超高壓水晶釜超聲檢測方法及缺陷評定

夏 健 肖忠群 付寧凱 劉 偉

（江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院)

超高壓水晶釜長期工作在高溫高壓以及腐蝕介質(zhì)相互作用的惡劣條件下，容易產(chǎn)生危險缺陷并導致水晶釜失穩(wěn)爆炸，對生命和財產(chǎn)安全造成嚴重的威脅。因此，對在役的水晶釜進行定期檢驗十分重要，這樣可以盡早發(fā)現(xiàn)危險缺陷。首先，要對水晶釜的資料、安全管理（安全附件，溫度控制等）進行審查；其次，要對水晶釜內(nèi)外表面以及近表面進行檢測，通過磁粉探傷或者渦流探傷等方法可以容易地發(fā)現(xiàn)外表面以及近表面的裂紋類缺陷；而對于釜體內(nèi)表面的缺陷，可采用超聲波探傷方法檢測。本文就超聲波檢測方法以及缺陷評定方法進行了討論。

1 超高壓水晶釜概況

超高壓水晶釜是采用水熱溫差結(jié)晶法生長人造石英晶體的超高壓容器，釜體結(jié)構(gòu)分為通孔式和盲孔式兩種。目前江西省大部分水晶釜為通孔式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其內(nèi)徑為200～300 mm，壁厚為80～120 mm，高度為 4000～6500 mm， 設(shè)計壓力為150～160 MPa， 工作壓力為 137～147 MPa， 主體材料一般為PCrNi3MoVA，釜內(nèi)工作介質(zhì)為濃度1～1.25 mol/L的NaOH水溶液。水晶釜材料在高溫高壓下力學性能會降低[1]，并易使釜體內(nèi)壁由堿液形成的氧化保護膜 （尤其是釜體與堵底塞之間保護膜）發(fā)生破壞，形成縫隙腐蝕；同時超高壓水晶釜因水晶生產(chǎn)工藝的需要需反復升溫升壓和降溫降壓，這就容易導致材料疲勞損傷。另外，由于釜體為小徑厚壁 （內(nèi)外徑比<80%）以及釜體底部結(jié)構(gòu)和受力的復雜性，增大了檢測的難度。

2 水晶釜超聲檢測

圖1 超高壓水晶釜結(jié)構(gòu)

通過超聲波檢測能有效地發(fā)現(xiàn)釜體內(nèi)外表面以及底部臺階的各種缺陷。超聲檢測過程使用三種檢測方法:(1)使用縱波直探頭對釜體鍛造缺陷進行檢測； (2)使用K1斜探頭對釜體軸向掃描，檢測底部臺階、退刀槽處以及螺紋區(qū)處的裂紋； (3)使用小K值斜探頭對釜體周向掃描，檢測釜體內(nèi)表面以及底部臺階軸向裂紋。

2.1 縱波直探頭檢測

高壓水晶釜采用整體鍛造加工而成，容易產(chǎn)生如夾雜、白點等制造缺陷，應(yīng)采用直探頭在外表面進行100%檢測。縱波直探頭執(zhí)行JB 4730—2005《壓力容器無損檢測》第4.2節(jié)壓力容器鍛件超聲檢測的規(guī)定。

2.2 縱波檢測缺陷評定

縱波直探頭檢測過程中發(fā)現(xiàn)的超過 《超高壓容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第34條第3款規(guī)定的缺陷時，應(yīng)當定為不合格。如果缺陷的當量直徑超過2 mm，應(yīng)記錄在案。

2.3 K1斜探頭對釜體作軸向檢測

在選用K1斜探頭對釜體作雙向軸向掃查之前，按照JB/T 4730.3—2005《承壓設(shè)備無損檢測》第5.1.5條要求調(diào)整儀器制作距離-波幅曲線并進行檢測。

使用K1斜探頭檢測臺階、退刀槽、螺紋區(qū)以及釜體內(nèi)壁周向裂紋，如圖2所示。

釜體底部臺階、螺紋等區(qū)域的幾何不連續(xù)性會引起應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生微細裂紋；而堿液集中、泄漏以及壁溫的不連續(xù)會加速裂紋的擴展，從而導致周向開裂。周向開裂斷口一般以底部臺階為中心，沿徑向擴展至外表面，離臺階界面約10 mm，所以對釜體檢測重點是在底部臺階以及螺紋區(qū)。

圖2 底部臺階、退刀槽、螺紋區(qū)及釜體檢測部位

首先在底部臺階附近位置按探頭2方向找到臺階特種波，同時可根據(jù)縱波直探頭來確定臺階的位置。然后，對底部臺階相反兩個方向進行掃查，如果在同一位置兩個探測方向都存在單獨回波，可初步判定為裂紋性缺陷。對螺紋區(qū)檢測的反射波非常有規(guī)律。由于螺牙根部本身會有較強的反射波產(chǎn)生，即使存在細小的裂紋，其反射波信號與螺牙根部回波信號產(chǎn)生重疊，也會使缺陷信號難以區(qū)分；當出現(xiàn)異?；夭ㄐ盘枙r，可初步判定其為裂紋性缺陷。

