超聲相控陣技術在濕硫化氫損傷壓力容器檢測中的應用

陳 坡王 杜陳定岳陳 虎沈永淼

(1.寧波市特種設備檢驗研究院 寧波 315048)

(2.中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司 寧波 315221)

超聲相控陣技術在濕硫化氫損傷壓力容器檢測中的應用

陳 坡1王 杜1陳定岳1陳 虎1沈永淼2

(1.寧波市特種設備檢驗研究院 寧波 315048)

(2.中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司 寧波 315221)

針對濕硫化氫損傷的特征和檢測難點，本文通過對人工模擬試板開展超聲相控陣檢測實驗研究，總結出不同濕硫化氫損傷以及分層缺陷的相控陣圖譜特征，結果表明該技術能夠較好地滿足濕硫化氫損傷的檢測要求。應用超聲相控陣技術對多臺濕硫化氫環(huán)境下服役的壓力容器進行定量檢測，檢測出大量嚴重的氫鼓泡和氫致開裂存在，并對損傷的分布和三維尺寸信息進行了精確測量。

超聲相控陣 氫致?lián)p傷 檢測 濕硫化氫環(huán)境

在濕硫化氫環(huán)境下運行的壓力容器,由于當時設計、施工建設條件的限制,殼體往往采用的是普通低碳鋼、低合金鋼而非抗氫致開裂鋼。原子氫吸附在鋼表面,再擴散侵入到鋼內部,在非高溫條件下由于水分的存在,極易在容器殼體的不連續(xù)處如非金屬夾雜物、夾層等薄弱部位產生氫原子集聚,形成氫分子,隨著氫分壓的不斷增大,可能會產生氫鼓泡(hydrogen blistering,HB)、氫致開裂(hydrogen-induced cracking,HIC)及應力導向氫致開裂(stress-oriented hydrogen induced cracking,SOHIC)等濕硫化氫損傷,最終導致設備失效,嚴重危及石化裝置的長周期安全運行。寧波特檢院在對某石化企業(yè)停工檢修過程中,發(fā)現(xiàn)多臺重要壓力容器,因其殼體局部產生內壁或外壁氫鼓泡以及母材內部氫致開裂而導致設備提前報廢,引起了企業(yè)的極大關注。

針對氫致?lián)p傷目前國內外還沒有較好的有效檢測手段,大部分氫致?lián)p傷都是通過目視觀察才發(fā)現(xiàn)的［1-3］,而當氫致?lián)p傷發(fā)展到肉眼都能觀察到,設備早已瀕臨失效,存在重大安全隱患。對于濕硫化氫環(huán)境下壓力容器的宏觀氫致?lián)p傷的檢測,檢驗人員通常采用目視或超聲波測厚等常規(guī)技術進行,不僅效率低下,而且容易造成缺陷漏檢和誤判。石化裝置大部分設備外部有保溫層,內部有內件,檢修時間較短,不可能做到目視宏觀檢查到設備的所有部位。又因超聲波測厚技術在濕硫化氫損傷測得的數據容易跳動,也無法得到缺陷的連續(xù)成像,很多氫鼓泡(HB)或氫致開裂(HIC)易被誤認為鋼板內部夾層,而與表面平行的內部夾層通常被認為是較安全的缺陷,如果將氫鼓泡(HB)或氫致開裂(HIC)誤認為是危害性不大的夾層可能造成安全事故。本文以某廠煉油裝置已發(fā)現(xiàn)濕硫化氫損傷的壓力容器為研究對象,采用超聲相控陣技術對含濕硫化氫損傷的部位進行定量檢測,有力保障了設備的長周期安全運行。

1 超聲相控陣檢測技術原理及應用

超聲相控陣檢測技術是利用電子方式控制相控陣探頭合成的聲束來實現(xiàn)超聲波發(fā)射、接收的超聲方法,其基本原理是通過控制陣列換能器中各個陣元激勵(或接收)脈沖的時間延遲,改變由各陣元發(fā)射(或接收)聲波到達(或來自)物體內某點時的相位關系,實現(xiàn)聚焦點和聲束方位的變化,從而完成相控陣波束合成,形成成像掃描線的技術,可得到A型、B型、C型、P型及3D掃描成像。相控陣檢測技術具有的突出優(yōu)點有檢測靈敏度高,檢測結果直觀、重復性好,可實時成像顯示,可實現(xiàn)對復雜工件的檢測等。該技術在我國的研究起步較晚,但近年來隨著進口儀器的引進和國內廠家的攻關開發(fā),超聲相控陣技術在我國特種設備安全領域已經得到逐步應用,如在國家西氣東輸工程長輸管道焊縫檢測和重要鍋爐、壓力容器的焊縫檢測應用,李緒豐等人［4］將超聲相控陣技術引入到壓力容器氫致開裂的檢測和監(jiān)控中,取得了一定成效。

