沈成業(yè) 金學峰 金 偉 杜斌康 錢盛杰

（寧波市特種設備檢驗研究院）

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，壓力容器設計制造時材料的選用應兼顧高強度、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苛的操作條件，一般使用復合鋼板作為壓力容器的材料［1］。 復合鋼板可以分為金屬復合鋼板和非金屬復合鋼板兩大類［2］，其中金屬復合鋼板中的不銹鋼復合鋼板是以碳鋼或低合金鋼為基層單面貼合不銹鋼的復合鋼板， 具有必要的強度，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合板。 雖然復合鋼板耐腐蝕性能較好，但在使用過程中，由于工況異?；蛘邚秃习逯圃煸?， 如果復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、應力腐蝕等損傷，從而導致容器失效破壞［4］。 根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》， 襯里層檢測一般采用宏觀檢驗，復層表面采用無損檢測，上述檢測方法往往需進入容器內(nèi)部進行檢驗。 宏觀檢驗有一定的局限性， 對肉眼不可見的細微裂紋容易出現(xiàn)漏檢，宏觀檢驗和表面無損檢測都無法確定裂紋深度。 而對于無法進行內(nèi)部檢驗的壓力容器，可采用可靠的技術，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，很難實現(xiàn)準確的裂紋深度測量［5］。因此嘗試用超聲相控陣檢測方法來檢測復合板復層裂紋。 超聲相控陣儀器通常為多通道、多晶片，可對缺陷進行成像，并能進行精確定位與測量，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［6］。 針對重點設備可采用超聲相控陣技術進行快速、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，結合對定制試板的檢測，探討了超聲相控陣技術對復層裂紋檢測和裂紋擴展監(jiān)控的可行性。

1 基層裂紋CIVA 仿真

通過CIVA 仿真， 模擬相控陣以設備基層外表面作為檢測面，復層內(nèi)表面徑向裂紋的響應情況。 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%

仿真對象為復合鋼板，厚度為22mm（基層）+3mm（復層），基層材料為20，內(nèi)襯材料為304 不銹鋼，裂紋起源為設備的內(nèi)表面，并向徑向擴展。為了確定裂紋是否擴展至基層，本次仿真分別設置了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 缺陷響應模型

根據(jù)上述模型，在CIVA 中進行仿真計算，得到如圖2 所示的缺陷響應 （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)仿真結果可以看出超聲相控陣對復合板復層裂紋檢出率較高。 根據(jù)仿真的檢測工藝，筆者設計制作了檢測試板，并對檢測試板進行相控陣檢測。

檢測試板為一塊304 不銹鋼+20 復合板，規(guī)格為300mm×180mm×（22+3）mm，如圖4 所示。 在不銹鋼復層側外表面設置3 處人工裂紋，為了滿足裂紋擴展至復層內(nèi)部， 復層與基層結合處，及基層處的檢測要求， 裂紋深度分別為2、3、5mm，對應長度分別為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合板基層側進行粗掃，粗掃確定裂紋的個數(shù)和大致位置，再對每個裂紋進行細掃，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°，焦點設置在復合板的底部，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 裂紋擴展深度2.1mm，長度4.2mm；S2 裂紋擴展深度3.2mm，長度5.1mm；S3 裂紋擴展深度5.3mm， 長度7.3mm。 在本次試驗中，實測值接近實際值，不考慮裂紋加工和檢測的影響，相控陣檢測技術對裂紋深度測量的誤差小于6.7%， 相控陣檢測技術對裂紋長度測量的誤差小于5.0%。 根據(jù)數(shù)據(jù)分析，S1 裂紋處于復合層中， 未開裂至結合面，S2裂紋處于復合層中，已經(jīng)開裂至結合面，S3 裂紋最為嚴重，起源于復合層底部，已透過復合層開裂至基材。

圖5 裂紋檢測數(shù)據(jù)分析結果

3 結束語

通過對裂紋相控陣CIVA 仿真和試塊人工缺陷的檢測試驗，超聲相控陣檢測方法以基層側為檢測面對復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行較為準確的測量。 對于復合鋼板制壓力容器，如果無法進行內(nèi)部檢驗時可采用超聲相控陣檢測技術，可以從外壁進行檢測，準確測量裂紋的深度，能對裂紋的擴展進行實時監(jiān)控。