釩改進(jìn)鋼再熱裂紋的超聲檢測方法

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（1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，杭州310014；2.合肥通用機(jī)械研究院 國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，合肥230031；3.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，蘭州730314）

加氫反應(yīng)器是現(xiàn)代煉油工業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于石油煉制和重質(zhì)油的加氫精制、加氫裂化、加氫脫硫及催化重整、脫除重金屬等工藝過程［1]。自20世紀(jì)60年代起，加氫反應(yīng)器廣泛采用2.25Cr－1 Mo鋼進(jìn)行制造［2]。20世紀(jì)70年代起，隨著煤液化新工藝的發(fā)展，人們開發(fā)了比傳統(tǒng)Cr－Mo鋼更具優(yōu)勢的釩改進(jìn)鋼［3]。2007年，歐洲多家釩改進(jìn)鋼加氫反應(yīng)器制造廠發(fā)現(xiàn)了焊縫再熱裂紋。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，再熱裂紋是在消除應(yīng)力處理（ISR）或焊后熱處理（PWHT）后產(chǎn)生的［4]。

再熱裂紋不是在焊接工藝后產(chǎn)生的，具有一定的隱蔽性，由再熱裂紋引起的事故具有不可預(yù)見性，危害性極大。實現(xiàn)對再熱裂紋的檢測，可為釩改進(jìn)鋼加氫反應(yīng)器的設(shè)計、制造及安全運(yùn)行提供一定的技術(shù)保障，具有一定的工程意義。

超聲波衍射時差法（TOFD）具有檢測厚度大、檢測靈敏度高和對裂紋類缺陷敏感性強(qiáng)等優(yōu)勢［5]，目前厚壁加氫反應(yīng)器多采用TOFD技術(shù)對焊縫進(jìn)行檢測。美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API 934－A《應(yīng)用于高溫、高壓氫工況的 2 1/4Cr－1 Mo，2 1/4Cr－1 Mo－1/4V，3Cr－1 Mo及3Cr－1 Mo－1/4V 材料的厚壁壓力容器的材料和制造》2010版附錄［6]推薦采用TOFD＋UT檢測方法對釩改進(jìn)鋼埋弧焊焊縫金屬內(nèi)的再熱裂紋進(jìn)行檢測。

參考標(biāo)準(zhǔn)API 934－A，結(jié)合釩改進(jìn)鋼再熱裂紋的形貌特征，筆者設(shè)計并制作了模擬再熱裂紋的對比試塊，采用TOFD檢測、手工脈沖反射式超聲檢測及磁記憶檢測三種方法，在對比試塊上進(jìn)行了對再熱裂紋檢測的工藝探索。

1 再熱裂紋

釩改進(jìn)鋼再熱裂紋問題是許多加氫反應(yīng)器制造廠面臨的一個難題。對于釩改進(jìn)鋼再熱裂紋產(chǎn)生條件及形貌特征可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：① 出現(xiàn)在埋弧焊（SAW）焊縫內(nèi)部。② 呈橫向和垂直分布，有時單一出現(xiàn)，有時多條并發(fā)。③可能有輕微的分支。④ 產(chǎn)生于環(huán)焊縫、縱焊縫、封頭和接管部位。⑤ 尺寸非常微小，大部分長度在4～10 mm，高度在2～5 mm。⑥ 沿著焊縫寬度方向，出現(xiàn)在不同深度、不同位置。⑦ 僅產(chǎn)生于消除應(yīng)力熱處理（ISR）和焊后熱處理（PWHT）后，在焊接或消氫熱處理（DHT）后不會產(chǎn)生。為確定檢測再熱裂紋的靈敏度，需設(shè)計制作模擬再熱裂紋的對比試塊。

2 對比試塊

2.1 對比試塊的設(shè)計

釩改進(jìn)鋼為低合金鋼，其牌號為2.25Cr1 Mo0.25V。由于15CrMo鋼也是低合金鋼的一種，其與2.25Cr1Mo0.25V鋼的聲學(xué)性能相近，故選用現(xiàn)有的15CrMo鋼鍛件來制作對比試塊。

對于220 mm厚的鍛焊加氫反應(yīng)器，試塊應(yīng)選用與工件相同的厚度220 mm。為保證掃查架有足夠放置空間，參考標(biāo)準(zhǔn)API934，試塊寬度定為200 mm。

