摘 要：存储压力容器被广泛应用于我国的化工、燃气以及石油等行业。在多种大型存储罐中，球形储罐最为实用，其质量对后期的使用安全具有重要影响。本文从球形储罐的特点出发，对球形储罐的生产、安装以及使用过程中的无损检测技术进行研究和探讨，介绍多种无损检测技术及发展方向，旨在为我国的无损检测技术的发展提供理论帮助。
关键词：球形储罐；无损检测；发展方向
随着我国经济和科技的进步，各行各业的发展速度也在不断加快，作为化工、燃气以及石油等行业重要存储设备，其工作的环境条件较为恶劣，大部分处于露天中，且工作压力比较高，若其制造及安装中存在缺陷，则极易在使用中造成严重事故，因此，在生产和使用的过程中，必须对球形储罐进行严格的技术检测。无损检测技术的是在设备不受到损害的前提下进行的无损检测，通过不同的检测方法能够检测出设备表面及内部缺陷，有助于工作人员及时采取补救措施，完善压力容器的质量，从而避免安全事故的发生。
一、球形储罐的特点
球形储罐的形状较为特殊，对称性较强，受到的压力较为均匀，因此，允许最大承载量要高于其他的压力容器。此外，存储条件相同时，在占地面积和制造成本等方面，球罐也占有一定的优势。
球形储罐存储的介质种类主要为液态气体，如天然气、烯烃类、氨、氧气、氩气、氮气等，球体的材料一般为碳素钢和低合金钢，如Q245R、Q345R（16MnR）、16MnDR 、15MnNiDR、09MnNiDR等钢，球壳由各带及上、下极组成，结构组合的形式一般为橘瓣式和混合式。支座主要是支柱型式，支柱与球壳的连接一般为赤道正切或相割型式，连接处焊接有直接焊和加U型托扳焊。受到体积和生产工艺的限制，储罐一般在生产完各个部件之后，才进行运输和组装。
二、球形储罐的无损检测技术及发展方向
球罐的无损检测要求可分如下几方面
（一）球形储罐制造过程中的无损检测技术要求
在生产的环节中，主要的操作为切割球形外壳的钢板和钢板的压制、焊接各种接管等几个部分，也是检测的主要对象。一般情况下，碳素钢和低合金钢使用超声检测技术来检验球壳的钢板；使用磁粉与渗透检测技术来进行外壳的坡口以及接管焊缝的检测。超声检测的要求是检测出钢板是否存在分层和裂纹以及白点等缺陷，此缺陷一般是由压制和冶炼过程不合理而造成的。球壳的钢板的超声检测要求及质量等级的主要依据为《钢制球形储罐》，其中对于不同种类及厚度的钢板做出了不同的要求，例如，若钢板的种类为：Q245R厚度不小于30mm；Q345R厚度不小于33mm；Q370R厚度不小于25mm；16MnDR或者Ni系低温钢（调质钢除外），厚度不小于20mm，必须逐张进行超声检测而且合格级别不低于Ⅱ级。但所有与人孔、接管相焊球壳板和与支柱焊接的赤道板的碳素钢和低合金钢球壳板应逐张进行超声检测。对于超声检测探头的选用需要根据钢板的厚度来确定。若钢板的厚度在20mm以上，250mm以下，则需要选用圆晶片或者方晶片单晶直探头，圆晶片的直径在14mm和25mm之间，方晶片的面积不小于200mm2，若调质状态的钢板检测结果低于Ⅱ级，热轧状态的钢板检测结果低于Ⅲ级，均属于不合格产品。
对已经切割完毕的钢板进行检测时，需要在周边小于100mm内应进行超声检测，检测要达到100%。
（二）球形储罐安装过程中的无损检测技术要求
球形储罐的安装方式主要有两种，分别为散装和球带组装。无论哪种方式，在现场直接进行组装的条件设施远不及生产车间，施工的设施和环境都较差，施工的质量受到很大的影响，尤其是手工焊缝的操作极易出现质量缺陷，例如，气孔、夹渣、错边、未焊透、未熔合和裂纹等。对安装过程的检测方式主要有射线检测、超声检测方法以及磁粉与渗透的检测方式。前两种方式主要针对焊缝内部，后两种方式主要针对焊缝的外部的检测，同样具有重要地位。
1.射线和超声检测
检测的范围要求达到100%球罐有：1）设计压力不少于1.6 MPa的Ⅲ容器球罐；2）按分析设计的和盛装易爆和毒性为极度或高度危害介质的；3）进行气压或气液组合耐压试验的；4）钢材标准抗拉强度下限不小于540MPa、5）图纸设计要求的。6）厚度大于30mm的奥氏体钢、Q245R、Q345R、Q370R钢制罐。其他情况可以进行局部检测，检测比例按设计文件要求，每条焊缝检测长度不少于20%，且包括焊缝交叉部位。但个别较为重要的部位必须进全部检测，如：嵌入式接管与球壳对接焊缝；补强圈及垫板所覆盖的焊缝；开孔直径1.5倍范围内的焊缝；直径不少于250mm接管对接缝。100%检测的；射线检测技术级别不低于AB级，合格级别不低于Ⅱ级，脉冲式超声波技术级别不低于B级，合格级别不低于Ⅰ级。局部检测的；射线检测技术级别不低于AB级，合格级别不低于Ⅲ级，脉冲式超声波技术级别不低于B级，合格级别不低于Ⅱ级。如采用衍射时差法超声波检测，所有合格级别不低于Ⅱ级。
