相控陣超聲波檢測(cè)氧分離器應(yīng)力腐蝕裂紋研究

周鵬

遼寧紅沿河核電有限公司 遼寧大連 116319

1 序言

電解水制氫裝置被廣泛應(yīng)用于核電站的氫氣制備中，而氧分離器是其裝置中一個(gè)重要的壓力容器設(shè)備。某電廠運(yùn)行期間出現(xiàn)因氧分離器容器封頭失效而造成漏液的情況，其基本情況如下。

1）容器材料為316L奧氏體不銹鋼，尺寸為φ219mm×6mm，內(nèi)部介質(zhì)為26%KOH溶液，運(yùn)行壓力為3.2MPa，運(yùn)行溫度為70～80℃。

2）根據(jù)裂紋金相檢查可知，裂紋部位在封頭直邊段焊縫熱影響區(qū)附近，方向與環(huán)焊縫相垂直，焊縫本身沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋主要是沿晶擴(kuò)展，尖端有分叉，局部有穿晶特征。

3）對(duì)容器進(jìn)行打磨消除缺陷并實(shí)施滲透檢測(cè)（見(jiàn)圖1），隨著打磨深度的不斷增加，滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的裂紋長(zhǎng)度也增加。當(dāng)打磨至3.5mm深時(shí)，滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的裂紋長(zhǎng)度最大為13mm，而后打磨缺陷逐漸減小直至消失。裂紋由封頭內(nèi)壁向封頭外壁方向擴(kuò)展。

圖1 設(shè)備漏點(diǎn)滲透檢測(cè)缺陷形貌

通過(guò)理化檢測(cè)分析，判斷上述缺陷為應(yīng)力腐蝕裂紋[1]。應(yīng)力腐蝕是材料在拉應(yīng)力及敏感腐蝕介質(zhì)的共同作用下引起的應(yīng)力脆性斷裂。應(yīng)力腐蝕發(fā)生的兩大條件為拉應(yīng)力及敏感介質(zhì)[2]。由于氧分離器本身所承擔(dān)的功能需要，其內(nèi)部苛性堿水介質(zhì)是不可改變的，因此需要對(duì)氧分離器進(jìn)行定期地在役檢查，以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕裂紋，保證設(shè)備安全。

由于奧氏體不銹鋼晶粒粗大、不均勻，且存在聲特性各向異性的特點(diǎn)，所以使用常規(guī)超聲波檢測(cè)時(shí)，超聲波容易發(fā)生散射衰減造成回波信號(hào)信噪比低，且容易因晶粒各向異性而引起聲束發(fā)生偏折，造成漏檢。

相控陣超聲波檢測(cè)具有靈活的聲束偏轉(zhuǎn)與聚焦特性，可以一次實(shí)現(xiàn)多角度掃查和聚焦，能有效地增加信噪比，克服聲束偏轉(zhuǎn)帶來(lái)的漏檢[3]。因此，相控陣超聲波對(duì)檢測(cè)奧氏體不銹鋼有較大優(yōu)勢(shì)。

本文使用CIVA仿真模擬軟件進(jìn)行仿真模擬，并結(jié)合人工試塊相控陣檢測(cè)的試驗(yàn)驗(yàn)證，研究了相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)氧分離器應(yīng)力腐蝕裂紋的可行性，同時(shí)對(duì)該方法在實(shí)際檢測(cè)中進(jìn)行了驗(yàn)證。研究表明，合適的相控陣超聲波檢測(cè)工藝能有效地檢出氧分離器應(yīng)力腐蝕裂紋。

2 仿真模擬試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的仿真模擬軟件為C I VA 2020，使用其中的PA U T模塊，探頭為5M H z、16陣元、0.5mm×10mm的線陣探頭，采用配合曲面楔塊，折射角為60?，模擬聲束角度為35°～70°，模擬試塊參照氧分離器規(guī)格為φ219mm×6mm，材質(zhì)選用316L奧氏體不銹鋼。

通過(guò)仿真模擬軟件得到探頭聲場(chǎng)仿真效果，如圖2所示。由圖2可知，結(jié)果顯示聲場(chǎng)可有效覆蓋待檢區(qū)。

圖2 探頭聲場(chǎng)仿真效果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真模擬的缺陷響應(yīng)，參照NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》中“承壓設(shè)備用無(wú)縫鋼管超聲波檢測(cè)方法和質(zhì)量分級(jí)”的內(nèi)容，針對(duì)3種類(lèi)別面積型缺陷，設(shè)置了3種不同規(guī)格的人工反射體（人工缺陷），具體尺寸見(jiàn)表1。內(nèi)表面和外表面人工缺陷在人工試塊上對(duì)稱分布，因此僅取內(nèi)表面和外表面各一處缺陷，如圖3所示。

圖3 人工試塊內(nèi)外表面人工缺陷示意

表1 人工反射體尺寸

仿真模擬時(shí)，采用直射波模擬檢測(cè)內(nèi)表面人工反射體，采用一次反射波模擬檢測(cè)外表面人工反射體。

仿真模擬結(jié)果顯示，3個(gè)人工反射體都有明顯的反射回波，回波信噪比能滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需要。位于內(nèi)表面和外表面、自身高度為0.3mm開(kāi)口的人工反射體的響應(yīng)效果如圖4所示。結(jié)果表明，對(duì)于檢測(cè)自身高度為5%壁厚的人工反射體，缺陷有明顯的反射回波，且檢測(cè)信噪比＞20dB。

