一臺尿素合成塔的無損檢測方法探討

劉懌歡,姜 斌,牛衛飛

(天津市特種設備監督檢驗技術研究院,天津 300192)

尿素合成塔是化肥廠的重要設備,其最高工作壓力超過20 MPa,運行溫度高,工作條件十分惡劣。尿素合成塔筒體大多采用多層包扎的結構,主環焊縫厚度能達到100 mm以上。因此對尿素合成塔筒體主環焊縫進行準確的無損檢測比較困難[1-6]。

筆者所在單位對天津市某化肥廠一尿素合成塔進行全面檢驗。該尿素合成塔內徑為1 200 mm,筒體結構為多層包扎結構,內筒為厚 12 mm的16MnR,外加不銹鋼內襯,厚度為8 mm;外層由厚度為6 mm的Q 235A盲板,及 11張厚度為 6和8 mm的15MnVR鋼板包扎而成,總厚度為110 mm。在制造的過程中,尿素合成塔由多節多層包扎的筒節相互焊接而成,每個筒節之間形成深環焊縫,層板結構及焊縫如圖1所示。檢驗過程中對筒體的第三、四道主環焊縫進行無損檢測抽查。考慮到其結構為層板包扎結構,無法從焊縫兩側進行超聲波檢測,故決定對該主環焊縫先采用射線檢測。如發現可疑缺陷,則將主環焊縫余高磨平,采用超聲波檢測復查。

圖1 尿素合成塔層板結構及焊縫示意圖

1 射線檢測的工藝參數選取及底片分析

由實際條件制定射線檢測的各項參數(射線透照工藝執行JB/T 4730.2—2005標準)[1]。

(1)射線檢測技術級別選取 根據 JB/T 4730.2的要求,在用承壓設備射線檢測應采用AB級射線檢測技術。

(2)透照方式選擇 由于需要透照的焊縫為該尿素合成塔的環焊縫,且其內徑為1 200 mm。根據JB/T 4730.2的要求,選取的透照方式為源在內中心透照法周向曝光。

(3)射線源的選擇 由于透照厚度T=110 mm,選用普通X射線機不能穿透,于是選擇使用γ射線源進行透照。根據JB/T 4730.2對γ射線源透照厚度范圍的要求,應選取60Co型γ射線源進行照相。

(4)焦距選擇 由于所選的透照方式為源在內中心透照法,焦距應為：

此時射線源到工件表面距離f=1200/2=600mm。根據JB/T 4730.2中要求,AB級射線檢測技術應滿足：

由于透照方式為源在內中心透照周向曝光,根據JB/T 4730.2的規定“射線源到工件表面的最小距離可以減小,但不應該超過規定值的50%”。此時有f′×50%=697×50%=349mm ≤f,符合標準要求,可采用上述射線照相方式。

(5)膠片、像質計及曝光時間選擇 根據JB/T 4730.2的要求,公稱厚度為110 mm,應識別像質計絲號為6號,選用FE 6～12型像質計共三個等距的置于內筒上。由于使用γ射線源進行照相,為保證靈敏度,選用AGFA C7型膠片。根據所選的曝光參數,結合當時γ射線源的活度,經計算得曝光時間為2 h。

采用上述射線照相參數進行曝光,經暗室處理得到底片,其靈敏度和黑度均符合標準要求。對攝得底片進行評定時發現某一張射線底片的評定區域內出現寬度為2 mm左右的極微弱影像兩處,該影像橫跨焊縫,與母材處黑度之差非常微小。由于該影像走向為橫跨焊縫,且成像模糊,對其評定非常困難。對該焊縫內外表面進行檢查,未發現表面損傷,排除表面損傷產生影像的可能。

分析該塔的制造工藝：為了防止焊后熱處理引起筒體變形和層板之間出現松動,多層包扎容器一般不進行焊后熱處理。因此在焊接接頭(包括母材、焊縫熱影響區、熔合線和焊縫金屬)存在較大的焊接殘余應力。另外,經過層層緊箍包扎,每層層板都有一定的周向預緊力,且工作條件較為惡劣,使其具備了應力腐蝕開裂的應力條件,據此懷疑該影像為裂紋影像。但由于缺陷影像較寬,且成像模糊,兩端基本沒有可識別的細節,該影像并不具備裂紋的形貌特征,無法確定此處即為裂紋缺陷影像。因此決定對可疑影像處進行超聲波檢測。

