在用厚壁加氫反應(yīng)器的無損檢測技術(shù)

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(1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司,合肥 230031；2.國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心,合肥 230031)

厚壁加氫反應(yīng)器是煉油工業(yè)進(jìn)行石油深度加工,提高油品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵設(shè)備之一。該類反應(yīng)器通常在高溫、高壓和臨氫條件下運(yùn)行，工作條件十分惡劣，故其安全性是一個(gè)很重要的問題，一旦發(fā)生事故，將帶來無法估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對在用厚壁加氫反應(yīng)器的無損檢測方法進(jìn)行分析和探討，具有重要的意義。

1 厚壁加氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

厚壁加氫反應(yīng)器的母材通常采用2.25Cr1Mo鋼板或鍛件，設(shè)計(jì)壁厚為80～300 mm。為抗硫化氫等腐蝕介質(zhì)的腐蝕，反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊有奧氏體不銹鋼堆焊層(其中309不銹鋼焊材作為過渡層,347不銹鋼焊材作為蓋面) ，設(shè)計(jì)壓力為8～20 MPa，設(shè)計(jì)溫度為370～410℃，工作介質(zhì)主要有油、H2、H2S，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 厚壁加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意

厚壁加氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有：① 一般采用球形封頭；② 構(gòu)件采用凸臺支撐型式；③ 筒體一般采用鍛焊結(jié)構(gòu)的型式，單節(jié)同節(jié)整體鍛造無縱縫，筒體與筒體之間采用窄間隙U型坡口多層焊連接型式，接管與筒體之間采用嵌入式結(jié)構(gòu)連接型式，從而避免角焊縫連接；④ 筒體與裙座連接型式采用整體鍛環(huán)型式。

2 常見焊接缺陷類型

在制造過程中,厚壁加氫反應(yīng)器的焊縫會產(chǎn)生表面缺陷和內(nèi)部缺陷兩種。常見的表面缺陷有表面氣孔、表面未熔合、表面裂紋及表面咬邊、焊瘤、凹坑等。常見的內(nèi)部缺陷有氣孔、夾渣、夾鎢、未焊透、未熔合、裂紋等。而內(nèi)壁堆焊層則易出現(xiàn)熱裂紋、過渡區(qū)材料脆化和開裂，以及堆焊層下冷裂紋和再熱裂紋等缺陷。

使用過程中，在高應(yīng)力的作用下焊縫中存在的未超標(biāo)缺陷、漏檢缺陷等易發(fā)生擴(kuò)展，從而影響設(shè)備的強(qiáng)度和性能，甚至?xí)s短設(shè)備的使用壽命。

3 在用厚壁加氫反應(yīng)器主焊縫的無損檢測

在用厚壁加氫反應(yīng)器主焊縫的檢測部位有主體對接縱、環(huán)焊縫，接管與筒體(或封頭) 連接焊縫。其主要的檢測方法有超聲檢測、TOFD檢測、磁粉檢測等方法。

3.1 脈沖反射式超聲檢測

在用厚壁加氫反應(yīng)器的定期檢驗(yàn)，由于條件限制很難進(jìn)行射線檢測，故超聲檢測成為了首選方法。厚壁加氫反應(yīng)器主焊縫采用窄間隙焊，常見的缺陷一般垂直于檢測面，因此可采用從筒體外壁選擇不同K值的斜探頭和不同K值探頭組合的方式對主焊縫進(jìn)行重復(fù)檢測。同時(shí)，使用單晶直探頭對斜探頭掃查母材區(qū)域進(jìn)行100%掃查，主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》。

(1) 板焊結(jié)構(gòu)厚壁加氫反應(yīng)器(厚度一般在80～200 mm間),通常采用CSK-ⅠA，CSK-ⅡA試塊校準(zhǔn)檢測靈敏度。

(2) 鍛焊結(jié)構(gòu)厚壁加氫反應(yīng)器(厚度一般大于200 mm),常采用CSK-ⅣA試塊校準(zhǔn)檢測靈敏度。

3.2 超聲TOFD檢測

超聲TOFD檢測技術(shù)對垂直于表面的裂紋和未融合缺陷的檢測具有較高的靈敏度，TOFD檢測技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 TOFD檢測原理示意

如圖2所示，TOFD技術(shù)主要采用一發(fā)一收的方式，其主要依靠脈沖聲波傳播的時(shí)間差來進(jìn)行缺陷定量，而信號幅值與缺陷定量沒有直接關(guān)系。檢測時(shí)，發(fā)射探頭向試件內(nèi)發(fā)射超聲脈沖，經(jīng)試件上表面和底部到達(dá)接收探頭。沿上表面?zhèn)鞑サ闹蓖ú?LW)和由底面反射的底面回波(BW) 構(gòu)成固有的參考信號；當(dāng)試件內(nèi)存在缺陷，則由缺陷兩尖端產(chǎn)生的缺陷衍射波也能到達(dá)接收探頭，缺陷波位于LW和BW之間，且當(dāng)缺陷有足夠的高度時(shí)，兩尖端衍射波在時(shí)間上可分辨。

