厚壁容器堆焊層剝離超聲檢測成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張寶軍，張海波，嚴(yán)智，鐘志民，李瑋

(1.國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233;2.上海高橋石化設(shè)備研究所，上海 200137)

厚壁容器堆焊層剝離超聲檢測成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張寶軍1，張海波1，嚴(yán)智1，鐘志民1，李瑋2

(1.國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233;2.上海高橋石化設(shè)備研究所，上海 200137)

在石油化工領(lǐng)域及電力系統(tǒng)中存在著一些厚壁容器，以加氫反應(yīng)器為例，該容器運(yùn)行在高溫、高壓及腐蝕介質(zhì)下，尤其是在臨氫狀態(tài)下，長期使用會導(dǎo)致容器堆焊層的剝離。針對堆焊層剝離檢測，開發(fā)一套堆焊層剝離超聲檢測成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由三部分組成:機(jī)械掃查裝置、控制系統(tǒng)和超聲檢測成像系統(tǒng)，詳細(xì)介紹各部分的具體組成和功能。該系統(tǒng)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了檢測過程的半自動化、檢測數(shù)據(jù)和結(jié)果的可視化和直觀性，提高了檢測的效率和檢測結(jié)果的可靠性。

堆焊層;厚壁容器;自動檢測;超聲成像

在石油化工領(lǐng)域，存在著大量的大直徑厚壁容器，需要工作在高溫及腐蝕介質(zhì)環(huán)境，其母材內(nèi)表面均堆焊不銹鋼層，以提高其使用壽命。以石化公司的加氫反應(yīng)器為例，該類設(shè)備運(yùn)行在高溫、高壓以及臨氫條件下，長期使用后會出現(xiàn)堆焊層與母體材質(zhì)的層間剝離、堆焊層表面開裂、材料回火脆化和氫脆等現(xiàn)象［1－2］。大面積的堆焊層層間剝離以及層下裂紋的產(chǎn)生將影響到此類容器的使用壽命，并帶來安全生產(chǎn)隱患，因此及時地發(fā)現(xiàn)堆焊層層間剝離并定期進(jìn)行跟蹤檢測，有利于安全隱患的及時發(fā)現(xiàn)和排除，并為此類容器的使用壽命評估提供可靠的檢測分析數(shù)據(jù)［3－4］。

目前，針對堆焊層層間剝離的檢測方法通常是采用超聲波直探頭手動掃查。當(dāng)發(fā)現(xiàn)底面回波異?；蛘叨押笇咏缑婊夭@著時，根據(jù)超聲信號以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)判定層間剝離是否存在，并對剝離區(qū)域進(jìn)行人工確定和剝離面積計(jì)算。這種手動檢測主要存在以下缺點(diǎn): (1)手持探頭進(jìn)行掃查，檢測結(jié)果重復(fù)性差;(2)檢測效率低;(3)檢測結(jié)果的評價受人為因素影響較大，可比性差;(4)檢測結(jié)果無法保存，可追溯性差;(5)檢測結(jié)果不直觀［5－6］。

目前，國內(nèi)有大量的在役厚壁容器，尤其是石化行業(yè)的加氫反應(yīng)器運(yùn)行時間已超過10年，堆焊層剝離問題成為影響其安全可靠運(yùn)行的主要原因，為此，在歷次檢修過程中都投入大量人力物力進(jìn)行堆焊層剝離檢測。因此，研發(fā)堆焊層剝離半自動超聲檢測系統(tǒng)有助于提高檢測效率，縮短檢修工期 (檢測時間約為手工檢測的1/5)，提高經(jīng)濟(jì)效益，使檢測結(jié)果更直觀，并提高檢測結(jié)果的可比性［7－8］。主要針對直徑φ4 257 mm/φ4 247 mm，母材壁厚221 mm/221 mm、堆焊層厚度7.5 mm的加氫反應(yīng)器，開發(fā)一套適用于現(xiàn)場檢測的厚壁容器堆焊層剝離超聲檢測成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)厚壁容器堆焊層層間剝離的在役半自動超聲掃查，檢測數(shù)據(jù)的自動存儲、分析與評判，同時該系統(tǒng)對不同直徑、不同厚度的厚壁容器有一定的適用性。該研究成果已經(jīng)完成樣機(jī)制造機(jī)及調(diào)試，并于2010年應(yīng)用于某公司的加氫反應(yīng)器的堆焊層層間剝離檢測。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