參考標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4730－2010《承壓設(shè)備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》和API 934－A附錄中關(guān)于對比試塊的設(shè)計要求，試塊長度應(yīng)至少保證探頭在每個檢測分區(qū)有足夠的空間放置，試塊的外形尺寸應(yīng)滿足掃查裝置的掃查要求。在制定TOFD工藝時，使用2/3厚度法則確定所使用探頭的中心距（PCS），并通過計算確定聲束邊界角和聲束覆蓋范圍來保證每個檢測分區(qū)至少向上一分區(qū)覆蓋25%。經(jīng)計算得知，擬采用探頭選擇和設(shè)置（如表1）理論上符合檢測要求。為保證探頭中心間距PCS，確定試塊長度為600 mm。

參考標(biāo)準(zhǔn)API934A，確定模擬再熱裂紋尺寸為0.4 mm×4 mm×4 mm（長×寬×高），裂紋在試塊內(nèi)部呈階梯分布，相鄰模擬缺陷間距為22 mm，圖1為對比試塊的設(shè)計圖。

圖1 對比試塊的設(shè)計圖

2.2 對比試塊加工

試塊加工后表面粗糙度不大于6.3μm，最終對比試塊的加工成品如圖2所示。具體加工過程如下：

（1）用T2657臥式鏜床將15CrMo鋼鍛件加工成600 mm×180 mm×220 mm（長×寬×厚）。

（2）用ACTSPAPK SE1設(shè)備（電火花加工設(shè)備）在600 mm×220 mm表面加工10個槽，深度為7 mm，寬度為4 mm，高度為0.4 mm。相鄰槽之間距離為22 mm，并在試塊深度方向呈階梯分布。

圖2 模擬再熱裂紋的對比試塊成品照片

（3）在開槽的表面首先用手工打底焊把細(xì)槽“保護(hù)”起來，并控制熔深3 mm；然后采用焊接工藝進(jìn)行表面堆焊，堆焊層厚度為20 mm；堆焊完成后再上鏜床將堆焊表面加工3 mm，使試塊最后尺寸為600 mm×220 mm×200 mm。

3 再熱裂紋的檢測

3.1 TOFD檢測

TOFD檢測選用ISONIC 2007 TOFD檢測儀，耦合劑為液壓油。當(dāng)采用探頭沿焊縫中心線移動的特殊B掃查法在對比試塊上進(jìn)行掃查時，檢測結(jié)果顯示：采用理論推薦的探頭選擇和設(shè)置（如表1）無法獲得第三檢測分區(qū)的合格圖像，為此增加了檢測通道。

因此，對再熱裂紋的檢測需要更好的聲束聚焦范圍，JB/T 4730－2010標(biāo)準(zhǔn)中推薦的檢測分區(qū)數(shù)達(dá)不到要求，建議在保證聲束覆蓋全厚度的前提下適當(dāng)增加檢測分區(qū)，以避免漏檢再熱裂紋。

為保證全厚度聲束全覆蓋，經(jīng)計算，實際檢測采用的探頭參數(shù)及設(shè)置如表2所示，掃查方式也是探頭沿焊縫中心線運(yùn)動的特殊B掃查法，檢測結(jié)果如圖3所示。

表1 擬采用的探頭參數(shù)設(shè)置

表2 采用的探頭參數(shù)設(shè)置

圖3 第1～5檢測分區(qū)B掃描結(jié)果

表3為所有檢測通道測出的深度與自身高度匯總及誤差分析，從圖3和表3可以看出，探頭沿焊縫中心線運(yùn)動的特殊B掃能較好地實現(xiàn)對10個模擬再熱裂紋缺陷的檢出和標(biāo)定。試驗測得缺陷深度測量誤差基本上都小于5%，只有靠近試塊表面6mm處的缺陷誤差較大，達(dá)45%（因為其處在TOFD檢測表面盲區(qū)內(nèi)，缺陷信號隱藏在直通波信號之下，導(dǎo)致測量誤差變大，需采用其他檢測方法補(bǔ)充檢測表面盲區(qū)）。

TOFD檢測方法對模擬再熱裂紋缺陷的自身高度也能有較好地標(biāo)定，因設(shè)計的缺陷自身高度較小，為4 mm，測試結(jié)果誤差較大，但試驗測得自身高度值與設(shè)計的自身高度的誤差值在1～2 mm，結(jié)果相對比較理想。

