基于超聲相控陣技術(shù)的復(fù)合鋼板內(nèi)表面裂紋檢測與分析

沈成業(yè) 金學(xué)峰 金 偉 杜斌康 錢盛杰

（寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

在石油化工行業(yè)中，有較多的生產(chǎn)工藝操作環(huán)境是高溫高壓、介質(zhì)具有腐蝕性的，壓力容器設(shè)計(jì)制造時材料的選用應(yīng)兼顧高強(qiáng)度、耐高溫和耐腐蝕性，但是同時滿足上述條件的合金材料往往成本較高，為了降低制造成本同時又能滿足嚴(yán)苛的操作條件，一般使用復(fù)合鋼板作為壓力容器的材料［1］。 復(fù)合鋼板可以分為金屬復(fù)合鋼板和非金屬復(fù)合鋼板兩大類［2］，其中金屬復(fù)合鋼板中的不銹鋼復(fù)合鋼板是以碳鋼或低合金鋼為基層單面貼合不銹鋼的復(fù)合鋼板， 具有必要的強(qiáng)度，同時還具備耐熱性能和耐腐蝕性能［3］，筆者主要探討碳鋼不銹鋼復(fù)合板。 雖然復(fù)合鋼板耐腐蝕性能較好，但在使用過程中，由于工況異常或者復(fù)合板制造原因， 如果復(fù)層存在損壞和脫落現(xiàn)象，將會使容器基層金屬直接曝露在高溫和腐蝕環(huán)境下，造成腐蝕、應(yīng)力腐蝕等損傷，從而導(dǎo)致容器失效破壞［4］。 根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》， 襯里層檢測一般采用宏觀檢驗(yàn)，復(fù)層表面采用無損檢測，上述檢測方法往往需進(jìn)入容器內(nèi)部進(jìn)行檢驗(yàn)。 宏觀檢驗(yàn)有一定的局限性， 對肉眼不可見的細(xì)微裂紋容易出現(xiàn)漏檢，宏觀檢驗(yàn)和表面無損檢測都無法確定裂紋深度。 而對于無法進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)的壓力容器，可采用可靠的技術(shù)，比如超聲檢測，常規(guī)超聲檢測雖然可以檢測出裂紋，但是由于裂紋的不規(guī)則性且無法成像顯示，很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的裂紋深度測量［5］。因此嘗試用超聲相控陣檢測方法來檢測復(fù)合板復(fù)層裂紋。 超聲相控陣儀器通常為多通道、多晶片，可對缺陷進(jìn)行成像，并能進(jìn)行精確定位與測量，具有檢測效率高、漏檢率低、靈活性好及多種成像方式等優(yōu)點(diǎn)［6］。 針對重點(diǎn)設(shè)備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，結(jié)合對定制試板的檢測，探討了超聲相控陣技術(shù)對復(fù)層裂紋檢測和裂紋擴(kuò)展監(jiān)控的可行性。

1 基層裂紋CIVA 仿真

通過CIVA 仿真， 模擬相控陣以設(shè)備基層外表面作為檢測面，復(fù)層內(nèi)表面徑向裂紋的響應(yīng)情況。 所采用的相控陣探頭參數(shù)如下：

傳感器類型 線形相控陣探頭

聚焦類型 單點(diǎn)聚焦

陣元數(shù)目 16

陣元寬度a 0.5mm

陣元間距d 0.6mm

信號中心頻率 5MHz

信號帶寬 60%

仿真對象為復(fù)合鋼板，厚度為22mm（基層）+3mm（復(fù)層），基層材料為20，內(nèi)襯材料為304 不銹鋼，裂紋起源為設(shè)備的內(nèi)表面，并向徑向擴(kuò)展。為了確定裂紋是否擴(kuò)展至基層，本次仿真分別設(shè)置了3 個不同深度的徑向裂紋， 如圖1 所示，裂紋從左至右分別為L1、L2、L3，裂紋深度從左至右分別為2、3、5mm。