2 超聲波檢測的工藝參數選取及分析

超聲檢測只要求對射線底片上所顯示的兩處影像進行確認,不要求對整條主環焊縫進行掃查,也不作為最終評判的依據,故本次超聲檢測不考慮檢測級別,也不做級別評定。

由于如圖1所示的深環焊縫的結構所限,只檢測層板及內桶部分的環焊縫,盲板及內襯部分不予考慮,有效的檢測厚度為84+12=96 mm。

(1)表面處理 將該兩處影像左右各500mm范圍焊縫余高作磨平處理。

(2)檢測方法選擇 由于懷疑該影像為裂紋影像,考慮到結構和工藝的原因及底片影像,判斷該影像應為與焊縫表面垂直或近似垂直的面狀缺陷,所以應重點檢查垂直于焊縫表面的面狀缺陷。且焊縫兩側均為層板包扎結構,所以選擇的檢測方法為斜探頭周向掃查法,探頭平行于焊縫方向左右掃查。

(3)探頭選擇 考慮到重點檢測垂直于焊縫表面的面狀缺陷,為保證主聲束與缺陷盡量垂直,應選擇較大K值探頭;考慮到被檢工件厚度達到96 mm,K值過大會導致聲程過大,影響回波幅度。綜合考慮,使用K2探頭。由于工件厚度較大,為了有效發現遠距離的缺陷,應選用較大尺寸的晶片,故采用13 mm×13 mm晶片。由于厚度較大,不宜采用過高頻率,使用探頭頻率為2.5 MHz。綜上,最終選取2.5P13×13K 2探頭進行超聲波檢測。

(4)試塊選擇參考JB/T 4730.3標準要求,使用CSK-ⅠA及CSK-ⅢA試塊作為標準試塊。

(5)超聲波檢測 由于該尿素合成塔外直徑達到1 420 mm,則R=710 mm,可視為平板對接焊縫,故探頭可不進行修磨,但在對缺陷進行定位時仍然需要考慮修正。

采用泛美 EPCOH 2300型數字型超聲波檢測儀,2.5P13×13K 2探頭,使用CSK-ⅠA試塊以深度1∶1調節掃描速度,探頭實際K值為2.03,前沿長度為12 mm。采用CSK-ⅢA試塊90 mm深的φ1mm×6mm短橫孔反射波高調節到80%為基準靈敏度,在底片影像顯示部位附近的深環焊縫上以平行于焊縫的方向左右掃查,得到兩個缺陷回波,顯示波高較低,均未超過定量線,但回波波形較清晰且尖銳,顯示深度為88和84 mm。

由于該檢測面為曲面,在進行缺陷定位時應進行修正,下面對缺陷定位進行修正,如圖2。

圖2 缺陷位置修正圖

其中AC=d(平板工件中的缺陷深度,即儀器顯示的深度);BC=l=dK(平板工件中的缺陷水平距離,即儀器顯示的水平距離);AO=R,CO=R-d。則缺陷離表面實際深度為：

缺陷離入射點的弧長：

從探傷儀中讀取兩缺陷的數據為d1=88 mm,l1=166.6 mm;d2=84 mm,l2=158.5 mm。將數據代人式(1)及(2),得到實際的缺陷位置：H1=62.9 mm,L1=195.7 mm;H2=61.2 mm,L2=186.1mm。

3 檢測結果分析

綜合射線檢測和超聲波檢測的結果,認定該處存在缺陷應為裂紋。故制定計劃將該處焊縫從外表面刨開,在深度為70 mm之前如不能發現缺陷,則進行滲透檢測,若滲透檢測仍不能發現缺陷,則使用X射線機采用單壁外透進行射線照相,以進一步確認缺陷是否存在。最終結果刨開焊縫在深度超過約65 mm時用發現肉眼可見裂紋缺陷兩處,為兩處橫跨環焊縫的貫穿性裂紋,如圖3和4所示。對裂紋缺陷制定合理修理方案進行修復,從而避免了嚴重事故的發生。

