輕烴卸車緩沖罐焊縫的超聲成像檢測

(1.中國石油 獨山子石化分公司壓力容器檢驗所，獨山子 833699；2.中國石油 獨山子石化分公司研究院，獨山子 833699)

常規(guī)超聲檢測技術(shù)早在20世紀70年代就開始被應(yīng)用于醫(yī)學診療和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。從21世紀開始，隨著電子和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，逐漸產(chǎn)生了超聲衍射時差法(TOFD)成像、超聲相控陣成像、超聲CT成像、超聲全息成像等超聲成像技術(shù)。

超聲成像技術(shù)就是用超聲波獲得物體可見圖像的技術(shù)[1]。該技術(shù)利用超聲波的聲學特性，如衍射、反射等聲學現(xiàn)象，將物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變?yōu)榭梢暤膱D像，再通過研究不同的聲學參量，如聲強的衰減、聲波的正負周期等，生成不同大小、顏色的圖形，進而判斷缺陷的性質(zhì)、大小等重要信息。

目前，工業(yè)無損檢測中經(jīng)常運用的超聲成像技術(shù)主要有超聲相控陣成像法和超聲TOFD成像方法。

超聲相控陣成像技術(shù)擁有多種顯示模式，其利用超聲波遇到缺陷會發(fā)生反射的原理，研究被缺陷反射后的聲波的衰減差異，運用不同色差的像素點進行描繪，得到缺陷的水平位置、自身高度、埋藏深度、自身形貌特征等大量信息[2]，為檢測人員提供判斷缺陷危害性的有利信息。超聲TOFD成像技術(shù)的原理是當超聲波遇到缺陷時，在缺陷兩側(cè)產(chǎn)生衍射波，衍射波不受缺陷方向的影響而向四周傳播，通過分析衍射波傳播的時間、正負周期，能判斷缺陷的性質(zhì)和大小。

筆者選用超聲成像檢測法(超聲相控陣檢測法和超聲衍射時差法)對緩沖罐焊縫進行了檢測，結(jié)果表明：這兩種方法能夠?qū)θ毕莸男再|(zhì)和大小做出準確判斷，可以及時消除安全隱患。

1 超聲成像技術(shù)的應(yīng)用

在石化企業(yè)的儲運裝置中，輕烴卸車緩沖罐是整個輕烴卸車工藝中的關(guān)鍵設(shè)備。其接收上游循環(huán)壓縮機輸出的氣體，經(jīng)過緩慢升壓、升溫后進入槽車中，將其中的輕烴物料經(jīng)過一系列工藝處理，最終送至儲存罐中。在整個工作過程中，輕烴卸車緩沖罐的工作壓力不斷變化，溫度上下波動，容易在焊縫中生成裂紋并迅速擴展。因此，在對輕烴卸車緩沖罐焊縫進行無損檢測時，可以選用超聲成像技術(shù)對缺陷的性質(zhì)和大小做出準確判斷，及時消除隱患，確保安全生產(chǎn)。

1.1 應(yīng)用案例

某石化廠的儲運聯(lián)合裝置輕烴卸車緩沖罐的規(guī)格為φ5 000 mm×14 644 mm×32 mm(外徑X長度×壁厚),材料為Q345R鋼。在定期檢驗中，按照標準NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》中的第8.4節(jié)要求，進行在用承壓設(shè)備焊接接頭的常規(guī)超聲檢測，檢測中發(fā)現(xiàn)一處超標缺陷，檢測結(jié)果如表1所示(表中SL為定量線)。

表1 輕烴卸車緩沖罐的常規(guī)超聲檢測數(shù)據(jù)

缺陷波幅分析：超聲檢測位置示意如圖1所示，使用K1.5探頭置于位置a處，發(fā)現(xiàn)該缺陷波幅Hmax超過判廢線6.8 dB，指示長度為24 mm。

缺陷指向性分析：分別使用K1.5，K2兩種探頭置于位置a，b處，記錄缺陷波幅(見表2)，Hmax與Hmin的差值為10.8 dB。

表2 缺陷指向性分析

缺陷動態(tài)波形分析：分別平行和垂直于缺陷長度方向移動探頭，觀察動態(tài)波形變化(見圖1)，確定動態(tài)波形模式為NB/T 47013.3-2015附錄Q中的IIIa形式。

