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基于陣列渦流和全聚焦相控陣技術(shù)的承壓設(shè)備應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂檢測(cè)

2021-06-08 03:02:58張子健沈建民柴軍輝吳家喜張小龍
無(wú)損檢測(cè) 2021年5期
關(guān)鍵詞:掃查相控陣渦流

胡 健,張子健,沈建民,柴軍輝,,許 波,吳家喜,張小龍

(1.寧波市勞動(dòng)安全技術(shù)服務(wù)有限公司,寧波 315048;2.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院,寧波 315048)

不銹鋼承壓設(shè)備的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂通常發(fā)生在材料與腐蝕介質(zhì)接觸的表面,這種開(kāi)裂往往沒(méi)有明顯的變形征兆,危害性極大,嚴(yán)重威脅到設(shè)備的安全運(yùn)行。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30579-2014中對(duì)這類(lèi)開(kāi)裂給出了相應(yīng)的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)方法[1]:① 對(duì)材料表面進(jìn)行目視檢測(cè)和對(duì)可疑部位進(jìn)行滲透檢測(cè);② 對(duì)管道、熱交換器管束和設(shè)備表面進(jìn)行渦流檢測(cè)。

陣列渦流檢測(cè)技術(shù)采用電子方式驅(qū)動(dòng)同一個(gè)探頭中的多個(gè)相鄰檢測(cè)線圈,并借助渦流儀器強(qiáng)大的分析、計(jì)算及處理功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的快速有效檢測(cè)。GB/T 34362-2017標(biāo)準(zhǔn)指出了陣列渦流技術(shù)可以用于檢測(cè)材料表面的裂紋,相比于傳統(tǒng)的滲透檢測(cè),陣列渦流檢測(cè)具有單次掃查覆蓋面積大、檢測(cè)效率高、對(duì)不同方向的缺陷具有相同的靈敏度、無(wú)需打磨處理、柔性探頭耦合性好、數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)保存、可測(cè)量裂紋深度等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于承壓設(shè)備應(yīng)力腐蝕裂紋的在線檢測(cè),相控陣超聲全聚焦成像(TFM)技術(shù)是一種有效的方法,其對(duì)微小裂紋具有較高的分辨力,能基本還原缺陷的形貌,有利于缺陷的定性,能極大地提高測(cè)量精度。

以某化工企業(yè)的一臺(tái)材料為S31603的立式反應(yīng)釜為研究對(duì)象,對(duì)其內(nèi)表面采用陣列渦流技術(shù),外表面采用基于TFM的相控陣超聲技術(shù)進(jìn)行了檢測(cè),并與滲透檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì),為奧氏體不銹鋼承壓設(shè)備的氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂檢測(cè)提供了一種新的思路。

1 檢測(cè)原理

1.1 陣列渦流檢測(cè)原理

陣列渦流技術(shù)與傳統(tǒng)渦流技術(shù)具有相同的檢測(cè)原理。將通入交變電流的激勵(lì)線圈放置在導(dǎo)電部件上時(shí),導(dǎo)體表面會(huì)產(chǎn)生渦流,導(dǎo)體中的缺陷會(huì)干擾渦流路徑,這種干擾可以通過(guò)檢測(cè)線圈來(lái)測(cè)量,進(jìn)而判斷出缺陷的情況[2]。陣列渦流探頭具有多個(gè)獨(dú)立工作的線圈,這些線圈按照特殊的方式排布,激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈之間形成兩種方向相互垂直的電磁場(chǎng)傳遞方式,可減少因缺陷方向造成的漏檢,并且可實(shí)現(xiàn)一次性大面積掃查,得到C掃描成像結(jié)果。為了保證激勵(lì)磁場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)之間不相互干擾,陣列渦流技術(shù)通常采用多路切換技術(shù)對(duì)感應(yīng)線圈進(jìn)行分時(shí)、分批激勵(lì)。陣列渦流檢測(cè)的結(jié)果通常以C掃描顯示為主,同時(shí)生成阻抗圖和帶狀圖,通過(guò)不同的顏色顯示來(lái)判斷缺陷的情況[3]。