射線檢測過程中,底片顯示的缺陷影像較寬且模糊,識別困難,并不能準確地判定為裂紋,主要原因如下：

(1)由于該裂紋寬度窄,其橫向尺寸遠小于焦點尺寸,屬于小缺陷。此時隨著幾何條件向不利的方向變化時,裂紋的影像對比度受幾何條件的影響遠遠大于像質計靈敏度。此時到達膠片影像處該裂紋缺陷在其平面的截距為：

式中L1為源到缺陷平面的距離;L2為缺陷平面到膠片的距離。

顯然該裂紋的橫向寬度W＜0.34mm,即W＜W′,此時該裂紋缺陷本影消失,其影像只由半影構成,對比度顯著下降。

(2)不清晰度分析。由于透照厚度達到110 mm,焦距為712mm,此時的固有不清晰度：總的不清晰度較大,這是導致影像寬度較大的重要的原因。

(3)由于γ射線照相能量較高,導致底片顆粒度較大,信噪比較低。

(4)裂紋缺陷平面與徑向方向存在較大夾角時,會導致影像的畸變,細節顯示能力急劇下降。

超聲波檢測中,實際缺陷尺寸很大,理論上反射波高應該很高,但實際檢測中發現波幅并不高,原因如下：

(1)由于被檢對象層板包扎的結構關系,當探頭沿焊縫方向掃查時,由于聲束的擴散,導致在越深的位置,波束越寬。而在這次檢測中,被檢對象的厚度較大,在較深位置聲束的寬度大于焊縫寬度時,邊緣的聲束入射到層板中,導致聲波強度嚴重下降。因此缺陷的反射波幅會隨之降低,為缺陷的識別帶來較大的難度。

(2)當聲束達到一定寬度,入射到層板邊緣,層板間的間隙會使部分邊緣聲束反射,從而造成假缺陷信號增多,信噪比下降,使檢測工作的靈敏度受到限制而不能調到合適的水平。

(3)由于被檢對象層板包扎的結構關系,探頭沿焊縫方向掃查時需保證嚴格和焊縫方向平行,稍有偏移會導致上述(1)和(2)中所述情況加劇,導致檢出率急劇下降。

4 小結

綜上所述,在對壁厚較大多層包扎結構尿素合成塔的無損檢測中,宜采用射線檢測和超聲波檢測相結合的方法。射線檢測中,厚壁焊縫對裂紋缺陷的檢出率要大大低于薄壁焊縫,缺陷影像較寬且模糊,識別困難,并不能準確地判定。對于該類尿素合成塔,由于層板包扎的結構原因,無法在焊縫兩側進行超聲波檢測,故使用超聲波檢測僅對橫向缺陷有較穩定的檢出效果,其他方向的缺陷應考慮使用其他方法進行檢測。若確需要進行超聲波檢測,應將其焊縫余高磨平,一般采用K2斜探頭在焊縫正上方沿焊縫方向進行掃查,檢查焊縫中的橫向缺陷。因此,應根據不同的檢測對象、背景、特點、重點選擇不同的檢測方法、組合和工藝,以期達到最穩定、最可靠的檢測效果。

[1]劉毅剛,張光函.新型高壓容器多層整體包扎的箍緊力與包扎方式[J].機械,2000(27)：8-9.

[2]朱國輝,鄭津洋.新型繞帶式壓力容器[M].北京：機械工業出版社,1995.

[3]康紀黔,程曉陽.多層包扎式容器環焊縫超聲探傷試驗研究[J].中國鍋爐壓力容器安全,2008,35(2)：49-52.

[4]姜秀海,楊熙.多層包扎式尿素合成塔的聲發射局部檢測與評定[J].石油和化工設備,2008,45(2)：32-34.

[5]沈功田.多層包扎壓力容器的聲發射監測和安全評定[J].無損檢測,1997,19(2)：67-70.

[6]戴光,李偉.多層包扎式尿素合成塔的聲發射檢測與評定[J].壓力容器,2007,31(6)：14-16.