圖12）顯示，爆破前壓力呈線性上升至峰值后驟降，符合韌性斷裂的能量耗散特征（即材料通過塑性變形吸收能量，無突發(fā)脆性斷裂的壓力陡降現(xiàn)象）。
（2）氣瓶爆破口（見圖13）呈縱向撕裂狀，位于氣瓶中部偏下部位，撕裂口與筒體軸線平行，為主應(yīng)力（周向應(yīng)力）主導下的拉伸斷裂特征；撕裂口起源于0.6 mm深度刻槽處，沿4處人工刻槽連線擴展，說明4處人工缺陷形成了連續(xù)的應(yīng)力集中帶。
（3）氣瓶爆破口最大長度為440 mm；最大寬度處為60 mm，裂口中部寬度最大，為裂紋穩(wěn)定擴展階段的塑性變形區(qū)域，邊緣寬度收窄至剪切唇，符合“纖維區(qū)–放射區(qū)–剪切唇”的三區(qū)域斷口模型（纖維區(qū)對應(yīng)刻槽起源處，放射區(qū)沿刻槽連線擴展，剪切唇為最終斷裂邊緣）形態(tài)。
人工缺陷模擬氣瓶實際服役中可能出現(xiàn)的表面缺陷（如劃傷、腐蝕坑），通過可控缺陷誘發(fā)斷裂，驗證材料在缺陷存在下的斷裂韌性——若裂口沿刻槽擴展且呈現(xiàn)韌性特征，表明材料對淺表層缺陷具有一定容限。
此次氣瓶爆破試驗表明，氣瓶材料對淺表層缺陷具有良好的容限，但需在制造和使用中控制刻槽類缺陷的深度與分布，以確保服役安全性。建議在實際氣瓶檢測中，重點關(guān)注縱向缺陷（與此次裂口方向一致），采用相控陣超聲或渦流檢測技術(shù)排查表面/近表面刻槽類缺陷。氣瓶在役檢驗時，一般不進行爆破試驗。僅在對氣瓶材料性能或者關(guān)鍵參數(shù)有懷疑時，從批量氣瓶中抽樣進行爆破試驗。
1.6 聲發(fā)射檢測
聲發(fā)射檢測通過在材料表面耦合壓電陶瓷探頭，將聲發(fā)射源產(chǎn)生的彈性波轉(zhuǎn)換為電信號。電信號經(jīng)電子設(shè)備放大、特性化處理后，再進行顯示與記錄，進而獲取聲發(fā)射源特性參數(shù)。分析這些參數(shù)，可判斷材料內(nèi)部缺陷狀況。采用多通道檢測系統(tǒng)，還能精準定位缺陷位置。
壓力容器/氣瓶的聲發(fā)射檢驗包含役前驗證、在役定期檢測及運行在線監(jiān)測3類，均需在容器加載狀態(tài)下開展動態(tài)測試。聲發(fā)射檢測與常規(guī)無損檢測方法存在顯著差異。
1.6.1 聲發(fā)射檢測實施
聲發(fā)射儀器型號為SAEU32，傳感器型號為SR150M，檢測頻率為100~400 kHz，采用真空脂作為耦合劑，模擬源采用2H?0.3 mm斷鉛，在氣瓶前、后端直管段上各布置一個傳感器（利用磁夾具進行固定），采用升壓監(jiān)控的方式進行檢測，聲發(fā)射探頭布置如圖14所示。
1.6.2 試驗結(jié)果及分析
聲發(fā)射檢測得到的不同通道撞擊數(shù)如圖15所示。試驗采用2個聲發(fā)射傳感器，1#通道接收到的撞擊數(shù)為358，2#通道接收到的撞擊為37，各撞擊數(shù)持續(xù)時間為30 000 μs，信號幅度大于67 dB。聲發(fā)射檢測作為一種判定設(shè)備內(nèi)部活性缺陷的有效檢測方法，其檢測效果受到多種因素的影響，比如介質(zhì)的注入、加壓速率過大、外部機械振動等。
為保障試驗過程的安全，此次采用爆破試驗裝置進行升壓，由于該設(shè)備加壓速率過大（標準NB/T 47013.9—2012《承壓設(shè)備無損檢測第9部分：聲發(fā)射檢測》要求升壓速度一般不應(yīng)大于0.5 MPa·min?1），沒有達到預期的檢測效果。
2. 檢測方法對比分析
氣瓶各種檢測方法的對比分析結(jié)果如表3所示，其中帶“*”的項目是此次進行了研究，但不能應(yīng)用于氣瓶不拆卸檢驗的項目。
