在役壓力容器搭接角焊縫的相控陣超聲檢測(cè)

唐飛陽亮，楊 晶，魏培生,徐國良

(1.中國石油 獨(dú)山子石化分公司設(shè)備研究所，克拉瑪依 833699；2.中國石油 獨(dú)山子石化分公司機(jī)動(dòng)處，克拉瑪依 833699)

壓力容器的焊接接頭分為A,B,C,D,E等5類，其中非受壓元件與受壓元件的連接接頭為E類焊接接頭。E類焊接接頭常見于墊板與容器壁的焊縫、帶補(bǔ)強(qiáng)圈的接管與殼體的連接、裙座與封頭的連接等結(jié)構(gòu)中，以搭接角焊縫的形式出現(xiàn)。

在役壓力容器在啟停和運(yùn)行過程中，瞬間的溫度變化和運(yùn)行工況波動(dòng)都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大的應(yīng)力，當(dāng)搭接角焊縫中存在未熔合和未焊透等焊接缺陷時(shí)，這些焊接缺陷就會(huì)造成應(yīng)力集中，進(jìn)而對(duì)容器的筒體母材造成損傷,使介質(zhì)泄漏，甚至發(fā)生著火爆炸等事故。因此，對(duì)搭接角焊縫進(jìn)行無損檢測(cè)十分重要。

1 搭接角焊縫的無損檢測(cè)

通過對(duì)壓力容器搭接角焊縫制造時(shí)的焊接工藝、使用時(shí)的工況等多方面進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)壓力容器搭接角焊縫在施工過程中易出現(xiàn)的缺陷主要有未熔合、未焊透、氣孔和夾渣等[1]，壓力容器在在役過程中還可能產(chǎn)生疲勞裂紋[2]，進(jìn)而導(dǎo)致容器筒體母材開裂。目前，主要采用滲透檢測(cè)和磁粉檢測(cè)方法對(duì)搭接角焊縫的表面質(zhì)量進(jìn)行檢查。對(duì)于內(nèi)部缺陷，由于存在較大的厚度差，所以對(duì)其進(jìn)行射線檢測(cè)存在一定的困難。即使采用提高透照能量、雙膠片以及補(bǔ)償厚度等方法來降低檢測(cè)難度，該方法仍然存在難以保證底片靈敏度，檢測(cè)效率低以及檢測(cè)時(shí)需要輻射防護(hù)等問題。在對(duì)搭接角焊縫進(jìn)行常規(guī)超聲檢測(cè)時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)特殊，所以容易誤判或者漏檢重要缺陷。

因此，目前還沒有較為完整可靠的在役壓力容器搭接角焊縫內(nèi)部缺陷的檢測(cè)方法。隨著相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用越來越普遍，這種技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)：只用單探頭在固定位置就可以檢出不同位置和方向的裂紋及其他缺陷；可以對(duì)各類焊縫的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行仿真，并且模擬聲場(chǎng)在焊縫中的覆蓋和傳播情況；檢測(cè)結(jié)果以圖譜形式顯示，為缺陷的定位、定量、定性和定級(jí)等提供了豐富的信息[3]，所以可以采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)在役壓力容器搭接角焊縫的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

2 搭接角焊縫的相控陣超聲檢測(cè)

2.1 人工缺陷試塊

為了完成搭接角焊縫的相控陣超聲檢測(cè)并確認(rèn)檢測(cè)工藝，筆者根據(jù)搭接角焊縫、墊板和母材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了對(duì)比試塊，并在試塊中加工人工缺陷，模擬實(shí)際工況下可能存在的典型自然缺陷，對(duì)比試塊及人工缺陷尺寸如圖1所示。

圖1 對(duì)比試塊及人工缺陷尺寸示意

在試塊1的模擬焊縫區(qū)域中心加工了直徑為2 mm的通孔，用于模擬焊縫中的氣孔和夾渣缺陷；在試塊2的模擬焊縫區(qū)域熔合線處加工了4條寬為0.5 mm，自身高度為2 mm的人工槽，用于模擬未熔合或未焊透缺陷在應(yīng)力作用下的應(yīng)力開裂；在試塊3的母材上加工了4條寬為0.5 mm，自身高度為2 mm的人工槽，用于模擬母材的應(yīng)力開裂。

2.2 檢測(cè)結(jié)果與分析

選用具有焊縫仿真模擬成像功能的ISONIC 2010型便攜式相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)不同被檢測(cè)工件的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真或者對(duì)其真實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。在檢測(cè)時(shí)，操作人員利用該功能可方便快捷地對(duì)工件中出現(xiàn)的缺陷信息進(jìn)行判斷和評(píng)定。這樣可以極大地降低檢測(cè)時(shí)誤判及錯(cuò)判的概率，保證檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)性、有效性及可靠性。

