全多層鋼制高壓儲氫容器定期檢驗方法研究

鐘海見 何 琦 繆存堅 郭偉燦

(1.浙江省特種設(shè)備檢驗研究院 杭州 310020)

(2.浙江省特種設(shè)備安全檢測技術(shù)研究重點實驗室 杭州 310020)

(3.浙江大學化工機械研究所 杭州 310027)

全多層鋼制高壓儲氫容器是我國自主研發(fā)、設(shè)計的產(chǎn)品，具有壓力高、體積大、抑爆抗爆功能、缺陷分散、氫氣泄漏可在線監(jiān)測以及制造經(jīng)濟簡便等優(yōu)點[1]。該容器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有單層、雙層和多層等多種形式，其中封頭是由內(nèi)外層均為半球形的雙層結(jié)構(gòu)與單層的接管鍛件對接焊接而成。由于容器結(jié)構(gòu)的特殊性，容器制造完成后難以進入容器內(nèi)部開展檢驗，僅能進行外檢測。外檢測常用的無損檢測方法主要有射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測和滲透檢測，其中，磁粉檢測和滲透檢測無法探測出容器內(nèi)部缺陷；常規(guī)射線檢測不僅穿透力不夠，且對厚壁容器面積型缺陷檢測靈敏度較低；超聲檢測具有操作方便、分辨率高、成本低、適應(yīng)面廣、對厚壁容器面積型缺陷檢測靈敏度較高等優(yōu)點，但不能檢測多層容器中間層及內(nèi)層缺陷，對單層的接管鍛件與半球形封頭對接焊縫檢測也受結(jié)構(gòu)形狀限制只能檢出局部缺陷。以上檢測現(xiàn)狀導致了現(xiàn)有的無損檢測方法和裝置難以檢測該類容器在使用過程中產(chǎn)生的缺陷。

圖1 全多層鋼制高壓儲氫容器基本結(jié)構(gòu)

筆者在綜合考慮全多層鋼制高壓儲氫容器失效形式基礎(chǔ)上，開展內(nèi)外部多種檢測手段有機結(jié)合的缺陷檢測方法與設(shè)備的研究，提出了一種內(nèi)置式曲面耦合超聲相控陣檢測方法，解決了鍛件與半球形封頭對接焊縫缺陷檢測關(guān)鍵技術(shù)難點。通過對含缺陷試塊進行檢測并結(jié)合CIVA軟件對聲場的仿真結(jié)果，驗證了該方法檢測埋藏缺陷和表面裂紋的有效性，在此基礎(chǔ)上提出容器定期檢驗方法。通過試驗研究，筆者提出的定期檢驗方法，可有效檢出容器在使用過程中產(chǎn)生的缺陷，保證容器的使用安全。

1 失效形式分析

壓力容器定期檢驗的基本目的就是防止壓力容器失效事故發(fā)生，特別是危害性最嚴重的破裂事故[2]，因此，壓力容器定期檢驗時應(yīng)對可能引起安全事故的失效方式進行全方位的分析，針對性地制定檢驗方案，將有可能引起容器安全事故的缺陷及時檢出和消除，從而確保容器的使用安全。全多層鋼制高壓儲氫容器結(jié)構(gòu)比較復雜，整個筒身內(nèi)筒為316L不銹鋼，其余厚度由多層低合金鋼鋼板制成，容器周身無深環(huán)焊縫，且繞帶層與容器封頭采用相互錯開的階梯狀斜面焊縫代替?zhèn)鹘y(tǒng)的對接焊縫，不僅增大了焊縫承載面積、提高了焊縫結(jié)構(gòu)的可靠性，而且實現(xiàn)了筒體與封頭應(yīng)力水平的平滑過渡[3-5]。內(nèi)、外半球形封頭采用厚度相近的整塊低合金鋼鋼板沖壓而成，半球形封頭外套有加強箍，使與筒體連接處的應(yīng)力水平大幅降低，同時封頭與加強箍焊縫部位具有足夠的強度，不會成為連接結(jié)構(gòu)的薄弱點。容器的雙層封頭結(jié)構(gòu)和帶有保護殼的鋼帶錯繞筒體結(jié)構(gòu)為實現(xiàn)區(qū)域全覆蓋的氫氣泄漏在線監(jiān)測提供了條件。當有泄漏發(fā)生時，信號顯示、報警儀會顯示大致的泄漏位置，并發(fā)出聲、光報警。根據(jù)上述容器的結(jié)構(gòu)和功能，其在使用過程中可能發(fā)生的失效形式主要有以下三種：