圖4 10mm×0.15mm×0.3mm開(kāi)口裂紋缺陷響應(yīng)效果

3 人工試塊試驗(yàn)

仿真模擬結(jié)果表明，使用上述參數(shù)的相控陣超聲波檢測(cè)工藝，聲場(chǎng)可有效覆蓋待檢區(qū)，同時(shí)對(duì)人工試塊內(nèi)表面和外表面自身高度為0.3mm開(kāi)口的人工缺陷有明顯的反射回波，且檢測(cè)信噪比＞20dB。為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真模擬結(jié)果的可靠性，采用與上述仿真模擬相同的相控陣超聲波檢測(cè)儀器和工藝進(jìn)行人工試塊的相控陣試驗(yàn)，人工試塊與仿真模擬使用的人工試塊相同，均與被檢氧分離器材質(zhì)和規(guī)格相同，具體為材質(zhì)：316L，規(guī)格：φ219×6mm。人工缺陷尺寸參數(shù)見(jiàn)表1，表面狀態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)被檢氧分離器相同。

為了測(cè)試聲束的可達(dá)性，在人工試塊截面曲率變化最大位置的內(nèi)外表面，各加工了3個(gè)人工缺陷，缺陷的位置與焊縫方向垂直（與氧分離器應(yīng)力腐蝕裂紋方向一致），缺陷尺寸見(jiàn)表1，缺陷示意見(jiàn)圖3。

相控陣超聲波聲束掃描方向與焊縫平行，扇掃角度為30°～65°，聚焦方式采用深度聚焦；從正反兩個(gè)方向在外表面分別對(duì)人工試塊周向掃查，在軸向方向移動(dòng)探頭掃查時(shí)，移動(dòng)距離應(yīng)有不小于15%的重疊覆蓋率[4]。檢測(cè)人員實(shí)施人工試塊的相控陣超聲波檢測(cè)，如圖5所示。

圖5 檢測(cè)人員實(shí)施人工試塊的相控陣超聲波檢測(cè)

試驗(yàn)結(jié)果表明，人工模擬試塊內(nèi)外表面的6個(gè)人工缺陷，正反兩次掃查都能明顯地檢測(cè)出來(lái)，信噪比較好。人工試塊內(nèi)外壁0.3mm自身高度人工刻槽缺陷相應(yīng)效果如圖6所示。分析可知，對(duì)于檢測(cè)自身高度為5%壁厚的人工缺陷，檢測(cè)效果良好。

圖6 封頭內(nèi)外壁0.3mm自身高度人工刻槽缺陷效果

4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

基于上述仿真模擬和人工試塊檢測(cè)結(jié)果可知，上述相控陣超聲波檢測(cè)工藝能滿足該核電廠氧分離器應(yīng)力腐蝕裂紋的檢出要求。

上述封頭失效漏液的氧分離器經(jīng)返修和無(wú)損檢測(cè)合格后重新投入運(yùn)行。運(yùn)行一年后，近期對(duì)該氧分離器進(jìn)行定期檢查，采用上述相控陣超聲波檢測(cè)工藝實(shí)施檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在軸向應(yīng)力腐蝕裂紋回波顯示，如圖7所示。電廠將氧分離器封頭切割后返修，打磨一定深度后實(shí)施滲透檢測(cè)，在相控陣超聲波檢測(cè)出缺陷的位置發(fā)現(xiàn)了裂紋類(lèi)缺陷顯示，如圖8所示。由此可見(jiàn)，采用上述相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)檢查氧分離器應(yīng)力腐蝕裂紋是可行的。

圖7 氧分離器封頭缺陷效果

圖8 氧分離器封頭滲透檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合CIVA仿真模擬、試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，研究和驗(yàn)證了相控陣超聲波檢測(cè)氧分離器應(yīng)力腐蝕裂紋的可行性，得出了以下結(jié)論。

1）CIVA仿真研究表明，選用合適相控陣檢測(cè)工藝探頭聲場(chǎng)能有效覆蓋待檢測(cè)區(qū)域，對(duì)于檢測(cè)自身高度為5%壁厚的人工缺陷，有明顯的反射回波，且檢測(cè)信噪比＞20dB。

2）采用人工試塊試驗(yàn)研究表明，上述仿真模擬的相控陣超聲波檢測(cè)工藝能檢出自身高度0.3mm的模擬人工缺陷，且信噪比滿足檢測(cè)需要。

3）在現(xiàn)場(chǎng)采用上述相控陣超聲波檢測(cè)工藝對(duì)氧分離器進(jìn)行定期在役檢查，發(fā)現(xiàn)了軸向應(yīng)力腐蝕裂紋回波顯示，且通過(guò)返修過(guò)程實(shí)施滲透檢測(cè)，證實(shí)了該裂紋顯示的存在。