承壓設(shè)備典型母材缺陷的相控陣 CIVA仿真與檢測(cè)

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(1.寧波市勞動(dòng)安全技術(shù)服務(wù)公司, 寧波 315048；2.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院, 寧波 315048)

在壓力容器、壓力管道的定期檢驗(yàn)工作中，檢驗(yàn)的內(nèi)容通常包括：宏觀檢測(cè)、壁厚測(cè)定、焊縫表面和埋藏缺陷的檢測(cè)、安全附件的檢查等。對(duì)于焊縫的檢測(cè)，檢測(cè)手段較為齊全，表面檢測(cè)包括磁粉、滲透和渦流檢測(cè)；埋藏缺陷檢測(cè)包括常規(guī)超聲、射線和TOFD檢測(cè)。但對(duì)于容器和管道的本體母材來講，通常檢測(cè)項(xiàng)目僅為宏觀檢測(cè)和壁厚測(cè)定，宏觀檢測(cè)無法發(fā)現(xiàn)內(nèi)部埋藏缺陷，壁厚測(cè)定由于客觀因素?zé)o法進(jìn)行密集型測(cè)厚，通常只能檢出均勻減薄的情況。對(duì)于壓力容器和壓力管道，母材缺陷的存在也不容小覷，例如內(nèi)部氫致開裂、氫鼓包、復(fù)合板或堆焊層未結(jié)合、不開罐或不清管情況下的內(nèi)腐蝕凹坑等缺陷，對(duì)這些缺陷運(yùn)用宏觀檢測(cè)與測(cè)厚方法進(jìn)行檢測(cè)存在一定的難度與漏檢率[1-2]。

超聲相控陣儀器通常為多通道、多晶片，可對(duì)缺陷進(jìn)行成像，并能進(jìn)行精確定位與測(cè)量，具有檢測(cè)效率高、漏檢率低、靈活性好、多種成像方式等優(yōu)點(diǎn)[3]。針對(duì)重點(diǎn)設(shè)備存在的各類缺陷可采用超聲相控陣技術(shù)進(jìn)行快速、大面積掃查，以發(fā)現(xiàn)其中的危害性缺陷。筆者以CIVA仿真為前提，探討了相控陣技術(shù)對(duì)母材缺陷檢測(cè)的可行性，總結(jié)了各類缺陷圖譜的特點(diǎn)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試樣進(jìn)行了實(shí)際檢測(cè)，驗(yàn)證了CIVA仿真的結(jié)果。

1 典型母材缺陷的相控陣CIVA仿真

1.1 CIVA軟件簡介

CIVA仿真軟件是由法國原子能委員會(huì)(CEA)研發(fā)的一款專業(yè)無損檢測(cè)仿真軟件。其利用半解析法，采用部分解析解或解析函數(shù)，對(duì)已有的模型進(jìn)行仿真，包括超聲、射線、渦流3個(gè)部分[4]。其超聲檢測(cè)模塊可以仿真常規(guī)超聲、相控陣以及TOFD，包括聲束模擬以及缺陷響應(yīng)兩個(gè)功能，聲束模擬功能主要是為了選擇合適的檢測(cè)工藝參數(shù)，供試驗(yàn)人員設(shè)置檢測(cè)參數(shù)；缺陷響應(yīng)功能主要是為了模擬真實(shí)缺陷的信號(hào)反饋情況，供信號(hào)分析人員參考。采用CIVA仿真，檢測(cè)人員可以初步設(shè)計(jì)超聲探頭，驗(yàn)證所編制的檢測(cè)工藝，根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)探頭和工藝進(jìn)行再設(shè)計(jì)和再修改以達(dá)到適合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)的目的[5]。

