(青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司,青島 266426)
熱壁加氫反應(yīng)器是煉油、化工加氫裂化裝置中的關(guān)鍵設(shè)備,也是制造最復(fù)雜、技術(shù)要求最高的裝置,通常在高溫、高壓等惡劣條件下使用。20世紀(jì)70年代后,隨著市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品要求的提高和制造工藝的成熟,熱壁加氫反應(yīng)器在市場(chǎng)上逐漸代替了冷壁加氫反應(yīng)器。我國(guó)在20世紀(jì)70年代到80年代才開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)熱壁加氫反應(yīng)器的制造技術(shù)。
由于熱壁加氫反應(yīng)器在使用時(shí)存在介質(zhì)腐蝕、氫腐蝕、應(yīng)力腐蝕、回火脆化等問(wèn)題,所以其屬于高危設(shè)備,對(duì)焊接的要求很高,此類(lèi)設(shè)備應(yīng)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),尤其是對(duì)焊接難度大,易出現(xiàn)缺陷的接管類(lèi)焊縫更應(yīng)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。加氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。
圖1 加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意
加氫反應(yīng)器大量使用接管角焊縫,由于其結(jié)構(gòu)特殊,幾何條件復(fù)雜,所以焊接工藝繁復(fù),焊接質(zhì)量無(wú)法保證,且對(duì)超聲波檢測(cè)的要求更高,也就要求質(zhì)保部門(mén)采取更為有效的檢測(cè)方法和檢測(cè)工藝,筆者介紹了接管角焊縫超聲波檢測(cè)方法,尤其對(duì)發(fā)現(xiàn)缺陷后如何確定其具體深度,如何對(duì)缺陷定位這一問(wèn)題做了進(jìn)一步論述。
圖2 插入式接管角焊縫結(jié)構(gòu)示意
圖3 安放式接管角焊縫結(jié)構(gòu)示意
圖4 馬鞍形接管焊縫剖面圖
幾種接管焊縫的結(jié)構(gòu)示意如圖2~4所示。接管類(lèi)焊縫對(duì)焊接的工藝要求很高,若是采用氣割開(kāi)孔,在開(kāi)孔后,其表面非常粗糙,打磨工作量很大,坡口的尺寸也難以保證,而給后續(xù)焊接帶來(lái)影響,尤其是筒體內(nèi)壁堆焊不銹鋼層之后,很容易引起磁偏吹,在焊縫內(nèi)表面容易產(chǎn)生未熔合、未焊透等缺陷,在進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí),對(duì)焊縫根部的掃查應(yīng)高度重視,尤其是針對(duì)大厚壁容器的焊縫檢測(cè)[1]。
插入式接管角焊縫在進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí),可以選取直探頭在位置1處(接管內(nèi)壁)對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè),也可以選取斜探頭在位置2和位置4(筒體內(nèi)壁)處進(jìn)行超聲波檢測(cè)。也可以從接管外壁采取二次波檢測(cè),由于二次波對(duì)缺陷的評(píng)定要求較高,同時(shí)如果直射波能保證良好的缺陷檢出率,就要求采用直射波檢測(cè)。接管內(nèi)壁的檢測(cè)面平整,接管直徑能夠保證足夠的檢測(cè)空間,可以選取在位置3處進(jìn)行超聲波檢測(cè)。如果各檢測(cè)面厚度不大于25 mm,推薦選擇K1,K2.5斜探頭;檢測(cè)面厚度若大于25 mm,推薦選擇K1,K2斜探頭。