2 濕硫化氫損傷的特征

根據目前已發(fā)現(xiàn)的失效案例,分析發(fā)現(xiàn)濕硫化氫損傷往往不會僅發(fā)生單個,而是在一定區(qū)域內產生,發(fā)生部位位于容器中濕硫化氫含量最高、溫度最適宜的部位。常見的濕硫化氫損傷有氫鼓泡(HB)、氫致開裂(HIC)及應力導向氫致開裂(SOHIC)。1)氫鼓泡(HB)是由于金屬表面硫化物腐蝕產生的氫原子擴散進入鋼中,并在鋼中的不連續(xù)處(如夾雜物、裂隙等)聚集并結合生成氫分子,造成氫分壓升高并引起局部受壓,隨著H2濃度的增大,氫壓升高,當缺陷處的氫壓超過材料的斷裂強度時形成小裂紋,隨著裂紋內氫壓的增大使小裂紋在自身所在的平面內擴展,并使得夾雜物與基體界面發(fā)生分離而產生分層,當分層內巨大氫壓足以使周圍金屬材料發(fā)生局部塑性變形時,在材料近表面將出現(xiàn)鼓泡［5］。氫鼓泡分為內壁鼓泡、外壁鼓泡、內外壁同時鼓泡,氫鼓泡最容易在常溫下發(fā)生,且它的發(fā)生不需要任何的外加應力。2)氫致開裂(HIC)是氫鼓泡在材料內部不同深度形成時,相鄰的鼓泡在氫壓作用下會連接在一起,形成以直線狀或臺階狀特征的內部裂紋稱為氫致開裂,其損傷形態(tài)為在鋼材內部形成與表面基本平行的直線狀或臺階狀裂紋,裂紋一般沿軋制方向擴展。氫致開裂的發(fā)生也無須外加應力,一般與鋼中高密度的大平面的夾雜物［6］或合金元素在鋼中偏析產生的不規(guī)則微觀組織有關［7-8］。氫致開裂如果發(fā)生在試樣表面,會呈現(xiàn)氫鼓泡,氫致開裂的機理與氫鼓泡一樣,氫鼓泡和氫致開裂的形成過程示意圖如圖1所示。3)應力導向氫致開裂(SOHIC)在焊接殘余應力或其他應力作用下,氫致開裂沿厚度方向不斷連通并形成最終暴露于表面的開裂,其一般發(fā)生在焊接接頭的熱影響區(qū)部位,由該部位母材上不同深度的HIC沿厚度方向的連通而形成。這三種濕硫化氫損傷與設備所處的臨氫環(huán)境及鋼材的純凈度密切相關,無法通過焊后熱處理等降低硬度及改善應力狀態(tài)來消除,因而在臨氫環(huán)境下很容易發(fā)生,不易防控,具有非常大的危害性。

圖1 氫鼓泡和氫致開裂形成示意圖

根據上述濕硫化氫損傷的特征,采用超聲垂直入射檢測方法最為有效。而超聲相控陣技術具有一般超聲波測厚儀和超聲波探傷儀直探頭測厚檢測難以比擬的優(yōu)點,因此本文將它引入到濕硫化氫損傷的檢測之中。

3 超聲相控陣技術在濕硫化氫損傷檢測中的應用

3.1 相控陣儀器型號參數

試驗過程中采用以色列SONOTRON NDT公司生產的ISONIC2009型便攜式64通道超聲波相控陣檢測儀,搭配64∶64晶片的相控陣探頭5MHz64P1、直楔塊和ODI編碼器,以垂直線性檢測方式對損傷部位進行A+B+C掃描成像檢測。