1.2 全聚焦相控陣檢測(cè)原理

全聚焦相控陣檢測(cè)過(guò)程主要包括兩個(gè)部分:全矩陣數(shù)據(jù)采集(FMC)和全聚焦成像算法。

全矩陣數(shù)據(jù)采集原理為假定相控陣探頭具有n個(gè)陣元,激發(fā)第一個(gè)陣元,所有陣元接收回波信號(hào)并儲(chǔ)存,按照此規(guī)律,依次激發(fā)所有陣元,最后采集得到n×n個(gè)時(shí)域超聲回波信號(hào),因?yàn)楸徊杉瘮?shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)n行n列的矩陣中,所以稱(chēng)之為全矩陣數(shù)據(jù)采集[4]。

全聚焦成像算法原理為針對(duì)所檢區(qū)域設(shè)定一個(gè)自定義成像區(qū),得到任意一點(diǎn)到任意一對(duì)晶片組合的聲程,再以成像區(qū)中的聲程數(shù)據(jù)為依據(jù),對(duì)FMC數(shù)據(jù)進(jìn)行相干疊加處理,獲得表征該點(diǎn)信息的幅值。采用該算法得到自定義成像區(qū)內(nèi)每點(diǎn)的成像,最終達(dá)到各點(diǎn)能量高度聚焦的效果[5]。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用

2.1 檢測(cè)對(duì)象

立式反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)壓力為0.6 MPa,設(shè)計(jì)溫度為85 ℃,工作壓力為0.32 MPa,工作溫度為85 ℃,工作介質(zhì)為鹽酸和氧氣,容積為24.7 m3,內(nèi)徑為2 800 mm,筒體設(shè)計(jì)壁厚為10 mm,封頭設(shè)計(jì)厚度為14 mm。該容器在2017年12月首次定期檢驗(yàn)時(shí),經(jīng)射線和相控陣超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其下封頭與筒體的環(huán)焊縫上有1處條形缺陷,長(zhǎng)為10 mm,缺陷高度為1.0 mm,根據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第8.5.10條,其安全狀況等級(jí)定為3級(jí),該企業(yè)未進(jìn)行返修,并計(jì)劃于2020年12月進(jìn)行開(kāi)罐檢驗(yàn)。該不銹鋼立式反應(yīng)釜的損傷模式為氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。主要原因是介質(zhì)存在氯化物并含有溶解氧,且焊縫存在一定的焊接殘余應(yīng)力。

2.2 檢測(cè)設(shè)備

陣列渦流檢測(cè)采用OmniScan MX型設(shè)備(見(jiàn)圖1),其最多支持64個(gè)線圈檢測(cè),頻率為20 Hz6 MHz,可實(shí)現(xiàn)多頻掃查。檢測(cè)探頭為一種基于柔性印制電路板技術(shù)的正交陣列渦流探頭,可將其貼在焊縫和熱影響區(qū)上進(jìn)行檢測(cè)。采用特制的MagnaFORM型掃查器,采用手動(dòng)或半自動(dòng)模式,通過(guò)單次掃查實(shí)現(xiàn)對(duì)包含熱影響區(qū)域在內(nèi)的整個(gè)焊縫表面的覆蓋檢測(cè),從而提高了檢測(cè)效率。

圖1 陣列渦流檢測(cè)系統(tǒng)

全聚焦相控陣檢測(cè)采用的設(shè)備為GEKKO型便攜式相控陣探傷儀(見(jiàn)圖2),其有128個(gè)通道,具有高分辨率成像功能和強(qiáng)大的矩陣數(shù)據(jù)處理能力。試驗(yàn)采用64晶片,頻率為10 MHz的線陣探頭。

圖2 GEKKO型便攜式相控陣探傷儀外觀

2.3 檢測(cè)工藝

2.3.1 陣列渦流檢測(cè)

檢測(cè)前需進(jìn)行探頭校準(zhǔn),主要包括靈敏度補(bǔ)償和缺陷定量校準(zhǔn)。靈敏度補(bǔ)償?shù)闹饕僮鬟^(guò)程為:首先在標(biāo)準(zhǔn)試塊上平衡探頭;然后掃查整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,選定缺陷后進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償操作。缺陷定量校準(zhǔn)過(guò)程為:首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試板進(jìn)行掃查;然后對(duì)深度分別為0.5,1,2,3,4 mm的缺陷進(jìn)行標(biāo)定。陣列渦流檢測(cè)頻率為300 kHz,探頭的驅(qū)動(dòng)電壓為1.0 V,增益為35 dB,掃查速度為295 mm·s-1,一次掃查寬度為70 mm。在該參數(shù)下對(duì)立式反應(yīng)釜的下封頭環(huán)焊縫與熱影響區(qū)可疑部位進(jìn)行C掃描成像。