1.1 超壓爆破失效

壓力容器在內(nèi)壓作用下，產(chǎn)生的一次薄膜應(yīng)力達到所用材料的抗拉強度極限時就會發(fā)生容器超壓爆破失效，對全多層高壓氫氣儲罐而言，只有以下兩種情況下會發(fā)生容器超壓爆破失效：當內(nèi)壓達到其爆破壓力或者材料性能劣化使承壓能力嚴重下降時（如氫脆）?？紤]到全多層高壓氫氣儲罐具有未爆先漏特點，同時容器內(nèi)膽采用的是耐氫脆材料，因此，這兩種情況發(fā)生的概率很小。

1.2 疲勞破壞失效

全多層鋼制高壓儲氫容器在使用時會反復進行充氫和放氫，受到交變載荷的作用，容器有可能發(fā)生疲勞破壞失效。由于全多層鋼制高壓儲氫容器獨特的結(jié)構(gòu)，即使發(fā)生疲勞破壞，只要疲勞裂紋不發(fā)生在半球形封頭與單層接管連接的對接焊接接頭上，內(nèi)筒和內(nèi)半球形封頭的失效形式也只會是“只漏不爆”，而不會像單層高壓容器那樣發(fā)生整體脆性破壞。但若疲勞裂紋發(fā)生在半球形封頭與單層接管連接的對接焊接接頭上，則裂紋會擴展至焊縫外表面從而使容器破裂，導致氫氣直接泄漏從而造成安全事故，因此半球形封頭與接管連接的對接焊縫的質(zhì)量檢測是容器使用安全的重要環(huán)節(jié)。只要對接接頭的焊接質(zhì)量能夠保證，全多層鋼制高壓儲氫容器發(fā)生工作壓力下內(nèi)筒破壞的可能性很小，即使發(fā)生了，其失效形式只會是“只漏不爆”，且在泄漏剛發(fā)生時就能自動報警，進而采取相應(yīng)應(yīng)急措施便可以避免事故的發(fā)生。

1.3 泄漏失效

氫氣是很容易泄漏的介質(zhì)。由于腐蝕、疲勞、焊接缺陷或密封墊圈損壞等原因會發(fā)生氫氣泄漏失效，從而造成燃燒和爆炸等事故。由于全多層鋼制高壓儲氫容器泄漏點很少，最大可能的泄漏點是接管座密封面，其他雙層和多層部位的泄漏可以通過泄漏孔實現(xiàn)自動報警。

2 定期檢驗項目

在用壓力容器定期檢驗的性質(zhì)不僅僅是預防，還包含有預測的成分，預測壓力容器使用中可能產(chǎn)生的缺陷種類和易發(fā)生部位，從而在檢驗項目、方法、比例、重點部位等方面做出正確的選擇[2]。筆者在對容器失效形式進行全方位分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和TSG R7001—2013《壓力容器定期檢驗規(guī)則》要求，認為全多層鋼制高壓儲氫容器的定期檢驗項目，應(yīng)包括資料審查、宏觀檢驗（外部宏觀檢查、內(nèi)部內(nèi)窺鏡檢查）、壁厚測定（外殼）、缺陷檢測（表面缺陷檢測、埋藏缺陷檢測、多方法超聲檢測）、緊固件檢測、安全附件和報警裝置檢驗、泄漏性試驗等項目，必要時可進行耐壓試驗和聲發(fā)射檢測。除常規(guī)項目外，針對該全多層鋼制高壓儲氫容器的特殊檢驗項目有：

2.1 埋藏缺陷檢測

容器接管鍛件與半球形封頭對接焊縫埋藏缺陷檢測是定期檢驗關(guān)鍵項目，因為該部件是單層結(jié)構(gòu)，缺陷擴展會產(chǎn)生容器破裂，而其他部位是雙層或多層結(jié)構(gòu)，單層缺陷不會產(chǎn)生整體容器破裂。鑒于其結(jié)構(gòu)特殊，宜采用多種方法（常規(guī)超聲檢測、超聲相控陣檢測）對該焊縫進行檢測。但常規(guī)超聲檢測只能檢測球型封頭外層焊縫缺陷，難以檢出對容器危害最大的內(nèi)表面疲勞裂紋，這主要是因為球型封頭為雙層結(jié)構(gòu)，在球型封頭外表面檢測時，由于聲束被層板中間空隙擋住，無法檢測內(nèi)層板焊縫缺陷。筆者通過試驗研究提出了內(nèi)置式曲面耦合超聲相控陣檢測方法，解決了該焊縫埋藏缺陷檢測的關(guān)鍵技術(shù)難題。

2.2 報警裝置檢驗

報警裝置檢驗是全多層儲氫用鋼帶錯繞式容器定期檢驗的重要內(nèi)容。定期檢驗時應(yīng)檢查信號孔有無漏氣、管路是否通暢、防靜電接地裝置電阻是否符合要求、傳感器探頭是否校驗合格、報警儀是否能正常報警等。