虽然2014版的《钢制球形储罐》无损检测的选择要求，不推荐采用γ射线全景曝光射线检测，对碳素钢、低合金钢优选择采用衍射时差法超声波检测。但实际上我国新安装的球罐绝大部分无损检测目前还是选用γ射线全景曝光射线检测，主要是因为受到球罐结构特点的影响，γ射线照相具有可一次全景曝光、工作效率高、劳动强度和成本低等特点，γ射线源的位置一般设置在球形储罐的中心，能够大大节简化操作的步骤、节省很多工作量，仅仅需要一次就可以完成焊缝检测的所有工作。其次是γ射线源穿透力强。
进行无损检测时，一定注意实施时机，特别是有延迟裂纹倾向材料的球罐。
2.表面探伤
表面探伤主要是磁粉和渗透检测，铁磁性材料进行表面探伤优先采用磁粉探伤，如在球罐内应采用荧光磁粉探伤，探伤位置为内外表面对接焊缝、焊补处、接管角焊缝、支柱、垫板角焊缝。要注意的是有再热裂纹倾向材料的球罐焊接接头在热处理后或耐压试验后增加一次100﹪表面探伤；准抗拉强度下限不小于540MPa材料的球罐在耐压试验前也要增加一次100﹪表面探伤。检测之前需要对检验部位进行打磨处理，打磨的程度以出现金属光泽为标准，此外，还需要保证母材和焊缝之间的过度较为平滑。此检测的主要标准为JB4730，检测结果需要达到Ⅰ级标准才能符合相关的质量标准。
（三）使用球形储罐检验时的无损检测技术要求
众所周知，球罐在运行中发生低应力脆断或爆炸事故是十分危险的，球罐各种运行破裂事故大部分都是因焊缝区的各种裂纹源的产生及扩展诱发的，因此有效地控制各种裂纹源，就能提高球罐的安全运行性。所以对在用的球罐进行定期的检测是非常必要的，定期检验中无损检测尤其重要。球罐由于安装焊接质量没控制好，留下各种各样的缺陷，其中裂纹是最常见也是最危险缺陷，主要是残余应力造成的，裂纹有表面和内部之分，所以常用表面探伤（MT、PT）探表面，表面探伤除对接缝内外表面外，支柱、管座、垫板与球壳焊接角缝也要探；内部缺陷采用射线或超声波探伤，超声波探伤对危害性大裂纹、未熔合最敏感，而射线探伤对夹渣、气孔具有较高灵敏度，另外特点就是球罐一般板厚较厚。为此综合来还是优先选用超声波探伤，有超标缺陷再射线探伤加以复核。当然如是奥氏体材料球罐只能选用渗透和射线检测。
对首次开罐检验球罐，特别是有延迟裂纹倾向材料的球罐，建议所有焊缝都要100%内外表面探伤，100%超声波探伤（或射线探伤），对于第二周期定期检验的探伤比例就根据《压力容器定期检验规则》而定，但要包括上周期返修的部位。
三、球形储罐的无损检测技术发展方向
传统球罐定期检验无损检测方法是：内部检验以脉冲形超声波探伤为主，射线探伤为辅；表面探伤以磁粉、渗透探伤为主。但随着科技的发展，新技术的日新月异，为了准确探测到缺陷，很多无损检测方法已渐渐代替传统的检测，成为一种发展趋向，下面简述几种检测方法：
（一）衍射时差法超声波检测（TOFD）
2009版《固定式压容器安全监察规程》将衍射时差法 （TOFD）列入，TOFD是一种依靠从待检试件内部结构（主要是指缺陷）的“端角” 和“端点”处得到的衍射能量来检测缺陷的方法，与常规的超声技术不同，TOFD法不用脉冲回波幅度对缺陷大小做定量测定，而是靠脉冲传播时间来定量，对于焊缝中部缺陷检出率很高，是最精确的缺陷尺寸测量技术，TOFD优点：容易检出方向性不好的缺陷；可以识别向表面延伸的缺陷；采用TOFD和脉冲回波相结合，可以实现100%焊缝覆盖；沿焊缝作一维扫查，具有较高的检测速度；缺陷定量、定位精度高。不足之处是：上、下表面附近有盲区；对“噪声”敏感；夸大了一些良性的缺陷， 如气孔， 冷夹层， 内部未熔合；目前TOFD检测技术的研究和应用也在蓬勃发展，影响日益扩大。在检测中配备脉冲式超声波检测，被免上、下表面附近盲区，探测准确率大大提高。现已广泛应用于球罐检验中。
（二）超声相控阵检测