1.2 復(fù)合板未結(jié)合CIVA仿真

1.2.1 CIVA建模

建模采用平板(Planar)幾何類型，長寬高分別為50，30，20 mm。考慮到此處仿真類型為復(fù)合板結(jié)構(gòu)，因此幾何模型選擇多層次材料(Multilayers)，Q345R厚度為18 mm，底層304不銹鋼復(fù)合層厚度為2 mm(圖1中綠色輪廓)；碳鋼密度為7.8 g·cm-3，縱波聲速為5 900 m·s-1；304不銹鋼密度為8.03 g·cm-3，縱波聲速為5 700 m·s-1；查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)，設(shè)定304不銹鋼對(duì)縱波的衰減率為0.2 dB·mm-1。

楔塊探頭設(shè)置如下：采用一維線型陣列0°探頭，32個(gè)晶片，激發(fā)16個(gè)晶片進(jìn)行掃查，晶片尺寸(長×寬)為8 mm×0.5 mm，晶片間距為0.1 mm，頻率為4.0 MHz，信號(hào)帶寬為60%，波形為縱波，楔塊材料為Rexolite，楔塊角度為0°，密度為1.18 g·cm-3，縱波聲速為2 680 m·s-1。

檢測(cè)設(shè)置如下：聲場(chǎng)計(jì)算區(qū)域選擇2D矩形，尺寸(長×寬)為20 mm×15 mm，計(jì)算步進(jìn)精度x,z方向均為0.1 mm，耦合劑采用水，考慮到仿真為壓力容器不開罐、壓力管道不清管檢測(cè)，所以模型底面介質(zhì)選取水層，水中縱波聲速為1 483 m·s-1。

最終的3D建模結(jié)果如圖1所示。

圖1 復(fù)合板CIVA模型

1.2.2 聲場(chǎng)計(jì)算

采用單點(diǎn)深度聚焦的方式進(jìn)行聲場(chǎng)計(jì)算，聚焦深度設(shè)置為碳鋼與不銹鋼結(jié)合面深度，選取為18 mm，只計(jì)算縱波的聲場(chǎng)。為了簡化計(jì)算，不考慮波形轉(zhuǎn)換、表面反射波和底面反射波的情況。單個(gè)晶片聚焦深度為18 mm的聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖2所示，16個(gè)晶片的合成聲場(chǎng)如圖3所示。

圖2 單個(gè)晶片聚焦深度18 mm的聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖3 16個(gè)晶片聚焦深度18 mm的合成聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)聲場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果可知，通過設(shè)置點(diǎn)聚焦方式，整個(gè)聲場(chǎng)范圍內(nèi)聲束能量較為集中，在深度7～18 mm范圍內(nèi)均具有較高能量，探頭的設(shè)置能滿足18 mm深度結(jié)合面處缺陷的檢測(cè)要求。因此，根據(jù)聚焦深度的不同，可以設(shè)置不同深度范圍的集中能量。

1.2.3 缺陷響應(yīng)

考慮該節(jié)模擬的是復(fù)合板未結(jié)合缺陷，因此在CIVA模型中添加一個(gè)平面狀矩形缺陷，大小(長×寬)為10 mm×5 mm，深度設(shè)置在結(jié)合面處，為18 mm。根據(jù)實(shí)際掃查情況，設(shè)置探頭移動(dòng)方向與聲束方向垂直，設(shè)置探頭移動(dòng)距離為40 mm，探頭計(jì)算步進(jìn)為0.5 mm，掃查方式為簡單電子掃查，聚焦深度為18 mm，缺陷響應(yīng)結(jié)果如圖4所示。

圖4 復(fù)合板未結(jié)合缺陷響應(yīng)結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，在探頭移動(dòng)過程中，未結(jié)合缺陷處B掃圖像會(huì)出現(xiàn)底波向上凸起，波形較為平直的現(xiàn)象，凸起部位即為未結(jié)合部位，下部底波較結(jié)合完好部位的波幅明顯減弱，A掃圖像也能明顯發(fā)現(xiàn)未結(jié)合缺陷的波形，模擬結(jié)果顯示：相控陣對(duì)復(fù)合材料未結(jié)合缺陷具有較高的檢出率，波形特征也較為典型。