厚壁容器堆焊層剝離超聲檢測成像系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有:(1)容器局部區(qū)域內(nèi)自動掃查，尤其適用于容器的抽檢和指定區(qū)域檢測;(2)自動識別缺陷;(3)實(shí)時顯示缺陷的相對位置、形狀以及大小; (4)可以實(shí)現(xiàn)全區(qū)域掃查和定點(diǎn)、定區(qū)域掃查;(5)對缺陷準(zhǔn)確定位與定量;(6)記錄、存儲掃查結(jié)果，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可追溯性。

由此設(shè)計(jì)的該系統(tǒng)由超聲探頭及夾具組件、超聲檢測板卡、超聲數(shù)據(jù)采集、后處理及圖像顯示系統(tǒng)、機(jī)械掃查裝置、上下位機(jī)控制系統(tǒng)組成。堆焊層剝離超聲檢測成像系統(tǒng)主要工作流程為:上位控制機(jī)啟動下位機(jī)進(jìn)行運(yùn)動檢測控制并觸發(fā)超聲檢測系統(tǒng)檢測→機(jī)械掃查裝置帶動超聲探頭沿設(shè)定的軌跡運(yùn)行，同時控制系統(tǒng)實(shí)時跟蹤探頭位置坐標(biāo)并發(fā)送給超聲檢測系統(tǒng)→超聲檢測系統(tǒng)檢測運(yùn)行并實(shí)時接收控制系統(tǒng)發(fā)送的探頭位置信號→超聲檢測系統(tǒng)將檢測結(jié)果以及探頭位置信息打包存儲并顯示。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

1.1 機(jī)械掃查裝置

厚壁容器堆焊層剝離超聲檢測成像系統(tǒng)機(jī)械掃查裝置主要由磁輪吸附組件、機(jī)械橫梁組件、垂直移動組件、同步帶壓緊組件、支撐輪組件、探頭夾具組件以及附件組成。

采用永磁式吸附，通過磁吸附將整個機(jī)械掃查裝置固定于厚壁容器外表面，通過絲杠傳動以及同步帶傳動，帶動探頭夾具沿著X、Y坐標(biāo)移動，實(shí)現(xiàn)超聲探頭的定區(qū)域掃查。整個掃查軌跡以可調(diào)節(jié)等間距的柵格形式進(jìn)行。

考慮工程應(yīng)用的便利，整個裝置采用模塊化設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)部件之間拆卸安裝方便，供水、電控均采用插接式連接，便于運(yùn)輸與現(xiàn)場的拆裝。裝置實(shí)物及組成如圖2所示。

圖2 機(jī)械掃查裝置

該機(jī)械掃查裝置具有如下特點(diǎn):

(1)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，整個機(jī)械掃查裝置由多個組件或者部件組成，安裝與拆卸方便，極大地方便現(xiàn)場工程應(yīng)用，同時也便于機(jī)械掃查裝置的維護(hù)、改進(jìn)以及運(yùn)輸;

(2)機(jī)械掃查裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡潔，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，總體質(zhì)量輕，方便了工程應(yīng)用;

(3)采用偏心輪起動磁輪，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，方便了磁吸附的安裝與拆卸;

(4)機(jī)械橫梁組件與垂直移動組件的滑槽式連接，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械橫梁組件與垂直移動組件的分體設(shè)計(jì);

(5)伸縮式探頭夾具的設(shè)計(jì)，適用于通用超聲探頭，可以根據(jù)不同需要更換超聲探頭，實(shí)現(xiàn)夾具設(shè)計(jì)的通用性，同時采用萬向滾輪壁面接觸方式，很大程度上減少了探頭與容器壁在二維移動方向的滑動摩擦。