安放式接管角焊縫在進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí),可以選取直探頭在位置1處(筒體內(nèi)壁)對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè),在位置3(接管內(nèi)壁)處利用直射波進(jìn)行檢測(cè),如果接管壁厚不大,也可以從位置2(接管外壁)處利用二次波檢測(cè),斜探頭與插入式接管超聲波檢測(cè)的方法相同。
接管角焊縫超聲波檢測(cè)一般采用直探頭檢測(cè),但是由于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊縫的焊接表面質(zhì)量、鉚工工裝質(zhì)量及打磨質(zhì)量的要求,以及加氫接管內(nèi)壁大多為內(nèi)壁堆焊,所以無(wú)法進(jìn)行直探頭檢測(cè),而采用斜探頭進(jìn)行檢測(cè),直探頭作為輔助檢測(cè)手段[2]。
進(jìn)行接管角焊縫的超聲波檢測(cè)時(shí),應(yīng)該實(shí)際參考接管的具體結(jié)構(gòu),從多種位置采用合適的超聲方法進(jìn)行檢測(cè)。
接管角焊縫斜探頭或直探頭檢測(cè)的靈敏度如表1所示。
表1 接管角焊縫斜探頭或直探頭檢測(cè)的靈敏度
曲面工件的超聲波檢測(cè)時(shí),如果不能滿(mǎn)足以下所述要求時(shí),應(yīng)該進(jìn)行曲面補(bǔ)償,滿(mǎn)足時(shí)可以按照平板焊縫進(jìn)行檢測(cè)。
對(duì)于一般曲面,需要滿(mǎn)足的條件如式(1)所示。
(1)
式中:W為探頭接觸面的寬度,檢測(cè)環(huán)焊縫時(shí)為探頭的寬度,檢測(cè)縱焊縫時(shí)為探頭的長(zhǎng)度;D為曲面直徑。
對(duì)于較高曲面(對(duì)缺陷識(shí)別要求較高的工件曲面),需要滿(mǎn)足的條件如式(2)所示。
(2)
耦合效果約為平板的80%左右。
直探頭檢測(cè)時(shí),耦合試塊應(yīng)與工件的曲率半徑相同,材料也相同;斜探頭檢測(cè)時(shí),試塊的曲率半徑與工件的曲率半徑相同,材料也相同,反射孔位置參照標(biāo)準(zhǔn)試塊來(lái)確定。
曲率試塊結(jié)構(gòu)示意如圖5所示[3],A為入射點(diǎn),B為反射孔位置,R為曲面試塊的外徑,β為折射角,由于
(3)
故可以通過(guò)式(4)計(jì)算出折射角。
(4)
式中:S為缺陷在平面工件中的水平距離;h為缺陷在曲面工件中的深度。
圖5 曲率試塊結(jié)構(gòu)示意
超聲檢測(cè)面包括檢測(cè)區(qū)和探頭的移動(dòng)區(qū)。
檢測(cè)區(qū)包括焊縫本身加上焊縫熔合線(xiàn)兩側(cè)各10 mm。探頭移動(dòng)區(qū)寬度與檢測(cè)方法有關(guān),大厚壁容器采用直射波檢測(cè),移動(dòng)區(qū)寬度為1.5Kt(t為檢測(cè)焊縫厚度,K為探頭的K值),以150 mm厚度母材為例,采用K1探頭進(jìn)行檢測(cè)時(shí),K1探頭的移動(dòng)區(qū)寬度為225 mm,再加上焊縫的寬度,最終需要打磨的寬度為2×(225+焊縫寬度+10) mm。
采用大K值探頭進(jìn)行檢測(cè)時(shí),如果按照上面的公式進(jìn)行計(jì)算,則需要打磨的寬度非常大。加氫反應(yīng)器內(nèi)壁需要進(jìn)行堆焊,考慮組裝多節(jié)筒體后,由于自動(dòng)焊機(jī)臂長(zhǎng)不足,手工焊的工作量太大,大多選擇厚度一半以上作為檢測(cè)母材的厚度,如150 mm厚度,選擇t為80 mm,進(jìn)行探頭移動(dòng)區(qū)的計(jì)算。
加氫反應(yīng)器內(nèi)部多為堆焊不銹鋼層,現(xiàn)在大多采用自動(dòng)堆焊設(shè)備,盡可能地連續(xù)堆焊,很多時(shí)候,探頭移動(dòng)區(qū)域并不能滿(mǎn)足,這就需要考慮增加補(bǔ)償措施,以保證檢測(cè)質(zhì)量。