2.3.2 全聚焦相控陣檢測(cè)

全聚焦相控陣檢測(cè)只需設(shè)置全聚焦范圍、分辨率和波型模式,試驗(yàn)設(shè)置模型為平板模型,主要參數(shù)設(shè)置如下:全聚焦區(qū)域?qū)挾葹?0 mm,高度為16 mm;分辨率為8.5采樣點(diǎn)/mm;波型模式為L(zhǎng)L(縱波-縱波)。

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 陣列渦流檢測(cè)結(jié)果

焊縫的陣列渦流C掃描成像結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出,陣列渦流技術(shù)對(duì)于焊縫和熱影響區(qū)應(yīng)力腐蝕裂紋具有較高的檢出率。很多應(yīng)力腐蝕裂紋橫跨焊縫與熱影響區(qū),陣列渦流檢測(cè)只能顯示裂紋的所在位置、大小和深度,無(wú)法呈現(xiàn)出應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展形貌,這是因?yàn)殛嚵袦u流檢測(cè)的分辨力和檢測(cè)線圈的直徑有關(guān),無(wú)法達(dá)到滲透檢測(cè)的微米級(jí)精度,很難表現(xiàn)局部細(xì)節(jié)。后期還可以利用軟件進(jìn)行設(shè)置,進(jìn)一步增大缺陷的顯示對(duì)比度,通過(guò)缺陷顯示顏色、幅值和相位進(jìn)行應(yīng)力腐蝕裂紋的深度評(píng)價(jià)。焊縫的陣列渦流檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

圖3 焊縫的陣列渦流C掃描成像結(jié)果

表1 焊縫的陣列渦流檢測(cè)結(jié)果

2.4.2 全聚焦相控陣檢測(cè)結(jié)果

焊縫全聚焦相控陣檢測(cè)成像結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出,采用全聚焦相控陣法從立式反應(yīng)釜外側(cè)檢測(cè)應(yīng)力腐蝕裂紋具有較高的檢出率和分辨率,因?yàn)槿劢瓜嗫仃嚥捎脝蝹€(gè)晶片產(chǎn)生入射波,多晶片采集不同角度信號(hào),所以傾斜的底波信號(hào)清晰可見(jiàn),能較真實(shí)地反映出裂紋的形貌和特征,可發(fā)現(xiàn)裂紋間相關(guān)聯(lián)的信號(hào),受缺陷取向影響較小,對(duì)于裂紋的定位定量具有較高的準(zhǔn)確性。同時(shí)可以注意到,全聚焦相控陣具有較小的表面盲區(qū),僅為0.5 mm左右,有利于近表面缺陷的檢測(cè)。全聚焦相控陣檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

圖4 焊縫全聚焦相控陣檢測(cè)成像結(jié)果

表2 焊縫全聚焦相控陣檢測(cè)裂紋參數(shù) mm

2.4.3 滲透檢測(cè)結(jié)果

采用溶劑去除型滲透檢測(cè)法對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè),滲透時(shí)間為10 min,顯像時(shí)間為10 min,滲透檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知,缺陷2為裂紋,橫跨焊縫與熱影響區(qū),起源于熱影響區(qū),有明顯的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂特征,呈樹(shù)枝狀分叉形貌。由此可見(jiàn),滲透檢測(cè)在一定程度上可以對(duì)缺陷進(jìn)行定性分析,其檢測(cè)結(jié)果與陣列渦流檢測(cè)和全聚焦相控陣檢測(cè)結(jié)果具有較高的吻合性。

圖5 焊縫的滲透檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 采用陣列渦流技術(shù)從承壓設(shè)備內(nèi)表面對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋進(jìn)行檢測(cè),可檢出近表面埋藏較淺的缺陷,且可以進(jìn)行數(shù)據(jù)保存和分析。

(2) 采用全聚焦相控陣技術(shù)從承壓設(shè)備外表面檢測(cè)應(yīng)力腐蝕裂紋,具有較高的檢出率和分辨力,對(duì)應(yīng)力腐蝕微小裂紋的定量和定性都具有較高的準(zhǔn)確性。

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