2.3 耐壓試驗和聲發(fā)射檢測

定期檢驗過程中，使用單位或者檢驗機構(gòu)對容器的安全狀況有懷疑時，可進行耐壓試驗。耐壓試驗時可結(jié)合聲發(fā)射檢測，以判斷容器是否存在活性缺陷。聲發(fā)射檢測在升壓、保壓過程中進行，用聲發(fā)射檢測系統(tǒng)接收、鑒別、處理、顯示、記錄和分析聲發(fā)射源的位置及聲發(fā)射特性參數(shù)；按標準NB/T 47013.9—2012《承壓設(shè)備無損檢測 第9部分：聲發(fā)射檢測》確定源的活度和強度等級，再確定源的綜合等級；根據(jù)聲發(fā)射源的綜合等級和設(shè)備的實際情況確定是否需要常規(guī)方法復驗。

3 內(nèi)置式曲面耦合超聲相控陣檢測方法

由于結(jié)構(gòu)形狀的限制，采用容器外表面常規(guī)超聲檢測無法保證接管與半球形封頭對接焊縫疲勞裂紋及其他埋藏缺陷的有效檢測，因此需要將超聲相控陣探頭放入直徑φ40或更小尺寸的封頭接管深孔中進行檢測，但常規(guī)相控陣探頭難以進入φ40以下的接管內(nèi)，且存在小曲率凹面聲耦合、檢測聲程大、奧氏體不銹鋼焊縫晶粒粗大等多重困難，使得現(xiàn)有的相控陣技術(shù)很難實現(xiàn)對焊縫及其熱影響區(qū)缺陷或損傷的有效檢出。由此，筆者通過試驗研究提出了內(nèi)置式曲面耦合超聲相控陣檢測方法，其檢測原理示意圖如圖2所示。

圖2 內(nèi)置式曲面耦合超聲相控陣檢測示意圖

相控陣探頭上安裝有與接管曲率相匹配的透聲楔塊，伸入接管內(nèi)進行檢測，由于透聲楔塊界面波的存在，缺陷回波響應(yīng)很可能與界面波響應(yīng)在同一位置重疊，造成干擾，為此采用多種楔塊來避開原重疊位置，以獲取全面的缺陷響應(yīng)；相控陣軸向采用中心聚焦或偏轉(zhuǎn)聚焦[6-8]，聚焦提高了超聲在強衰減奧氏體不銹鋼中的回波響應(yīng)，可獲得更高的檢測精度，而偏轉(zhuǎn)則使得探頭在到達接管底部后，能夠以傾斜方向檢測封頭對接焊縫焊接質(zhì)量。不同的聚焦方式適用于不同類型缺陷的檢測，中心聚焦可用于檢測焊縫的埋藏缺陷，偏轉(zhuǎn)聚焦則主要用于檢測內(nèi)表面的表面裂紋，并兼顧埋藏缺陷的檢測。

相控陣檢測周向采用聲透鏡聚焦，針對小孔的內(nèi)檢測，其檢測面相當于柱面凹透鏡，當c1＜c2時聚焦，其焦距f為[9]：

式中：

r——曲率半徑

c1——楔塊聲速，m/s；

c2——工件聲速，m/s；

此外，透聲楔塊的聲阻抗與所用耦合劑相匹配，其聲強透射率T可簡化為[9]：

式中：

Z1——楔塊的聲阻抗，g/（cm2·s)；

Z2——工件的聲阻抗，g/（cm2·s)。

筆者利用CIVA對奧氏體不銹鋼中鉆孔缺陷的檢測進行仿真研究，選取32個陣元作為檢測的動態(tài)孔徑，陣元長度10mm、寬度0.9mm、間距1.0mm，工作頻率為5.0MHz。超聲相控陣軸向和周向聲場的仿真結(jié)果如圖3所示，其中軸向平面由于相控陣直接聚焦，產(chǎn)生的聲場較強，而周向聲場則依靠上述楔塊聲速和曲面耦合的特性也獲得了一定程度的聚焦，可見所選擇的檢測參數(shù)能夠在試樣內(nèi)獲得較好的聚焦效果。根據(jù)上述方法原理，研制了內(nèi)置式曲面耦合超聲相控陣探頭裝置（見圖4）。