1.2 控制系統(tǒng)

厚壁容器堆焊層剝離成像系統(tǒng)的控制系統(tǒng)本質(zhì)上是一個二維的運(yùn)動控制平臺，從系統(tǒng)要求的性能指標(biāo)來看，控制系統(tǒng)需要滿足如下指標(biāo):

(1)水平掃查速度可達(dá)6 mm/s無級可調(diào);垂直掃查速度達(dá)300 mm/s無級可調(diào);

(2)能夠?qū)崿F(xiàn)粗掃查和精密掃查，對指定的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精密掃查;

(3)系統(tǒng)的控制方式分為手動/自動，兩者之間可以切換;

(4)X軸(水平)和Y軸(垂直)兩個方向上的運(yùn)動誤差不大于±1 mm。

1.2.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

對運(yùn)動控制，必須控制X、Y方向上的2個電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動并具有良好的響應(yīng)速度。由此選擇了Technosoft公司的IPM100。IPM100將運(yùn)動控制和伺服驅(qū)動集成在一起，具有體積小、性能高、控制簡單、價格低等優(yōu)點(diǎn)，但是每個只能控制一個電機(jī)。若要兩臺電機(jī)協(xié)同控制，通過RS485總線將其連接起來。利用Technosoft運(yùn)動開發(fā)平臺IPM motion Studio實(shí)現(xiàn)快速安裝、測試和運(yùn)動程序開發(fā)。強(qiáng)大的TML指令庫易于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動次序的定義和執(zhí)行。

1.2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件主要完成對探頭位置的運(yùn)動控制，如圖3。用戶操作界面功能有:

(1)參數(shù)設(shè)置與顯示模塊主要是設(shè)置一些系統(tǒng)參數(shù) (如掃查長度、步進(jìn)寬度)和控制參數(shù) (如速度參數(shù)、加速度參數(shù)等);

(2)任何時刻，控制程序都時刻監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，隨時對系統(tǒng)故障做出相應(yīng)的處理。

圖3 控制掃查軟件界面

軟件部分包括X向運(yùn)動和Y向的掃查運(yùn)動、數(shù)據(jù)存儲及處理、手動控制、故障處理、運(yùn)動狀態(tài)顯示及故障顯示等。操作界面 (GUI)清晰、簡單，方便用戶調(diào)試、運(yùn)行，同時能夠?qū)⑺欧?qū)動器傳遞過來的信息顯示出來，便于監(jiān)控。任務(wù)編程模塊的主要功能為實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)的規(guī)劃，如X向和Y向運(yùn)動等，包括故障查詢、處理。

1.3 數(shù)據(jù)采集與成像系統(tǒng)

從容器外壁檢測內(nèi)壁堆焊層剝離主要是利用超聲脈沖反射法在剝離界面處發(fā)生強(qiáng)烈的反射波進(jìn)行的，同時，原底波伴隨有衰減現(xiàn)象。超聲波路徑示意圖如圖4所示，超聲波反射回波示意圖如圖5所示。

圖4 超聲波路徑示意圖

圖5 超聲波反射回波示意圖

1.3.1 超聲成像原理

由圖4可知，當(dāng)已知工件母材厚度t和工件總厚度s時，設(shè)定檢測范圍、檢測靈敏度和成像閘門A，使閘門A在實(shí)時采集顯示的A掃信號圖上位于工件總厚度s之前的包括母材厚度t處。若被掃查區(qū)域存在一定程度 (當(dāng)量)的剝離，其回波信號會超過閘門A并被成像軟件自動記錄。其幅度可用不同的顏色表示。因此，結(jié)合探頭運(yùn)動的位置信息，可形成剝離C掃描圖像，如圖6所示。

圖6 超聲剝離C掃成像原理圖

1.3.2 軟件模塊組成

該數(shù)據(jù)采集與成像系統(tǒng)由參數(shù)設(shè)置調(diào)整模塊、實(shí)時采集模塊以及成像與處理模塊組成。

(1)參數(shù)設(shè)置調(diào)整模塊。主要完成聲速測試及校準(zhǔn);探頭延遲的設(shè)置;掃描速度/量程的設(shè)置;探傷靈敏度的設(shè)定;其他參數(shù)的輸入。