3.2 氫致?lián)p傷人工模擬試板的相控陣檢測試驗

為了模擬氫鼓泡(HB)、氫致開裂(HIC)缺陷,筆者設計了兩塊人工試板,分別為2#和4#試板。其中2#試板設計有一處內表面鼓泡缺陷,見圖2(a),同時為了測試相控陣技術的缺陷檢測分辨力,還設計了兩個φ4mm的直孔,見圖2(b)。4#試板設計了與表面成10°和20°傾角的線切割缺陷來模擬氫致開裂缺陷,見圖3。

2#試板的內表面鼓泡缺陷檢測結果如圖4所示,圖中左上方的端面圖顯示出缺陷的深度信息,右上方的俯視圖顯示出掃查方向上缺陷的長度和寬度信息,俯視圖下方的側視圖顯示出掃查方向上缺陷的深度和長度信息,側視圖下方的B掃截面圖顯示出某一時刻的缺陷深度信息。圖4(a)為表面鼓泡缺陷檢測結果,檢測時相控陣探頭位于缺陷背面,模擬從外表面檢測內表面氫鼓泡,探頭橫跨缺陷上方放置,掃查方向與缺陷長度方向平行。圖4(b)為兩個直孔缺陷檢測結果,探頭橫跨缺陷上方放置,掃查方向與缺陷長度方向平行。

圖3 4#人工模擬試板斜線狀缺陷示意圖

圖4 2#人工模擬試板相控陣檢測結果

由2#人工試板圖紙可知,表面鼓泡缺陷的上表面加工為平面,下表面從表面鼓起一定高度。由相控陣圖譜分析可以發(fā)現(xiàn)鼓泡缺陷的上表面為平直的平面,無論在端面圖、側視圖,還是B掃截面圖均顯示為平直線。此外因鼓泡區(qū)域尺寸為φ20mm,小于探頭總尺寸大小,因此檢測時相控陣聲束會繞過鼓泡下表面反射回來,因此端面圖、側視圖,還是B掃截面圖均顯示了鋼板底面反射波下沉了。這就是典型的小尺寸氫鼓泡反射相控陣圖譜特征。對于直孔缺陷主要為了測試相控陣檢測分辨力,通過圖譜分析發(fā)現(xiàn)相控陣對于孔型缺陷三維分辨力也很高,孔型缺陷部位下面的底面反射波僅僅減弱或消失。

通過2#試板對相控陣的檢測精度進行對比分析,結果見表1。對比分析可見對于規(guī)則人工缺陷,相控陣的檢測精度還是相當高的,缺陷的三維尺寸測量精度誤差不超過10%。

表1 2#試板相控陣檢測圖譜分析精度

4#試板的傾斜線切割缺陷檢測結果如圖5所示。圖5(a)為與表面成10°傾角的線切割缺陷檢測結果,檢測時探頭橫跨缺陷上方放置,掃查方向與缺陷切割深度方向平行。圖5(b)為與表面成20°傾角的線切割缺陷檢測結果,探頭橫跨缺陷上方放置,掃查方向與缺陷切割深度方向平行。通過對圖5的相控陣檢測圖譜分析發(fā)現(xiàn),對于傾斜線切割缺陷相控陣檢測也是非常適合的,檢測精度也很高,能夠清晰顯示出缺陷的分布情況。當傾角為10°時,缺陷反射波較高,底面反射波斷開,缺陷的傾角也可很清晰地從端面圖中測得。當傾角為20°時,因傾角較大,缺陷反射波基本不能被探頭接收到,底面反射波斷開?？梢酝ㄟ^觀察底面反射波和缺陷回波的情況對缺陷進行判斷。

3.3 含自然濕硫化氫損傷壓力容器的相控陣檢測

利用超聲相控陣檢測技術對某煉油廠多臺濕硫化氫環(huán)境中的壓力容器進行現(xiàn)場檢測,重點對已檢出的兩臺含濕硫化氫損傷的壓力容器進行檢測。其中一臺因濕硫化氫損傷非常嚴重,已進行切割更換筒節(jié)返修處理,對割板進行相控陣檢測。另外一臺已發(fā)現(xiàn)存在外表面鼓泡,且測厚發(fā)現(xiàn)壁厚存在多處異常,但因裝置無法停工檢修,因此進行服役狀態(tài)下的相控陣檢測。