超声相控阵技术使用不同形状的多阵元换能器来产生和接收超声波波束，通过控制换能器阵列中各阵元发射（或接收）脉冲的时间延迟，改变声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方向的变化，然后采用机械扫描和电子扫描相结合的方法来实现图像成像。与传统超声检测相比，由于声束角度可控和可动态聚焦，超声相控阵技术具有可检测复杂结构件和盲区位置缺陷和较高的检测频率等特点，可实现高速、全方位和多角度检测。对于一些规则的被检测对象，如管形焊缝、板材和管材等，超声相控阵技术可提高检测效率、简化设计、降低技术成本。特别是在焊缝检测中，采用合理的相控阵检测技术，只需将换能器沿焊缝方向扫描即可实现对焊缝的覆盖扫查检测。相控阵检测在球罐的检测中已日益成熟，设备操作过程也简单快捷，操作起来也健康环保，对人及环境无害。如与TOFD结合，弥补了TOFD检测上、下表面附近盲区不足。
（三）声发射检测
我国从70年代就研究声发射技术，到80年代中期在压力容器检测中得到应用，至2004年的《在用压力容器定期检验规则》明确了其检测结果可作为定级评定的依据。声发射检测技术是声发射源释放出的弹性波在结构中传播时携带有大量结构或材料缺陷处的信息，用仪器检测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术。声发射检测技术是一种动态无损检测方法，其信号来自缺陷本身，因此，用声发射检测法可以判断缺陷的活动性和严重性。这意味着与缺陷尺寸无关。而是显示正在扩展的最危险缺陷。球形储罐声发射检验是通过对球罐加压，球罐内存在的活动缺陷受力活动，产生声发射信号，然后参照料相关标准对检测到的声发射信号进行评价，然再对球罐作出综合评级。加压形式有进行水压和给介质升压。
声发射检测的主要仪器为发射仪，将发射的探头之间的距离控制在3m以上，5m以下，且通道的数量需要达到一定的标准。为了避免应力释放造成的信号干扰，在第一次降压完成后需要进行二次升压，此方法只能确定活性缺陷的位置，不能够确定缺陷的具体性质，还需要使用常规的无损检测技术来进行检测。
声发射检测的优点只要有：1）声发射是动态检测，探测到能量来自被测试的本身，较为准确；2）声发射检测对线性缺陷较为敏感，对活动缺陷敏感，对稳定缺陷不产生信号；3）一次试验中，声发射能够整体检测和评介整台设备的活性缺陷。4）可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化实时或连续信息，方便对设备监控及临近破坏预测。5）对在用设备定期检验，可通过声发射检测方法缩短检验停产时间或需停产；6）由于对几何形状不敏感，可适用受限制形状复杂构件。
现在声发射检测技术已很成熟了，已广泛应用于压力容器特别是大型球罐、贮罐或停不了机的设备检测中。
（四）电磁涡流表面裂纹检测
焊缝表面裂纹的磁粉或渗透检测都需要将被检焊缝表面事先进行清洁处理，除去表面防腐层或污垢，因此不适合球罐的在线检测。基于复平面分析的电磁涡流表面裂纹检测仪器采用电流扰动磁敏探头的涡流检测技术来检测焊缝的表面裂纹，此方法允许焊缝表面较为粗糙或带有一定厚度的防腐层，因此可用于球罐运行过程中的焊缝外表面裂纹的快速检测，也可用于球罐停产时的全面检验。
（五）磁记忆检测
金属磁记忆检测技术是一种检测材料应力集中和疲劳损伤的新的无损检测与诊断方法。磁记忆检测可以发现材料受力后引起的疲劳损伤，甚至导致裂纹缺陷的产生，进行磁记忆检测不需对焊缝表面进行打磨处理，可在带油漆层的情况下直接进行快速扫查检测，因此这种方法也是特别适合于对球罐进行的在线检测。磁记忆检测方法发现的是球罐上存在的高应力集中部位，而往往在这些部位容易产生应力腐蚀开裂和疲劳损伤。对球罐进行检测时，通常采用磁记忆检测仪器对球罐焊缝进行快速扫查，以发现压力容器焊缝上存在的应力峰值部位，然后对这些应力峰值部位进行局部表面磁粉检测和内部超声检测，以发现可能存在的表面裂纹或内部缺陷。
三、结束语
损检测技术在球罐的制造、安装和使用过程中，对保证其质量和安全运行扮演极其重要的角色。对于安装过程，以对接焊缝的射线或超声检测方法为主；对于在用过程的定期检验，无损检测技术能够在不损害球罐质量的前提下进行有效监测，对球罐的生产和安装以及使用过程进行定期检测能够及时发展质量缺陷，并进行弥补，避免安全事故的发生，避免不必要的财产损失。随着新技术不断发展，越来越像电磁涡流检测和磁记忆检测等新技术在在线检测方面已开始得到应用。可以预计，随着新的无损检测技术的发展，必将有一些检测速度更快、灵敏度和可靠性更高、缺陷显示更直观的新方法在球罐的检测中得到应用。但无论无损检测技术包含多种，在进行检测时，还是需要按照我国的相关标准，结合球罐的具体情况进行检测。
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