加氫反應(yīng)器凸臺(tái)堆焊層裂紋的PA超聲波檢測

陳永強(qiáng)，肖 雄，俞 健，王郁林，陳立義

（1.金陵石化公司壓力容器檢驗(yàn)中心，南京 210033；2.江蘇中宇檢測有限公司，南京 210012；3.南京金昂科技有限公司，南京 210033）

加氫反應(yīng)器是石化加氫裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其工作條件為高溫、高壓、臨氫，為保證筒體的高溫強(qiáng)度和抗氫腐蝕的需要，筒體內(nèi)壁采用奧氏體不銹鋼堆焊層［1］。堆焊方法多為自動(dòng)帶極堆焊，對支撐內(nèi)構(gòu)件的凸臺(tái)表面采用雙層手工堆焊，凸臺(tái)堆焊層由于制造和使用中材料脆化和應(yīng)力集中原因容易產(chǎn)生開裂［2］。裂紋的存在和擴(kuò)展，降低了反應(yīng)器的使用安全性能，特別是當(dāng)裂紋穿透堆焊層，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器基材失去保護(hù)而產(chǎn)生嚴(yán)重后果［3］。為了對在用加氫反應(yīng)器的使用安全性能做出準(zhǔn)確、可靠的評估，迫切需要獲得裂紋的精確尺寸，尤其是裂紋自身高度的數(shù)據(jù)，因此裂紋高度測量的方法和精度成為關(guān)鍵。目前，對凸臺(tái)堆焊層裂紋的檢測多采用常規(guī)超聲檢測方法［4］，筆者對加氫反應(yīng)器凸臺(tái)堆焊層裂紋高度測量進(jìn)行了研究，以下介紹采用相控陣（PA）超聲技術(shù)測量凸臺(tái)堆焊層裂紋高度的方法和應(yīng)用。

1 檢測對象

如圖1所示凸臺(tái)，部分隨筒體（2.25Cr1Mo）整體鍛造形成，經(jīng)堆焊加高，機(jī)加工后再堆焊TP309不銹鋼耐熱鋼和TP347奧氏體熱強(qiáng)鋼，與筒體堆焊層形成整體。凸臺(tái)堆焊層裂紋位于手工堆焊部位（根部R處），裂紋宏觀形貌為環(huán)向微曲斷續(xù)狀分布，如圖2所示，裂紋深度方向走向基本垂直于表面，曲折連續(xù)有分叉［5］。

2 裂紋高度測量的難點(diǎn)

滲透檢測方法可有效檢測凸臺(tái)裂紋及長度，但無法定量裂紋自身高度。渦流檢測、電導(dǎo)率測深方法定量精度很低、效果差。因結(jié)構(gòu)限制，TOFD、射線檢測均無法實(shí)施。常規(guī)脈沖反射法超聲檢測，由于自身局限性、堆焊層粗晶和凸臺(tái)結(jié)構(gòu)原因，裂紋高度定量精度均不高。

圖1 凸臺(tái)結(jié)構(gòu)與尺寸

圖2 凸臺(tái)堆焊層裂紋宏觀形貌

相控陣（PA）超聲檢測是一種可精確測定缺陷高度的新技術(shù)。它采用一定數(shù)量小晶片組成的陣列探頭，通過延遲法則，發(fā)射和接收預(yù)設(shè)角度、聚焦?fàn)顟B(tài)、掃描方式的聲束，檢測缺陷上、下端點(diǎn)衍射（反射）信號(hào)的時(shí)間差，以A、B、C、D、S掃查彩色圖像顯示缺陷端點(diǎn)位置，用專用分析軟件計(jì)算和測量缺陷的長度和高度［6］。

然而，對凸臺(tái)堆焊層裂紋而言，復(fù)合層結(jié)構(gòu)的聲學(xué)異性、堆焊層的粗晶及聲速的不一致性、形狀和尺寸的限制，會(huì)影響相控陣超聲檢測技術(shù)對裂紋定量檢測的實(shí)施與精度。需要考慮探頭晶片數(shù)量、檢測面及探頭位置、聲束與復(fù)合界面夾角、電子掃查方式等來提高檢測靈敏度、分辯率和信噪比［7］，從而實(shí)現(xiàn)對裂紋高度的精確測量。

3 凸臺(tái)裂紋相控陣超聲檢測法

3.1 模擬裂紋試塊

按照反應(yīng)器凸臺(tái)結(jié)構(gòu)、尺寸、材質(zhì)、焊接工藝制作模擬試塊，采用線切割方法加工模擬裂紋。

試塊1凸臺(tái)尺寸為70mm×60mm，A 側(cè)裂紋高度為8mm，B側(cè)裂紋高度為10.5mm；試塊2凸臺(tái)尺寸為50mm×40mm，A 側(cè)裂紋高度為2mm，B側(cè)裂紋高度為3mm，如圖3所示。