通過檢測數(shù)據(jù)匯總和缺陷波形分析，發(fā)現(xiàn)該缺陷為面狀缺陷，且有很強的指向性，自身具有一定的高度。最后，結(jié)合該設(shè)備材料、使用狀況(溫度、壓力、介質(zhì)、工況)進行材料失效模式分析，懷疑是由交變載荷造成的疲勞損傷，形成了裂紋缺陷[3]。

圖1 超聲檢測位置示意

由于常規(guī)超聲檢測結(jié)果存在以下缺點，所以無法準確判斷缺陷的性質(zhì)。

(1) 檢測結(jié)果僅為抽象的波幅顯示，不能形象地展現(xiàn)缺陷形貌特征。

(2) 缺陷反射回波的波幅高低取決于缺陷的幾何形狀、空間走向以及缺陷的表面粗糙度和內(nèi)含物等，不能很好地反映缺陷大小和危害程度。

(3) 缺陷性質(zhì)是根據(jù)缺陷回波的靜態(tài)和動態(tài)波形特征以及缺陷分布狀態(tài)，結(jié)合材料特點和制造工藝，通過前后、左右、轉(zhuǎn)角、環(huán)繞的掃查方式進行綜合分析和判斷的。判斷的準確性和人員的能力水平有一定的關(guān)系，缺陷的定性結(jié)果不夠客觀準確[4]。

因此，為了進一步確定缺陷的性質(zhì)，準確地對該設(shè)備進行安全狀況評定，決定選用超聲相控陣成像技術(shù)和超聲TOFD成像技術(shù)對缺陷進行復檢，這兩種方法在缺陷定性方面的優(yōu)點如下所述。

(1) 相控陣超聲成像法除了能夠提供和常規(guī)超聲一樣的A型顯示以外,同時其利用計算機技術(shù)可以實現(xiàn)缺陷的D型顯示(側(cè)面投影)、C型顯示(平面投影)和S型顯示(扇掃描聲束組成的扇形圖像顯示)等多種顯示模式，目前部分先進的儀器已經(jīng)能實現(xiàn)焊縫的仿真模擬和缺陷的3D動態(tài)成像等功能。檢測圖像形象生動，為缺陷的定性檢測提供了豐富的信息，可以實現(xiàn)各種性質(zhì)的面積型和體積型缺陷的有效檢出。

(2) 超聲TOFD成像法對裂紋有很高的檢出率。這是因為超聲TOFD成像與常規(guī)超聲成像不同，TOFD成像法分析研究的是衍射波。當超聲波遇到缺陷的時候，在缺陷兩側(cè)會產(chǎn)生一定數(shù)量的衍射波，這些衍射波向缺陷四周傳播。因此不論裂紋在焊接接頭中的位置和走向如何，超聲TOFD檢測時均能有效地檢出。同時，超聲TOFD成像技術(shù)具有很高的靈敏度，定量誤差小。

(3) 超聲相控陣成像法和超聲TOFD成像法都屬于半自動化檢測方法，檢測結(jié)果真實客觀，檢測數(shù)據(jù)為電子文件，方便存儲、分析和再現(xiàn)。

超聲相控陣成像法檢測該輕烴卸車緩沖罐的關(guān)鍵工藝參數(shù)如表3所示。

超聲TOFD成像法檢測該輕烴卸車緩沖罐的相關(guān)工藝參數(shù)如表4所示。

表3 超聲相控陣成像的關(guān)鍵工藝參數(shù)

表4 超聲TOFD成像的關(guān)鍵工藝參數(shù)