| 檢測方法 | 優(yōu)勢 | 局限性 |
|---|---|---|
| 高頻導波檢測 | 對內(nèi)、外表面的金屬損失敏感，用于檢測內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷，比如裂紋、腐蝕等，在線檢測效果好、檢測效率高、檢測范圍廣、可檢測無法觸及的區(qū)域 | 需要耦合條件；不能區(qū)分內(nèi)外壁損傷 |
| 射線數(shù)字成像檢測（DR） | 一種快速、高精度的在線檢測技術(shù)，對體積型缺陷（氣孔、夾渣、燒穿、未焊透）檢測效果好，對面積型缺陷（未熔合、裂紋）也有很好的檢出率，靈敏度高、成像速度快、可用于在線不拆卸檢測 | 如果面積型缺陷（未熔合、裂紋）厚度方向的高度小或方向和射線平行，不容易發(fā)現(xiàn)或造成漏檢；安全防護要求高 |
| 全自動超聲波探傷檢測* | 可以同時進行測厚和超聲波探傷，可靠性和重復性高、自動化檢測、檢測精度高，無需對外表面涂層進行去除 | 氣瓶需拆卸，現(xiàn)場實施困難；非在線檢測手段 |
| 切向陣列渦流檢測（TECA） | 可實現(xiàn)現(xiàn)場不拆卸檢測、無需對外表面涂層進行去除、對表面和近表面具有很好的檢測效果，靈敏度高、適應(yīng)性強、檢測效率高 | 無法檢測內(nèi)部埋藏缺陷 |
| 聲發(fā)射檢測（AE） | 能有效判定設(shè)備內(nèi)部活性缺陷，可實現(xiàn)現(xiàn)場不拆卸檢測；具有響應(yīng)速度快、對材料無損傷、能夠檢測到微小活性缺陷（可檢出壓力加載過程中活性缺陷的部位、活性和強度）；對構(gòu)件的幾何形狀不敏感 | 只能檢測活性缺陷；需要適當?shù)募虞d程序；難以對缺陷進行定量評定；對材料的敏感性較高；對環(huán)境噪聲敏感、信號解釋復雜等 |
| 水壓爆破試驗* | 驗證氣瓶的極限強度、檢測材料缺陷和工藝問題、評估安全余量、分析失效模式等 | 是一種破壞性試驗，非在線檢測手段 |
結(jié)合現(xiàn)有檢驗檢測法規(guī)標準和工程實踐，初步確定高壓氣瓶不拆卸檢驗的檢測方法為壁厚測定（含電磁超聲測厚）、高頻導波檢測、射線數(shù)字成像檢測、陣列渦流檢測、聲發(fā)射檢測等。
3. 無損檢測證書掛證網(wǎng)結(jié)語
文章選擇預制了典型軸向線性刻槽缺陷的樣瓶為試驗對象，對目前主要的可實現(xiàn)不拆卸檢驗的檢測手段進行了驗證性試驗；對各種檢測方法的技術(shù)特點、技術(shù)局限性進行了深入分析比較，初步確定了氣瓶不拆卸檢驗的檢測方法，并驗證了檢測有效性和可行性。
此次試驗針對的是含有危險性較大的軸向線性缺陷的氣瓶，后續(xù)可補充對含有橫向線性缺陷、孔型缺陷等缺陷的氣瓶的試驗，以綜合驗證各種檢測方法的有效性和準確性。
為精準反映氣瓶運行狀態(tài)（如壓力、溫度、應(yīng)變等參數(shù)），提升完整性管理水平，還可運用先進傳感器、物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)技術(shù)，搭建在線實時監(jiān)測系統(tǒng)。如選用壓力、溫度、超聲波壁厚、聲發(fā)射、應(yīng)變位移等傳感器，集成數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊，構(gòu)建在線監(jiān)測預警平臺，實現(xiàn)達到實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲及預警功能，從而動態(tài)評估氣瓶安全狀態(tài)，快速識別風險并觸發(fā)響應(yīng)，提升安全管理水平。