圖3 反應(yīng)器不同凸臺(tái)試塊

3.2 模擬裂紋的檢測

如圖4所示，檢測面選擇凸臺(tái)外側(cè)面，探頭放置應(yīng)盡可能靠近裂紋對側(cè)。采用Olympus OmniScan－SX 16－64儀器、SA12 5L－64探頭（激發(fā)孔徑16）、SA12 5L64－L60楔塊、扇形掃查方式（0～60°、角度分辨率1°），對凸臺(tái)試塊模擬裂紋進(jìn)行定量檢測（圖5、圖6所示），檢測結(jié)果見表1。

圖4 凸臺(tái)兩側(cè)裂紋相控陣超聲檢測掃查示意

圖5 試塊1兩側(cè)裂紋S掃查圖像

圖6 試塊2兩側(cè)裂紋S掃查圖像

從表1結(jié)果可見，采用的檢測方法和工藝能測量高度2mm 及以上的裂紋，裂紋高度測量誤差最大值0.7mm。

3.3 實(shí)際凸臺(tái)裂紋的檢測和定量

對某石化企業(yè)加氫裂化反應(yīng)器（R102A）中凸臺(tái)上的40多條裂紋，進(jìn)行了相控陣超聲定量檢測。因自然裂紋形狀、走向、表面狀況等與模擬試塊上線切割槽存在差異，當(dāng)裂紋自身高度小于3mm 時(shí)，裂紋上下端點(diǎn)信號(hào)難以區(qū)分。圖7、圖8是6＃、17＃自然裂紋的相控陣檢測S掃查數(shù)據(jù)圖，6＃裂紋的高度測量值為2.9 mm，17＃裂紋的 高度測 量值為5.8mm。因此認(rèn)為，所采用的檢測方法和工藝適用于高度3mm 及以上凸臺(tái)自然裂紋的定量檢測。

表1 凸臺(tái)試塊模擬裂紋的高度測量結(jié)果 mm

雖然無法對反應(yīng)器凸臺(tái)堆焊層裂紋高度進(jìn)行解剖驗(yàn)證，但相控陣超聲檢測技術(shù)的原理和特點(diǎn)，決定了它對凸臺(tái)裂紋定量檢測的靈敏度、信噪比、分辯率等都遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)超聲檢測方法，裂紋高度測量精度和可靠性更高。

就加氫裂化反應(yīng)器R102A 而言，測出的凸臺(tái)堆焊層裂紋最大高度為8.3 mm，小于相應(yīng)部位堆焊層厚度（10.0～11.0mm），可以判斷裂紋仍在堆焊層范圍內(nèi)。據(jù)此，對反應(yīng)器使用安全性能所做出的評估更具有準(zhǔn)確性和可靠性。

圖7 R102A－6＃裂紋S掃查圖像

圖8 R102A－17＃裂紋S掃查圖像

4 結(jié)語

采用相控陣超聲檢測方法，可以對加氫反應(yīng)器凸臺(tái)堆焊層裂紋進(jìn)行定量檢測，可測量的最小裂紋高度為2mm（試塊）或3mm（工件），裂紋高度測量誤差小于1.0 mm。理論計(jì)算分析認(rèn)為，采用縱波楔塊5L64探頭（激發(fā)孔徑32）、聚焦聲束扇形掃查，可進(jìn)一步提高裂紋高度測量范圍和精度。該方法適用于不同規(guī)格凸臺(tái)堆焊層裂紋的定量檢測，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］高春華，邢芳，劉斌，等.不銹鋼堆焊層裂紋的產(chǎn)生及解決措施［J］.煉油與化工，2010（4）：38－40.

［2］朱勇，王郁林，陳永強(qiáng)，等.加氫反應(yīng)器堆焊層裂紋危害性及修復(fù)技術(shù)研究報(bào)告［R］.南京：中石化集團(tuán)金陵分公司，2009：3－8.

［3］丁國銓，沈士明.熱壁加氫反應(yīng)器堆焊層表面裂紋擴(kuò)展初析［J］.石油化工設(shè)備，2007，36（2）：55－58.

［4］董志勇，加氫裂化反應(yīng)器檢測技術(shù)應(yīng)用研究［R］.天津：天津大學(xué)，2007：19－24.

［5］陳永強(qiáng)，余健，牛向東，等.加氫裂化反應(yīng)器（R102A）定期檢驗(yàn)檢測報(bào)告［R］.南京：金陵石化公司壓力容器檢驗(yàn)中心，2013：9－20.

［6］強(qiáng)天鵬.承壓類特種設(shè)備無損檢測人員資格復(fù)考資料匯編［M］.北京：全國特種設(shè)備無損檢測人員考委會(huì)，2012：163－175.

［7］陳永強(qiáng)，肖雄，王郁林，等.加氫反應(yīng)器凸臺(tái)堆焊層裂紋檢測和定量研究報(bào)告［R］.南京：中石化集團(tuán)金陵分公司，2009：10－27.