系統(tǒng)對(duì)焊縫結(jié)構(gòu)的仿真模擬如圖2所示，該系統(tǒng)通過設(shè)置焊縫寬度、表面余高高度、根部寬度等參數(shù)，描繪出工件的真實(shí)幾何結(jié)構(gòu)和焊接位置，圖2中紅圈標(biāo)注的區(qū)域就是模擬的搭接角焊縫區(qū)域，檢測(cè)時(shí)只需關(guān)注該區(qū)域中的回波信號(hào)，就可避免幾何結(jié)構(gòu)反射信號(hào)造成的誤判。

圖2 系統(tǒng)對(duì)焊縫結(jié)構(gòu)的仿真模擬

系統(tǒng)的聲場(chǎng)覆蓋設(shè)置如圖3所示，該系統(tǒng)還可以快速設(shè)定探頭激發(fā)與接收單元的陣列孔徑、入射角度、聚焦深度、掃查角度范圍、掃查角度步進(jìn)等檢測(cè)參數(shù)，通過調(diào)整探頭位置，來確保聲場(chǎng)能夠全面覆蓋檢測(cè)區(qū)域。

圖3 系統(tǒng)的聲場(chǎng)覆蓋設(shè)置

按照保證聲場(chǎng)全覆蓋的工藝參數(shù)，對(duì)相控陣檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，并對(duì)試塊內(nèi)的人工缺陷進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)，人工缺陷的S型顯示及形貌如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)搭接角焊縫中各個(gè)位置的缺陷均能被有效檢出，并且通過焊縫仿真的功能可以詳細(xì)地展示出缺陷的水平位置和埋藏深度。

圖4 試塊中人工缺陷的S型顯示及形貌

通過分析檢測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，相控陣超聲檢測(cè)對(duì)于缺陷的定位較為精確，水平定位誤差為-1.01.0 mm，埋藏深度測(cè)量精度為-1.61.6 mm；對(duì)于缺陷尺寸的測(cè)量，相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果均偏大。

3 應(yīng)用案例

某吸附器在使用期間，其平臺(tái)南側(cè)的揮發(fā)性氣體監(jiān)測(cè)儀報(bào)警，發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)氣體泄漏事故。經(jīng)檢查，排除了周圍管線和吸附器本體泄漏的可能性。檢測(cè)人員懷疑是平臺(tái)支撐墊板與吸附器連接的搭接角焊縫開裂造成的，就對(duì)該焊縫進(jìn)行了無損檢測(cè)。

首先采用滲透檢測(cè)方法對(duì)該搭接角焊縫進(jìn)行表面缺陷檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)缺陷。由于吸附器內(nèi)存有大量催化劑，開罐檢測(cè)會(huì)造成催化劑失效，所以檢測(cè)人員采用相控陣超聲檢測(cè)工藝對(duì)搭接角焊縫的內(nèi)部缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)搭接角焊縫內(nèi)部存在貫穿吸附器母材的裂紋(見圖5)。

圖5 某搭接角焊縫缺陷圖譜

分析缺陷圖譜可以發(fā)現(xiàn)，在墊板覆蓋下的吸附器母材部位存在貫穿性裂紋，外表面裂紋的檢測(cè)結(jié)果為101 mm，內(nèi)表面裂紋的檢測(cè)結(jié)果為58 mm；裂紋在母材內(nèi)沿厚度方向呈現(xiàn)“S”形走向，外表面開口在搭接角焊縫的焊根處，內(nèi)表面開口在搭接角焊縫焊趾處的正下方。為了確認(rèn)相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，檢測(cè)人員最終決定開罐對(duì)容器內(nèi)表面進(jìn)行熒光磁粉檢測(cè)，在容器內(nèi)表面的對(duì)應(yīng)部位發(fā)現(xiàn)一處裂紋，長(zhǎng)度為59 mm。車間對(duì)該容器進(jìn)行報(bào)廢處理，并對(duì)缺陷部位進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖6所示，裂紋的內(nèi)表面開口長(zhǎng)度、在母材內(nèi)部的走向、內(nèi)外表面位置等均符合相控陣超聲檢測(cè)對(duì)裂紋的判定，相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

圖6 缺陷處的熒光磁粉檢測(cè)及滲透檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語

通過完整的實(shí)驗(yàn)室相控陣超聲檢測(cè)工藝試驗(yàn)，確定了關(guān)鍵工藝參數(shù)，驗(yàn)證了檢測(cè)工藝的可行性。該工藝方法可以解決在役壓力容器搭接角焊縫內(nèi)部缺陷不易檢測(cè)的難題，提高了檢測(cè)在役壓力容器搭接角焊縫內(nèi)部缺陷的效率和可靠性。