圖1 缺陷響應(yīng)模型

根據(jù)上述模型，在CIVA 中進(jìn)行仿真計(jì)算，得到如圖2 所示的缺陷響應(yīng) （從左至右分別為L1、L2、L3 裂紋）。 從圖2 中可以看出，該方法能檢測出深度為2、3、5mm 的徑向裂紋，且具有很高的檢測靈敏度，深度越深，缺陷回波越高。 開口裂紋的下端回波波幅較高，裂紋上端點(diǎn)的衍射波信號回波波幅較小。 不同深度裂紋的相對聲壓幅值比對如圖3 所示（從左至右分別為L1、L2、L3 裂紋）。

圖2 不同深度裂紋的缺陷響應(yīng)仿真

圖3 不同深度裂紋的相對聲壓幅值

2 試樣檢測

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出超聲相控陣對復(fù)合板復(fù)層裂紋檢出率較高。 根據(jù)仿真的檢測工藝，筆者設(shè)計(jì)制作了檢測試板，并對檢測試板進(jìn)行相控陣檢測。

檢測試板為一塊304 不銹鋼+20 復(fù)合板，規(guī)格為300mm×180mm×（22+3）mm，如圖4 所示。 在不銹鋼復(fù)層側(cè)外表面設(shè)置3 處人工裂紋，為了滿足裂紋擴(kuò)展至復(fù)層內(nèi)部， 復(fù)層與基層結(jié)合處，及基層處的檢測要求， 裂紋深度分別為2、3、5mm，對應(yīng)長度分別為4、5、7mm。

圖4 帶人工裂紋的檢測試板

檢測時相控陣探頭在復(fù)合板基層側(cè)進(jìn)行粗掃，粗掃確定裂紋的個數(shù)和大致位置，再對每個裂紋進(jìn)行細(xì)掃，確定裂紋的長度和深度。 采用相控陣斜探頭扇掃檢測，掃查角度范圍是35～65°，焦點(diǎn)設(shè)置在復(fù)合板的底部，裂紋的檢測數(shù)據(jù)如圖5 所示。從扇掃檢測數(shù)據(jù)可見3 個裂紋的A 超裂紋波幅較高，B 掃和D 掃裂紋成像清晰， 有一定的不規(guī)則性，分別分布于鋼板底部到復(fù)合層的不同深度， 可以精確測量出裂紋的深度，C 掃數(shù)據(jù)清晰記錄了裂紋的俯視信號，可以測量得到裂紋的長度。 最后，根據(jù)相控陣后處理軟件的測量分析，得到3 個裂紋的測量數(shù)據(jù)為：S1 裂紋擴(kuò)展深度2.1mm，長度4.2mm；S2 裂紋擴(kuò)展深度3.2mm，長度5.1mm；S3 裂紋擴(kuò)展深度5.3mm， 長度7.3mm。 在本次試驗(yàn)中，實(shí)測值接近實(shí)際值，不考慮裂紋加工和檢測的影響，相控陣檢測技術(shù)對裂紋深度測量的誤差小于6.7%， 相控陣檢測技術(shù)對裂紋長度測量的誤差小于5.0%。 根據(jù)數(shù)據(jù)分析，S1 裂紋處于復(fù)合層中， 未開裂至結(jié)合面，S2裂紋處于復(fù)合層中，已經(jīng)開裂至結(jié)合面，S3 裂紋最為嚴(yán)重，起源于復(fù)合層底部，已透過復(fù)合層開裂至基材。

圖5 裂紋檢測數(shù)據(jù)分析結(jié)果

3 結(jié)束語

通過對裂紋相控陣CIVA 仿真和試塊人工缺陷的檢測試驗(yàn)，超聲相控陣檢測方法以基層側(cè)為檢測面對復(fù)層表面裂紋的檢測具有可行性，通過A、B、C、D 多種成像方式可以對裂紋的深度和長度進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測量。 對于復(fù)合鋼板制壓力容器，如果無法進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)時可采用超聲相控陣檢測技術(shù)，可以從外壁進(jìn)行檢測，準(zhǔn)確測量裂紋的深度，能對裂紋的擴(kuò)展進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。