壓力容器及管道內(nèi)壁腐蝕超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)研究

國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司 張 樂(lè) 聶 衍 肖愛(ài)武

壓力容器及管道內(nèi)壁由于流體的沖刷，介質(zhì)囤積微生物作用等原因，容易出現(xiàn)局部腐蝕缺陷，腐蝕缺陷主要為點(diǎn)腐蝕、沖蝕、磨損及應(yīng)力腐蝕等形成的腐蝕坑及裂紋。由于腐蝕程度不同，形成的坑孔面積和腐蝕深淺不同，獨(dú)立或密集存在，主要危害是引起內(nèi)壁局部區(qū)域減薄造成泄露。腐蝕裂紋的存在形式有多種，有直線狀、樹(shù)枝狀、放射狀等，主要危害是深入金屬內(nèi)部，最終引起斷裂，兩者都能造成嚴(yán)重的危害性后果?；S、石化廠以及核電廠等行業(yè)領(lǐng)域由于大量應(yīng)用壓力容器和管道，隨著運(yùn)行年限的增加，內(nèi)壁存在一定程度的腐蝕，嚴(yán)重威脅著設(shè)備的運(yùn)行安全，因此，這一問(wèn)題亟待解決。

常規(guī)測(cè)厚技術(shù)及超聲檢測(cè)技術(shù)受儀器設(shè)備和探頭性能影響較大，對(duì)一些獨(dú)立小腐坑分辨力差，容易漏檢且檢測(cè)效率低，檢測(cè)結(jié)果多為A 型信號(hào)或壁厚數(shù)字顯示，腐蝕缺陷檢測(cè)不直觀，不易定性，而超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)具有多種檢測(cè)模式，可以扇掃及電子掃查，且可多陣元同時(shí)激發(fā)，具有A 掃、S 掃、B 掃、C 掃等顯示特征，缺陷檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)效率高且成像直觀，方便對(duì)缺陷定位、定量及定性。

1 超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)

基本原理：超聲相控陣檢測(cè)的基本原理如圖1，利用電子系統(tǒng)控制相控陣探頭各陣元發(fā)射／接收的相位延遲，使得合成聲束在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)聚焦、偏轉(zhuǎn)，從而完成掃查成像[1]。

工作過(guò)程：超聲相控陣檢測(cè)的工作過(guò)程主要分為發(fā)射和接收兩個(gè)部分。發(fā)射時(shí)各陣元被同一頻率的脈沖信號(hào)激勵(lì)，在電子系統(tǒng)的控制下按預(yù)定的聚焦法則發(fā)射超聲波，具有不同相位的超聲子波在空間疊加干涉，形成一個(gè)新的波陣面及合成聲束；接收時(shí)，依據(jù)回波到達(dá)各陣元的時(shí)間差對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，然后進(jìn)行信號(hào)合成，最后將合成信號(hào)以圖像方式實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，實(shí)時(shí)成像。

2 能力驗(yàn)證

檢驗(yàn)系統(tǒng)的選擇?？紤]壓力容器和管道的壁厚范圍，以及能夠發(fā)現(xiàn)細(xì)小的腐蝕缺陷，使用了兩種探頭，一種為T(mén)RL[2]二維線陣相控陣腐坑檢測(cè)專用探頭，如圖2所示，主要檢測(cè)點(diǎn)蝕、沖蝕、磨損等形成的腐蝕坑；另一種為T(mén)RL 二維面陣相控陣腐蝕裂紋專用探頭，如圖3所示，主要檢測(cè)應(yīng)力腐蝕、晶界腐蝕等裂紋類缺陷。檢驗(yàn)系統(tǒng)的組成[3]如圖4所示。

圖3 二維線陣相控陣探頭

圖4 檢驗(yàn)系統(tǒng)組成

靈敏度對(duì)比試塊的設(shè)計(jì)。其采用不同厚度的階梯試塊，針對(duì)腐蝕坑及腐蝕裂紋分別加工深2mm、直徑Φ2平底孔和長(zhǎng)25mm、槽深3%壁厚的電火花槽反射體，對(duì)比試塊示意如圖5所示；靈敏度的確定。對(duì)于一定壁厚的待檢工件，腐蝕坑類缺陷檢驗(yàn)采用Φ2平底孔作為檢驗(yàn)的基準(zhǔn)靈敏度，腐蝕裂紋類缺陷采用槽深3%壁厚的電火花槽反射體作為檢驗(yàn)的基準(zhǔn)靈敏度。檢驗(yàn)靈敏度在基準(zhǔn)靈敏度的基礎(chǔ)上至少提高6dB。

圖5 靈敏度對(duì)比試塊

模擬試塊的檢驗(yàn)。模擬試塊主要制作了不同面積大小和深度的內(nèi)凹球孔坑來(lái)模擬腐蝕坑，采用不同深度長(zhǎng)度的電火花切槽來(lái)模擬裂紋類缺陷，模擬的缺陷尺寸（mm）中，1～4#模擬試塊槽長(zhǎng)、槽寬、槽深分別為10/0.2/0.3，15/0.2/0.5，10/0.2/1.0，10/0.2/2.0；5～10#腐蝕坑、深度分別為Φ2/3.0，Φ3/4.5，Φ6 /1.0，Φ10/4.0，Φ20/2.0，Φ30/2.0。模擬試塊腐蝕裂紋類缺陷相控陣C 掃成像信號(hào)圖如圖6所示，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1；模擬試塊腐蝕坑類缺陷相控陣C 掃成像信號(hào)圖如圖7所示，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該技術(shù)能檢測(cè)出當(dāng)量大小為Φ2mm、深度為1mm 的腐蝕坑，及深度為0.3mm 的腐蝕裂紋。

表1 模擬裂紋類缺陷相控陣檢測(cè)結(jié)果

圖7 模擬腐蝕坑類缺陷相控陣C 掃成像信號(hào)圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

實(shí)際檢測(cè)。根據(jù)能力驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)某化工區(qū)公司HEX shell換熱器殼體、Nozzle of bottom channel 底部管箱接管及Column Shell 塔筒體執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)超聲相控陣檢驗(yàn)，成像發(fā)現(xiàn)3處記錄性缺陷，其中1處腐蝕裂紋，1處腐蝕坑，1處夾雜；缺陷信號(hào)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的缺陷信號(hào)進(jìn)行分析，A掃、B 掃顯示及缺陷信息如圖8所示，圖中：換熱器規(guī)格Φ1400×16mm、缺陷深度3.77mm、腐蝕坑；底部管箱接管規(guī)格Φ816×10mm、缺陷深度0.12mm、缺陷長(zhǎng)度20mm、腐蝕裂紋；塔筒體規(guī)格Φ2200×10mm、缺陷深度6.02mm、夾雜。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)缺陷信息圖

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，結(jié)果表明，利用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)壓力容器筒體和管道內(nèi)壁的腐蝕缺陷檢測(cè)是能滿足要求的，得出以下結(jié)論：超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)能高效、直觀、可靠的檢測(cè)出壓力容器筒體和管道內(nèi)壁的腐蝕缺陷；超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)至少能檢測(cè)出當(dāng)量大小為Φ2mm、深度為1mm 的腐蝕坑及深度為0.3mm 的腐蝕裂紋。