超聲相控陣成像、超聲TOFD成像檢測圖譜如圖2所示。

圖2 超聲相控陣成像、超聲TOFD成像檢測圖譜

超聲相控陣成像和超聲TOFD成像檢測數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 超聲相控陣成像、超聲TOFD成像檢測數(shù)據(jù)

1.2 檢測結(jié)果分析對比

1.2.1 缺陷定性分析對比

觀察缺陷的檢測圖譜可以發(fā)現(xiàn)，該缺陷是由左、右兩部分組合成的。

超聲相控陣成像圖譜的俯視圖、端視圖和側(cè)視圖均顯示缺陷的右側(cè)在三維空間上有一定的寬度、高度和長度，是體積型缺陷；而其左側(cè)僅有一定的高度和長度，且寬度很窄，是面積型缺陷。

分析超聲TOFD成像檢測圖譜，可以很好地驗證超聲相控陣成像檢測的結(jié)果。這是因為圖譜清晰可見上、下端點的衍射信號，屬于條狀顯示；但右側(cè)信號的灰白度變化不大，且上、下端點信號的變化規(guī)律相同，該部分可能是夾渣或條狀氣孔；左側(cè)信號灰白度不均勻，上、下端點信號明顯有“開叉”的現(xiàn)象，可以確定為裂紋缺陷。

通過超聲相控陣成像、超聲TOFD成像檢測圖譜的綜合分析，可以確定該缺陷是由焊縫中原有的焊接缺陷在交變載荷中發(fā)生疲勞損傷，最終在缺陷端部的應(yīng)力集中部位萌生出裂紋并擴展而成的。

1.2.2 缺陷定量分析對比

通過對3種方法檢測結(jié)果的比對，發(fā)現(xiàn)超聲相控陣成像檢測法和常規(guī)超聲檢測技術(shù)的檢測結(jié)果較為近似，這是因為此兩種方法研究的對象都是反射波，分析的聲學特性都是反射波的幅值，而超聲TOFD成像研究的對象是衍射波，關(guān)注的是聲波的周期。

為了保證安全生產(chǎn)和驗證3種檢測技術(shù)對該缺陷定性、定量檢測的準確性，最終確定對缺陷進行打磨處理，缺陷外觀如圖3所示。

圖3 缺陷外觀(最長部位)

打磨至19.0 mm深度時發(fā)現(xiàn)該缺陷，缺陷最長處為20.5 mm，打磨至24.8 mm時缺陷完全消除。

3種檢測方法的檢測數(shù)據(jù)和打磨解剖數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 3種檢測方法的檢測數(shù)據(jù)和打磨解剖數(shù)據(jù)

由此可見，超聲TOFD成像的檢測數(shù)據(jù)更加精確，這是因為該缺陷為裂紋缺陷，具有較強的指向性，在焊縫中有一定角度，嚴重影響反射波的方向和幅值，導致超聲相控陣成像和常規(guī)超聲檢測結(jié)果的精確度降低；而超聲TOFD成像技術(shù)研究的衍射波不受缺陷角度的影響，因此該技術(shù)對于裂紋缺陷的檢出率高，定量精度高[5]。

仔細觀察解剖出的缺陷，發(fā)現(xiàn)右側(cè)是原來焊接時產(chǎn)生的夾渣缺陷，在夾渣左側(cè)端部生成裂紋并向左側(cè)擴展，成功驗證了超聲相控陣成像和超聲TOFD成像技術(shù)對缺陷性質(zhì)的判定結(jié)果。

2 結(jié)語

目前，超聲相控陣成像技術(shù)正在逐步推廣，超聲TOFD成像技術(shù)也已經(jīng)廣泛應(yīng)用，其檢測圖譜可以將缺陷的空間位置和形貌特征展現(xiàn)給檢測人員，有利于對缺陷類型和缺陷性質(zhì)的判斷；檢測結(jié)果為電子文檔，方便儲存分析，檢測效率高，精度高。這些應(yīng)用特點解決了很多常規(guī)無損檢測技術(shù)的難點，對確保焊接品質(zhì)，實現(xiàn)安全生產(chǎn)運行具有重要的意義。