1.3 氫鼓包、氫致開裂CIVA仿真

1.3.1 仿真設(shè)置

氫致開裂的仿真選取20R材料，厚度為20 mm，其余參數(shù)設(shè)置與1.2.1節(jié)相同。缺陷的設(shè)置主要從兩個(gè)方面考慮：① 氫鼓包、氫致開裂通常是伴隨著一起出現(xiàn)的，所以缺陷的中部采用大尺寸氣孔，氫致裂紋在氣孔兩側(cè)用面狀缺陷模擬；② 考慮氫損傷通常出現(xiàn)在板材中部靠近內(nèi)表面處，所以缺陷位置定位于板厚2/3處。氫鼓包氫致開裂缺陷的模型如圖5所示。

圖5 氫鼓包、氫致開裂缺陷模型

1.3.2 缺陷響應(yīng)

采用聚焦深度為15 mm的B掃成像對(duì)模擬試板進(jìn)行掃查，設(shè)置探頭移動(dòng)距離為40 mm，探頭計(jì)算步進(jìn)為0.5 mm，響應(yīng)結(jié)果如圖6所示。

圖6 氫鼓包、氫致開裂缺陷響應(yīng)結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，氫鼓包、氫致開裂的B掃成像圖主要有以下特點(diǎn)：① 缺陷波的波幅大小與缺陷走向有關(guān)，與聲束垂直方向的信號(hào)幅值較大；② 缺陷波圖像顯示不完全為平直狀，具有一定的起伏；③ 底波較沒有缺陷部位有明顯減弱；④ 若氫致開裂裂紋較大，則會(huì)出現(xiàn)底波不連續(xù)的情況。

1.4 內(nèi)表面腐蝕凹坑CIVA仿真

1.4.1 仿真設(shè)置

內(nèi)表面腐蝕凹坑采用球型缺陷在試板底部進(jìn)行模擬，球孔半徑分別為1,2,3,4 mm，試板厚度設(shè)置為12 mm。探頭移動(dòng)距離設(shè)置為90 mm，探頭步進(jìn)為0.5 mm。

1.4.2 缺陷響應(yīng)

從仿真結(jié)果可以看出，內(nèi)腐蝕凹坑的B掃成像圖主要有以下特點(diǎn)：① 缺陷波基本呈現(xiàn)點(diǎn)狀，在長度方向較小，這可以用球型反射體的特點(diǎn)來解釋；② 腐蝕凹坑越大，底波減弱越嚴(yán)重，甚至斷裂；③ 在較為規(guī)則的球孔情況下，反射波較為平整，易于分辨；④ 若球孔半徑過小(腐蝕坑過小)，則會(huì)淹沒在底波中，但從A掃中可以看出底波波幅有降低，進(jìn)而判斷底面存在腐蝕情況。

圖7 內(nèi)腐蝕凹坑缺陷響應(yīng)結(jié)果

2 典型母材缺陷的相控陣現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

2.1 復(fù)合板未結(jié)合缺陷現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

根據(jù)CIVA仿真結(jié)果可知，相控陣對(duì)復(fù)合板未結(jié)合缺陷具有較高的檢出率。根據(jù)仿真的檢測(cè)工藝，對(duì)某石化裝置的一臺(tái)急冷水冷卻器進(jìn)行相控陣掃查，該換熱器于2014年投入使用，殼程主體材料為Q345R+S31603，厚度為14 mm，設(shè)計(jì)壓力為2.45 MPa，設(shè)計(jì)溫度為200℃，介質(zhì)為急冷水。該設(shè)備在2017年首次檢驗(yàn)中，對(duì)筒體進(jìn)行超聲波測(cè)厚時(shí)發(fā)現(xiàn)厚度明顯偏小，顯示值在11～12 mm之間跳動(dòng)，隨后對(duì)該部位進(jìn)行打磨，采用以色列ISONIC 2009相控陣設(shè)備進(jìn)行垂直掃查，掃查結(jié)果如圖8，9所示。