(2)實(shí)時采集模塊。主要完成采集及其控制;數(shù)據(jù)文件的存儲路徑、名稱與機(jī)械控制系統(tǒng)的通信;以采集探頭位置信息實(shí)時顯示A掃波形;手動/自動采集。

(3)成像與處理模塊。主要完成A掃、C掃成像;數(shù)據(jù)回放、分析;剝離的測量和評價。

2 檢測試驗(yàn)

應(yīng)用上述檢測系統(tǒng)，對安裝在模擬體上的參考試塊進(jìn)行檢測，該參考試塊壁厚為108 mm，其中堆焊層厚度為8 mm。人工反射體為φ2、φ3、φ4、φ10的平底孔，從堆焊層處加工至界面處。

參考JB4730.3-2005標(biāo)準(zhǔn)，從母材側(cè)檢測堆焊層與母材的剝離，應(yīng)采用φ10的平底孔作為檢測的基準(zhǔn)靈敏度［9］。以此基準(zhǔn)靈敏度提高6 dB作為掃查靈敏度來檢測參考試塊，成像結(jié)果如圖7所示。

圖7 超聲剝離成像結(jié)果圖

由成像結(jié)果可以看出:該自動檢測成像系統(tǒng)在設(shè)定的檢測靈敏度下，對于φ4的平底孔，可以清晰成像。實(shí)際檢測過程中，根據(jù)檢測標(biāo)準(zhǔn)，對發(fā)現(xiàn)的剝離類缺陷進(jìn)行質(zhì)量評定。

3 結(jié)論

厚壁容器堆焊層剝離超聲檢測成像系統(tǒng)的開發(fā)具有較為廣泛的工程應(yīng)用前景。該系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了大直徑厚壁容器的堆焊層剝離半自動超聲檢測，避免了由于手動檢測帶來的效率低下、檢測結(jié)果重復(fù)性差、檢測數(shù)據(jù)可追溯性差的缺點(diǎn)，推動了檢測過程的自動化，提高了檢測結(jié)果的可重復(fù)性、可靠性、可對比性和可追溯性。該研究成果采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，方便了現(xiàn)場的工程使用，同時對系統(tǒng)的維護(hù)和改進(jìn)提供了方便。該研究成果具有創(chuàng)新性，是無損檢測自動化實(shí)踐的又一嘗試。該研究成果已經(jīng)應(yīng)用于某公司的加氫反應(yīng)器的堆焊層層間剝離檢測，同時該系統(tǒng)也可應(yīng)用于其他類似大直徑厚壁容器的堆焊層層間剝離檢測。

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Design of Auto-ultrasonic Testing and Imaging System for Thick Walled Vessel's Inner Welding Cladding Spalling

ZHANG Baojun1，ZHANG Haibo1，YAN Zhi1，ZHONG Zhimin1，LI Wei2
(1.State Nuclear Power Plant Service Company，Shanghai 200233，China; 2.Shanghai Gaoqiao Sino-petrifaction Equipment Research Institute，Shanghai 200137，China)

The thick walled vessel uesed in petrochemistry such as hydrogenation reactor is applied in high temperature，high pressure as well as near hydrogen condition.The vessel's inner welding cladding may spall after many years application.A set of autoultrasonic testing and imaging system for the vessel's inner welding cladding spalling was designed，mainly including three parts:the mechanism scanning equipment，the control system and the ultrasonic testing and imaging system.The functions of each part were detailed introduced.In the actual application，good testingeffect，high testing efficiency and reliable testing quality are obtained.

Welding cladding;Thick walled vessel;Auto-ultrasonic testing;Ultrasonic testing and imaging

TH865

B

1001－3881(2014)8－123－4

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.039

2013－01－19

張寶軍 (1972—)，男，碩士，高級工程師，主要從事機(jī)器人技術(shù)及自動檢測設(shè)備開發(fā)。E－mail:zhangbj@ snpsc.com。