加氫反應(yīng)器多為大厚度、大直徑的容器,針對(duì)接管的超聲波檢測(cè)可以采用雙面雙側(cè)檢測(cè),加之二次波回波復(fù)雜,難以判斷缺陷波,所以多采用直射波進(jìn)行缺陷的檢測(cè)。
直徑較大的接管與筒體的焊接處為馬鞍形,焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜,按照一般缺陷的定位,檢測(cè)效果不好,接管的坡口弧度大,返修困難,焊接質(zhì)量不易保證。為了方便定位,將焊縫進(jìn)行分區(qū),馬鞍形接管超聲檢測(cè)分區(qū)示意如圖6所示。將焊縫分為8個(gè)區(qū):1區(qū)和5區(qū)位于軸向最高點(diǎn),在筒體直徑很大的情況下,可以按照平板焊縫進(jìn)行檢測(cè);3區(qū)和7區(qū)位于周向的最低點(diǎn),可以參照筒體縱縫進(jìn)行檢測(cè);其他2區(qū)、4區(qū)、6區(qū)、8區(qū)則根據(jù)不同的曲率半徑,參照1區(qū)、3區(qū)、5區(qū)、7區(qū),通過(guò)相應(yīng)的關(guān)系式進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。
圖6 馬鞍形接管的超聲檢測(cè)分區(qū)示意
1區(qū)和5區(qū)位于軸向最高點(diǎn),參照平板焊縫的直射波檢測(cè),按照式(5)進(jìn)行計(jì)算。
H=nτ
(5)
式中:H為缺陷的深度;n為儀器調(diào)節(jié)比例;τ為儀器顯示深度。
L=nKτ
(6)
式中:L為缺陷的水平距離。
3區(qū)和7區(qū)位于周向的最低點(diǎn),參照筒體縱縫的超聲波檢測(cè)。外圓直射波檢測(cè)方法示意如圖7所示,圖中OA為筒體外圓半徑R,OB為筒體內(nèi)圓半徑r,AF為缺陷聲程S,β為探頭的折射角。
圖7 外圓直射波檢測(cè)方法示意
通過(guò)式(7),(8)可以求出從外圓面檢測(cè)缺陷的埋藏深度以及水平距離。
(7)
式中:H為埋藏深度;d為平板中缺陷的深度。
(8)
通過(guò)式(9),(10)可以求出從內(nèi)圓面檢測(cè)缺陷的埋藏深度及水平距離。
(9)
(10)
由于2區(qū)、4區(qū)、6區(qū)、8區(qū)的接管角焊縫超聲波檢測(cè)的曲面比較復(fù)雜,所以缺陷定位也比較復(fù)雜,選擇3區(qū)或7區(qū)作為參照區(qū),從外圓或內(nèi)圓檢測(cè)時(shí)參照式(6)~(9),確定缺陷深度H或者缺陷的水平距離L,但缺陷處的R和r應(yīng)進(jìn)行修正,以2區(qū)為例,選取45°處入射點(diǎn)作為優(yōu)化后代表2區(qū)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。
(11)
式中:x為簡(jiǎn)化系數(shù)。
實(shí)際上每一個(gè)入射點(diǎn)的R,r都是不同的,這里的簡(jiǎn)化系數(shù)1.2是為了保證在定位準(zhǔn)確的前提下,更方便操作人員進(jìn)行計(jì)算,如果每一個(gè)入射點(diǎn)的簡(jiǎn)化系數(shù)都一一列舉,就失去了工程意義,經(jīng)驗(yàn)證,深度和水平距離誤差在5%以?xún)?nèi),滿(mǎn)足定位要求。
加氫反應(yīng)器接管的檢測(cè)工作一直是無(wú)損檢測(cè)工作中的難點(diǎn),因其焊接成型難度高,接管質(zhì)量難以保證,檢測(cè)定位困難、焊工返修質(zhì)量差等問(wèn)題一直困擾著檢測(cè)工作者,一旦定位不準(zhǔn),就會(huì)造成缺陷無(wú)法返修出來(lái),這樣不僅浪費(fèi)時(shí)間,對(duì)資源也是極大的浪費(fèi)。作者結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)提出了簡(jiǎn)化系數(shù)的概念,以解決定位精度不高的問(wèn)題。