TOFD檢測技術(shù)具有以下特點(diǎn)：① 對面積型缺陷、埋藏缺陷、未熔合缺陷的檢測具有較高的可靠性。② 為缺陷性質(zhì)的判斷提供了一定的根據(jù)。③ 對表面及近表面缺陷、橫向裂紋檢出的可靠性較低，因此在TOFD檢測過程中，須附加常規(guī)脈沖反射式超聲檢測的橫向掃查，防止橫向缺陷的漏檢。④ TOFD檢測會生成B掃圖像，根據(jù)圖像可大致判斷出缺陷的類型和長度。

圖3 某加氫反應(yīng)器主焊縫TOFD檢測圖譜

某加氫反應(yīng)器主焊縫TOFD檢測圖像如圖3所示，從圖中能大致判斷出缺陷的類型和長度。缺陷①的信息為：距保溫帶424 mm，長度L=360 mm，深度H=97.35 mm，自身高度h=2.71 mm，線性缺陷，Ⅲ級。缺陷②的信息為：距保溫帶904 mm，長度L=38 mm，深度H=96.57 mm，自身高度h=2.34 mm，線性缺陷，Ⅲ級。

3.3 磁粉檢測

對加氫反應(yīng)器主焊縫、接管焊縫及管道對接焊縫外壁進(jìn)行磁粉檢測，磁化方法采用旋轉(zhuǎn)磁場復(fù)合磁化法以及磁軛法。使用磁軛法時(shí)至少應(yīng)在兩個(gè)相互垂直的方向進(jìn)行磁化，可檢出不同取向的表面或近表面缺陷，以提高檢測效率和缺陷檢出的可靠性。磁粉檢測操作方法和步驟及工藝要求執(zhí)行NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)。

4 主焊縫內(nèi)壁堆焊層的無損檢測

4.1 堆焊層氫制剝離缺陷的超聲檢測

加氫反應(yīng)器在制造過程中，堆焊層與母材界面上會形成碳化物析出的脆化區(qū)，易形成未結(jié)合缺陷。加氫反應(yīng)器在使用過程中，氫大量擴(kuò)散到鋼中，母材與堆焊層的界面處因高濃度氫的聚集而引起氫脆，導(dǎo)致母材和堆焊層結(jié)合面剝離。氫制剝離缺陷大多平行于堆焊層和母材金屬的熔合面，一般不會影響反應(yīng)器的承載能力，但隨著設(shè)備的不斷使用，剝離面積會增大而導(dǎo)致內(nèi)件的脫落，腐蝕防護(hù)性能下降，介質(zhì)直接侵入母材，最終導(dǎo)致設(shè)備的失效。

堆焊層氫制剝離缺陷的超聲檢測方法為：

(1) 采用雙晶直探頭從堆焊層側(cè)檢測基材與堆焊層未結(jié)合缺陷，使用NB/T 47013.3-2015中T1、T2型試塊10 mm平底孔，如圖4，5所示。

圖4 T1型試塊結(jié)構(gòu)示意

圖5 T2型試塊結(jié)構(gòu)示意

(2) 采用單直探頭從基材側(cè)檢測基材與堆焊層未結(jié)合缺陷，采用NB/T 47013.3-2015中T3型試塊10 mm平底孔，如圖6所示。

圖6 T3型試塊結(jié)構(gòu)示意

4.2 堆焊層內(nèi)部缺陷的超聲檢測

加氫反應(yīng)器大多為雙層堆焊層，在制造時(shí)，也會在兩層之間產(chǎn)生夾雜、未結(jié)合等缺陷。在使用過程中，這些缺陷會擴(kuò)展延伸。采用的檢測方法為：

(1) 采用雙晶直探頭從堆焊層側(cè)檢測堆焊層內(nèi)部缺陷，使用NB/T 47013.3-2015中T1型試塊上右側(cè)4個(gè)3 mm平底孔繪制距離-波幅曲線。

(2) 采用縱波雙晶斜探頭從堆焊層側(cè)檢測堆焊層內(nèi)部缺陷，使用NB/T 47013.3-2015中T2型試塊上右側(cè)4個(gè)1.5 mm橫孔繪制距離-波幅曲線。

(3) 采用單直探頭從基材側(cè)檢測堆焊層內(nèi)部缺陷，使用NB/T 47013.3-2015中T3型試塊(見圖6)3 mm平底孔進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(4) 采用縱波斜探頭從基材側(cè)檢測堆焊層內(nèi)部缺陷，使用NB/T 47013.3-2015中T3型試塊1.5 mm橫孔進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.3 堆焊層層下缺陷的超聲波檢測