圖8 復(fù)合板未結(jié)合缺陷成像圖

圖9 復(fù)合板未結(jié)合缺陷深度濾波3D成像圖

通過掃查結(jié)果可以看出，該換熱器筒體復(fù)合板存在長度為60 mm，深度為10 mm的未結(jié)合缺陷，該缺陷中間存在部分間斷，從B掃圖中可以看出該缺陷的長度與深度，A掃圖中可以看出缺陷波出現(xiàn)在底波之前；從其3D成像圖可以看出該缺陷走向較為平直，與CIVA仿真結(jié)果相吻合。

2.2 氫鼓包、氫致開裂現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

某煉化企業(yè)的加氫裝置脫硫塔在定期檢驗(yàn)中，宏觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在有鼓包現(xiàn)象，超聲波壁厚測(cè)定數(shù)據(jù)出現(xiàn)大面積異常情況。該塔器主體材料為20R，壁厚為56 mm，工況為濕硫化氫環(huán)境，綜合考慮為濕硫化氫導(dǎo)致的氫鼓包與氫致開裂(見圖10)，對(duì)其進(jìn)行返修后，對(duì)其更換下的筒體部分進(jìn)行了相控陣掃查，結(jié)果如圖11，12所示。

圖10 濕硫化氫損傷試樣

圖11 氫損傷試樣缺陷成像圖

圖12 氫損傷試樣缺陷3D成像圖

從掃查結(jié)果來看，B掃和3D顯示中缺陷回波起伏不平，局部有臺(tái)階狀開裂特征，與板材分層和復(fù)合板未結(jié)合缺陷的特征還是有很大區(qū)別的，同時(shí)這類缺陷一般沿長度方向具有較大的伸長量。在開裂較為嚴(yán)重的部位，底波完全消失；在開裂張角較小的部位，底波會(huì)減弱，開裂部位處于板材厚度方向偏下的位置。與CIVA仿真結(jié)果比對(duì)可以看出，實(shí)際開裂情況是表面不完全平整，仿真模型中裂紋按面狀缺陷處理，其表面較為平整，所以波形較為單一，但模擬波形也呈現(xiàn)出一定的階梯狀，與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果相吻合。

2.3 內(nèi)表面腐蝕凹坑現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

根據(jù)所設(shè)定的檢測(cè)工藝，檢測(cè)了兩塊現(xiàn)場(chǎng)試樣,一是厚度為12 mm的漏磁檢測(cè)試板，含有深度為20%，40%，60%，80%板厚的球型孔缺陷；另一塊試樣是某油庫十萬立方儲(chǔ)罐經(jīng)漏磁掃查存在深度為48%板厚的缺陷的A-2底板，檢測(cè)結(jié)果如圖13，14所示。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，12 mm厚漏磁試板掃查結(jié)果與CIVA仿真結(jié)果較為吻合，試板上有4個(gè)球孔缺陷，反射信號(hào)基本成點(diǎn)狀，且球孔所處位置的底波均有明顯減弱，甚至消失；48%缺陷底板相控陣復(fù)驗(yàn)結(jié)果顯示,缺陷部位底波消失，缺陷波與正常狀態(tài)底波相連，形態(tài)上顯示為底波上移。因此,在大面積快速掃查過程中，應(yīng)時(shí)刻注意底波的變化狀態(tài)，一旦發(fā)生底波上移或底波斷開，極有可能存在下表面的腐蝕，需謹(jǐn)慎對(duì)待。

圖13 厚度為12 mm漏磁試板缺陷成像圖

圖14 48%漏磁掃查缺陷相控陣成像圖

3 結(jié)語

通過對(duì)承壓設(shè)備母材3種典型缺陷的相控陣CIVA仿真與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)驗(yàn)證，總結(jié)了各類缺陷在A掃、B掃、3D成像圖中的圖譜特點(diǎn)，并將CIVA仿真結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)進(jìn)行了比對(duì)，分析了其中存在的共同性與差異性，為今后超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在壓力容器不開罐、壓力管道不清管狀況下的檢測(cè)提供一定的數(shù)據(jù)積累。