圖5 4#人工模擬試板相控陣檢測結果

●3.3.1 含內表面HB和HIC壓力容器割板的檢測試驗

某加氫裝置循環(huán)氫脫硫塔A于1997年投入使用,主體材質為20R,厚54mm,在內部目視宏觀檢查時發(fā)現(xiàn)其變徑錐段下第一個筒節(jié)存在大量鼓包,尺寸為φ40～300mm,鼓起高度約5～25mm,并有部分鼓泡已經開裂,鼓泡的具體形貌見圖6和圖7。之后在其外壁通過超聲波測厚發(fā)現(xiàn)壁厚存在大面積異常,返修后將該筒節(jié)整體更換后切割下一塊氫鼓泡最為嚴重的試樣安裝后進行相控陣檢測。

因割板面積較大,在檢測前需要設置好檢測區(qū)域和探頭掃查路徑,并在壓力容器外壁上予以標記。檢測時在壓力容器上安置好一條掃查路徑鋼絲,以確保探頭沿著鋼絲進行掃查,如圖8為相控陣現(xiàn)場檢測圖。

圖6 筒節(jié)內部鼓泡分布

圖7 鼓泡開裂形貌

圖8 相控陣現(xiàn)場檢測圖

經過C掃描深度濾波數據的分析,如圖9所示,發(fā)現(xiàn)其缺陷回波參差不齊,起伏不規(guī)則,局部缺陷成像呈現(xiàn)出臺階狀開裂特征,完全不同于規(guī)則分層缺陷或者傾斜缺陷,有些部位的底面回波不可見或減弱,有的部位底面回波明顯下沉,可見其內部除了存在大量氫致開裂缺陷還存在內壁氫鼓泡缺陷。此外該割板中氫致開裂深度主要集中在30～40mm,因而產生內表面鼓泡的可能性非常大,與割板鼓泡的實際分布情況相吻合。將11組掃查數據合成為一幅整板相控陣C掃3D圖像,獲到損傷的整體形貌,如圖10所示。

圖9 深度濾波數據C掃描

圖10 整板合成3D成像

●3.3.2 含外表面HB壓力容器的在役檢測試驗

某煉油廠一臺Ⅱ加裂溶劑再生塔頂回流罐B,厚度為12mm,經宏觀檢查和壁厚測定發(fā)現(xiàn)該設備外表面存在鼓泡,對該設備進行相控陣檢測,經過深度濾波數據C掃描,發(fā)現(xiàn)該設備距離近表面5mm以內的類似于夾層的缺陷較多,因此產生外表面鼓泡的可能性較大,將8組數據合成相控陣C掃3D圖像,獲到損傷的全面形貌(見圖11),與含外表面鼓泡的設備實際分布情況(見圖12)相吻合。

圖11 容器B整板3D成像

圖12 容器B外表面鼓泡分布圖

4 結論

采用超聲相控陣檢測技術對濕硫化氫損傷進行精確測量,能夠較好地區(qū)分濕硫化氫損傷和鋼板的自然分層缺陷,得到完整的損傷三維尺寸成像數據,為損傷診斷和合于使用評價后繼續(xù)服役的安全性評估提供依據。

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Application of Ultrasonic Phased Array Technology for Wet Hydrogen Sul fi de Injury in Pressure Vessel Testing

Chen Po1Wang Du1Chen Dingyue1Chen Hu1Shen Yongmiao2
(1. Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute Ningbo 315048)
(2. Sinopec Zhenhai Re fi ning & Chemical Company Ningbo 315221)

According to the characteristics and detecting difficulties for wet hydrogen sulfide injury, the experimental research using ultrasonic phased array technology was carried out in arti fi cial test panels, pro fi le features for phased array were summarized in different wet hydrogen sul fi de injury and lamination defects, the results showed that this technology could meet the testing requirements of wet hydrogen sulfide injury. Multiple pressure vessels which served in wet hydrogen sul fi de environment were quantitatively detected by ultrasonic phased array technology,and a large number of severe hydrogen blistering and hydrogen induced cracking were detected, the injury distribution and three-dimensional information were measured accurately.

Ultrasonic phased array Hydrogen induced injury Testing Wet hydrogen sul fi de environment

X924

：B

1673-257X(2017)07-0052-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.07.012

陳坡（1983～)，男，碩士，工程師，從事壓力容器、壓力管道檢驗工作。

陳坡，E-mail： dongpo@nbtjy．com。

國家質檢總局科技計劃項目（2014QK172)；中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司科研項目（2014KF002）

2017-02-13）