堆焊層界面層下缺陷前期發(fā)生于早期的厚壁加氫反應(yīng)器單層堆焊的制造工藝中，現(xiàn)在的兩層奧氏體不銹鋼堆焊層的制造工藝中很少會出現(xiàn)這種情況。

反應(yīng)器在制造過程中，因堆焊層與Cr-Mo鋼母材交界面處存在硬的滲碳層，從而產(chǎn)生堆焊層層下裂紋，這種裂紋從堆焊層/基材接合面開始向母材延展且方向垂直于結(jié)合面。反應(yīng)器在使用過程中，隨著母材脆性的增加，微小的或潛在的層下再熱裂紋就有可能向母材擴(kuò)展。堆焊層層下缺陷的超聲波檢測方法為：

(1) 采用雙晶直探頭從堆焊層側(cè)檢測堆焊層層下缺陷，使用NB/T 47013.3-2015中T1型試塊堆焊層下3 mm平底孔進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(2) 采用縱波雙晶斜探頭從堆焊層側(cè)檢測堆焊層下缺陷，使用NB/T 47013.3-2015中T2型試塊堆焊層下1.5 mm橫孔進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.4 堆焊層表面缺陷的檢測

厚壁加氫反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊有奧氏體不銹鋼堆焊層，主要檢測方法為目視和滲透檢測。根據(jù)大量的現(xiàn)場檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不銹鋼堆焊層的表面裂紋主要集中在反應(yīng)器內(nèi)部支撐凸臺的部位、下封頭與筒體連接的手工堆焊過渡帶部位、鐵素體含量偏高或偏低的部位。

在滲透檢測前應(yīng)用鋼絲刷進(jìn)行輕微打磨，清洗后再做滲透檢測，對于較深的裂紋可用超聲波確定裂紋深度，確定是否擴(kuò)展到界面并進(jìn)行安全性評價(jià)。

在現(xiàn)場檢測過程中，厚壁加氫反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊層經(jīng)滲透檢測發(fā)現(xiàn)的表面裂紋示例，如圖7所示。

圖7 某石化廠加氫反應(yīng)器堆焊層裂紋缺陷圖例

5 法蘭密封槽堆焊層的無損檢測

人孔和人孔蓋、接管和接管蓋的法蘭密封槽表面易產(chǎn)生表面裂紋，其多產(chǎn)生在密封槽底，有些向密封面延伸，呈現(xiàn)樹枝狀、徑向或環(huán)向多種形態(tài)。實(shí)際檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用CL-含量過高的密封膠，在螺栓預(yù)緊力作用下，可使堆焊層產(chǎn)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。此外，密封槽結(jié)構(gòu)尺寸不合，制造質(zhì)量不良也會萌生裂紋。

目前，對于法蘭密封槽堆焊層的無損檢測，宏觀檢查和滲透檢測是有效的檢測手段，某加氫反應(yīng)器法蘭密封槽經(jīng)滲透檢測發(fā)現(xiàn)的表面裂紋圖例如圖8所示。

圖8 某石化廠加氫反應(yīng)器法蘭密封槽裂紋缺陷圖例

6 外部構(gòu)件與筒體焊接處的無損檢測

外部構(gòu)件與筒體焊接處的接管、裙座、吊耳、保溫支撐板、測溫凸臺等與筒體連接部位也易產(chǎn)生表面缺陷或埋藏缺陷，可采用宏觀檢查、磁粉檢測、滲透檢測和超聲檢測對可能產(chǎn)生的缺陷部位進(jìn)行檢測。某加氫反應(yīng)器裙座經(jīng)磁粉檢測發(fā)現(xiàn)的表面裂紋,如圖9所示。

圖9 某石化廠加氫反應(yīng)器裙座裂紋缺陷圖例

7 結(jié)論

(1) 合理選擇無損檢測方法對加氫反應(yīng)器的安全運(yùn)行極其重要。

(2) 在用厚壁加氫反應(yīng)器主焊縫以脈沖反射式超聲檢測或超聲TOFD檢測方法為主，其表面質(zhì)量檢測采用磁粉檢測方法；內(nèi)壁堆焊層檢測主要采用脈沖反射式超聲檢測及滲透檢測方法，應(yīng)針對缺陷產(chǎn)生的部位及特點(diǎn)，合理正確地選擇超聲探頭及試塊；法蘭密封槽堆焊層的無損檢測，宏觀檢查和滲透檢測是有效的檢測手段。

(3) 隨著新的無損檢測技術(shù)的發(fā)展，聲發(fā)射檢測、磁記憶檢測及相控陣檢測等新技術(shù)都已開始在加氫反應(yīng)器的檢測中得到應(yīng)用。