2.4 小K值斜探頭對釜體作周向檢測

由于超高壓水晶釜為厚壁圓筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)外徑比小于0.8，暫無相應(yīng)的檢測標準和成熟工藝可依。為了保證能掃查到整個截面，同時保證純橫波檢測，采用小K值斜探頭做周向掃查，重點檢測內(nèi)表面軸向裂紋。

2.4.1 探頭的選擇

根據(jù)圖3可知，使超聲波主聲束能掃查到釜體內(nèi)壁，橫波入射角β應(yīng)滿足以下條件：

由反射和折射定律可知：

同時滿足純橫波檢測，入射角αL大于第一臨射角，則

式中 β——探頭折射角；

r——釜體內(nèi)半徑；

R——釜體外半徑；

D——釜體外直徑；

圖3 橫波入射角選擇

T——壁厚；

cL1——有機玻璃中縱波聲速，為2730 m/s；

cS2——鋼中橫波波速，為3230 m/s；

cL2——鋼中縱波波速，為5900 m/s。

根據(jù)式 （3） 和式 （4） 可知， 0.463≤sinαL≤0.486?？紤]有機玻璃/鋼界面上的聲壓往復透射率與入射角之間的關(guān)系 （見圖4），為提高探測靈敏度， 選取 sinαL最大值為 0.48， 那么入射角 αL=28.5°， 進而可以得出折射角 β=34.4°， K=tanβ =0.684。通過選用K=0.7的探頭，并通過人工稍微修磨 （修磨時入射角αL變小，折射角β也減小），就可達到所需靈敏度的K值并把探頭斜楔磨成能與釜體外壁良好耦合的形狀。

圖4 有機玻璃/鋼界面上的聲壓往復透射率

2.4.2 試塊的制作

針對不同規(guī)格的水晶釜，可以制作對應(yīng)曲率和壁厚的水晶釜試塊。我們設(shè)計的250 mm×100 mm水晶釜的試塊采用與水晶釜相同的材料PCrNi3MoVA，試塊的規(guī)格為2 mm×40 mm，距離外壁的一系列橫通孔分別為覫20 mm、覫40 mm、覫60 mm、覫80 mm，并按兩個不同徑向依次錯開加工 （見圖5）。試塊內(nèi)壁加工一條線切割槽，規(guī)格為深1 mm、寬0.5 mm、長10 mm，加工精度參照GB/T 11259 《超聲波檢驗用鋼制對比試塊的制作與檢驗方法》的要求。

圖5 水晶釜試塊

2.4.3 探頭前沿b及K值的測定

在對K=0.7的探頭進行修磨之前，先在CSKIA試塊上測出其前沿為b，然后對探頭稍稍修磨使之與釜體的弧度相適應(yīng)，這時實際的前沿修磨后為b′=b+X(X為修正值，一般根據(jù)實際取1～2 mm)。將探頭按圖6所示從外表面探測線切割槽，找出最高回波信號，此時的探頭前沿端點B與1 mm線切割槽所對應(yīng)的外壁點C的弧長為L，那么入射點A到點C的距離為 L′=L+b′，根據(jù)弧長公式L′=πRθ/180 可得 θ=180L′

圖6 探頭實際K值測定

根據(jù)余弦定理：

其中，R、r分別為外徑和內(nèi)徑。根據(jù)正弦定理：

聯(lián)合式（5）和式（6）可以算出橫波折射角β，這樣就可以求得探頭前沿b和實際的K值。

2.4.4 探傷靈敏度的確定

通過在水晶釜試塊上的一組橫通孔來制作距SE.E1,,..gd）離-波幅曲線，并將其延長至工件最大深度處。測出0.5mm×1mm×10 mm（寬深長）線切割槽的反射波高及其與上述波幅曲線在同深度曲線的分貝差Δd(dB)，將距離-波幅曲線向下平移Δd作為檢測時的判廢線，掃查靈敏度在判廢線的基礎(chǔ)上降低6 dB。

2.5 橫波檢測缺陷評定

橫波檢測發(fā)現(xiàn)的回波高度超過波幅-距離曲線判廢線的缺陷應(yīng)給予判廢處理。在檢測過程中缺陷回波高度超過判廢線的50%并且缺陷的指示長度大于10 mm時，給予判廢處理。如果檢測發(fā)現(xiàn)的回波高度超過了判廢線的50%時，對其進行記錄，在下次檢測發(fā)現(xiàn)此缺陷已經(jīng)擴展時，給予判廢處理。如果檢測出的缺陷指示長度小于10 mm的體積缺陷時，應(yīng)結(jié)合縱波檢測結(jié)果進行綜合判定。

3 結(jié)語

經(jīng)過多年的實際工作以及經(jīng)驗的總結(jié)，證明了通過上述的超聲檢測方法檢測水晶釜是行之有效的、準確可靠的，對檢測出的缺陷通過本文所述的缺陷評定方法能有效地進行評定。為此，筆者提出上述經(jīng)驗方法與同仁交流探討。

[1] 張永生，梁金忠.PCrNi3MoV鋼350℃長時間等溫脆性傾向 [J] .壓力容器，1996（6）：71-74.

[2] JB/T 4730.3—2005.承壓設(shè)備無損檢測 [S] .

[3] 鄭輝，林樹青．超聲檢測 [M] .第2版.北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[4] TSG R0002—2005.超高壓容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S] .