圖3 CIVA超聲相控陣檢測聲場仿真

圖4 內(nèi)置式曲面耦合超聲相控陣探頭裝置

4 試驗研究

為驗證內(nèi)置式曲面耦合超聲相控陣檢測方法的檢測效果，筆者依照實際產(chǎn)品的材料和尺寸規(guī)格，加工了模擬產(chǎn)品的含缺陷試樣。由于檢測重點為封頭對接焊縫，而超聲從探頭發(fā)射后僅經(jīng)過單層奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)即可到達焊縫，焊縫后的雙層結(jié)構(gòu)對檢測影響不大，因此將試樣設(shè)計加工為單層結(jié)構(gòu)。試樣采用奧氏體不銹鋼材料替代了焊縫材料，在焊縫位置內(nèi)外表面開設(shè)了表面人工刻槽和鉆孔，用于模擬內(nèi)外表面的裂紋和埋藏體積型缺陷，試樣照片如圖5所示，其中鉆孔為直徑2mm的橫向孔，人工刻槽厚約1mm、長20mm、深3mm，距離內(nèi)表面約80mm。利用本文提出的檢測方法對產(chǎn)品試樣進行檢測，檢測儀采用定制的超聲相控陣檢測系統(tǒng)（ZJUSIUI），檢測結(jié)果如圖6所示。由檢測結(jié)果可知，本文的檢測方法與裝置能夠有效地檢測出體積型缺陷和表面裂紋。

圖5 含缺陷的產(chǎn)品試樣

圖6 產(chǎn)品試樣超聲相控陣檢測結(jié)果

在產(chǎn)品試樣檢測試驗研究基礎(chǔ)上，筆者對制造完成的全多層鋼制高壓儲氫容器進行現(xiàn)場檢測，現(xiàn)場檢測的試驗照片與獲得的缺陷檢測圖如圖7所示，檢測標準參考GB/T 32563—2016《無損檢測 超聲檢測相控陣超聲檢測方法》，對相控陣檢測得到的缺陷圖譜，根據(jù)其形狀、位置、A型波型特征，再對照焊縫RT底片，確定為焊縫中部位置的夾渣缺陷，經(jīng)評定不影響容器的安全使用。

圖7 檢測現(xiàn)場試驗照片與缺陷檢測圖

在解決封頭上雙層結(jié)構(gòu)與單層接管結(jié)構(gòu)連接處的厚壁對接焊縫埋藏缺陷檢測難題的基礎(chǔ)上，再結(jié)合資料審查、宏觀檢驗、壁厚測定、磁粉檢測、常規(guī)超聲檢測、緊固件檢測、安全附件和報警裝置檢驗、泄漏性試驗等定期檢驗項目，可有效檢出容器在使用過程中產(chǎn)生的缺陷，保證容器的使用安全。

5 結(jié)論

1）根據(jù)全多層鋼制高壓儲氫容器的結(jié)構(gòu)和功能，其在使用過程中可能發(fā)生的失效形式主要有容器超壓爆破失效、疲勞破壞失效、泄漏失效等三種。

2）通過容器失效形式的分析，接管鍛件與半球形封頭的對接焊縫缺陷檢測是容器定期檢驗的重點和關(guān)鍵技術(shù)難點，現(xiàn)成的無損檢測方法和檢測裝置難以滿足檢測要求。

3）通過試驗研究提出了內(nèi)置式曲面耦合超聲相控陣檢測方法，通過楔塊的曲面耦合和聲透鏡聚焦，可有效地檢測出接管鍛件與半球形封頭對接焊縫的體積型缺陷和表面裂紋。

4）在解決接管鍛件與半球形封頭對接焊縫缺陷檢測難題的基礎(chǔ)上，再結(jié)合資料審查、宏觀檢驗、壁厚測定、磁粉檢測、常規(guī)超聲檢測、緊固件檢測、安全附件和報警裝置檢驗、泄漏性試驗等定期檢驗項目，可有效檢出容器在使用過程中產(chǎn)生的缺陷，保證容器的使用安全。

[1]鄭津洋，陳瑞，李磊，等. 多功能全多層高壓氫氣儲罐[J]. 壓力容器，2005(12)：25-28+47.

[2]強天鵬. 壓力容器檢驗[M]. 北京： 新華出版社， 2008.

[3]Xu Ping， Zheng Jinyang， Liu Pengfei， et al. Risk identification and control of stationary high-pressure hydrogen storage vessels[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries， 2009， 22(06)： 950-953.

[4]朱國輝，鄭津洋. 新型繞帶式壓力容器[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1995.

[5]Zheng Jinyang， Liu Xianxin， Xu Ping， et al.Development of high pressure gaseous hydrogen storage technologies[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2012， 37(01)： 1048-1057.

[6]施克仁，郭寓岷. 相控陣超聲成像檢測[M]. 北京：高等教育出版社，2010.

[7]Guillaume Neau， Deborah Hopkins. The promise of ultrasonic phased arrays and the role of modeling in specifying systems[C]. Proc. ASNT Fall Conference &Quality Testing Show， Houston， 2006： 23-27.

[8]劉志浩. 對接焊縫的超聲相控陣檢測及三維成像分析[D]. 南昌：南昌航空大學，2016.

[9]鄭暉，林樹青. 超聲檢測[M]. 北京： 新華出版社，2008.