表3 所有檢測通道測出的深度與自身高度匯總及誤差分析

3.2 脈沖反射法超聲檢測

檢測采用友聯(lián)PXUT－350＋數(shù)字超聲波檢測儀，選用斜探頭2.5Z14×14 K1.5和斜探頭 WB45－N2（2 MHz，20 mm×22 mm，45°）。耦合劑選用液壓油。在實際檢測中，采用探頭沿焊縫中心線運(yùn)動的來回平行掃查，檢測數(shù)據(jù)如下：① H6.1，SL－4.1 dB，自身高度測不出。② H28.8，SL＋2.5 dB，27～32 mm。③ H50.5，SL＋4 dB，48～53 mm。④ H72.6，SL＋1 dB，69.6～76 mm。⑤ H93.1，SL＋6 dB，90～96 mm。⑥ H115.3，SL＋0 dB，116～119.5 mm。⑦H137.7，SL＋2 dB，137.7～142.2 mm。 ⑧ H159.5，SL－4 dB，自身高度測不出。⑨ H182，SL－1 dB，自身高度測不出。⑩ H207.7，SL＋21 dB，自身高度測不出（三組數(shù)據(jù)分別代表缺陷深度H，缺陷波幅，缺陷自身高度，其中SL表示定量線）。

結(jié)果表明：脈沖反射式超聲檢測可以較好地檢出10個模擬再熱裂紋缺陷。從表4可以看出：缺陷深度測量誤差較小，誤差均小于2%；缺陷自身高度的測量除表面和深度較大的缺陷外，其他缺陷的自身高度都能較好地檢出，因缺陷的自身高度（4 mm）較小，故其測量的誤差也較大，其絕對誤差為2～3 mm，但能與TOFD試驗結(jié)果進(jìn)行相互驗證。

與TOFD檢測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，超聲檢測能檢出和定量試塊表面下6 mm的缺陷，可以作為一種檢測TOFD盲區(qū)的補(bǔ)充檢測方法；同時，對于大于4 mm的橫向再熱裂紋，TOFD＋UT組合檢測工藝可以較好地實現(xiàn)再熱裂紋缺陷深度和自身高度的定量，但只能對缺陷性質(zhì)進(jìn)行估判。

表4 超聲檢測結(jié)果分析 mm

3.3 磁記憶檢測

金屬磁記憶檢測技術(shù)是一種利用金屬磁記憶效應(yīng)，通過測定構(gòu)件表面漏磁場法向分量Hp（y）或梯度等來推斷構(gòu)件應(yīng)力集中部位的無損檢測方法［7]。圖4是采用磁記憶方法檢測模擬再熱裂紋試塊的結(jié)果，其中Hp為鐵磁體的漏磁場法向分量；K為漏磁場梯度，L為掃查長度。

圖4 磁記憶檢測結(jié)果

圖4中波峰位置表示存在殘余應(yīng)力，可能有缺陷。圖中標(biāo)號1～10表示應(yīng)該在對比試塊內(nèi)有模擬再熱裂紋缺陷的地方，其中標(biāo)號1對應(yīng)試塊表面下6 mm處的模擬再熱裂紋，磁記憶信號最明顯。試驗表明：磁記憶方法能檢測到試塊近表面6 mm處的模擬再熱裂紋，可以作為一種檢測TOFD表面盲區(qū)的補(bǔ)充檢測方法，但很難對缺陷進(jìn)行定性定量。

3.4 其他補(bǔ)充檢測方法

在現(xiàn)場檢驗中，也常用磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測等作為表面或近表面缺陷的補(bǔ)充檢測方法。

4 結(jié)論

（1）對再熱裂紋的檢測需要更好的聲束聚焦范圍，JB/T 4730－2010標(biāo)準(zhǔn)中推薦的檢測分區(qū)數(shù)達(dá)不到要求，建議在保證聲束覆蓋全厚度的前提下適當(dāng)增加檢測分區(qū)，以避免漏檢再熱裂紋。

（2）探頭沿焊縫中心線方向運(yùn)動的特殊B掃查法可以實現(xiàn)對微小模擬再熱裂紋缺陷的檢出，其中對缺陷深度定量精度較高，對缺陷自身高度4 mm也能有較好的定量，但TOFD檢測存在一定的表面盲區(qū)，需要其他檢測方法作為補(bǔ)充；對再熱裂紋的TOFD檢測圖像與氣孔缺陷檢測出的圖像相似，呈“月牙形”。

（3）手工脈沖反射超聲檢測法可作為TOFD檢測再熱裂紋的一種補(bǔ)充檢測方法，不僅可對TOFD檢測進(jìn)行補(bǔ)充，同時還可實現(xiàn)對再熱裂紋的定量。

（4）磁記憶檢測可以作為TOFD檢測盲區(qū)的一種補(bǔ)充檢測方法，其可以檢出近表面微小橫向裂紋，但很難對缺陷定性定量。

（5）TOFD＋UT檢測工藝，即特殊掃查方式的TOFD檢測和手工脈沖反射超聲檢測，可以實現(xiàn)對釩改進(jìn)鋼再熱裂紋的檢出和定量；TOFD檢測可以對缺陷定深定高，精度較高，UT也可以對缺陷定深及定高，兩種檢測結(jié)果可相互驗證，但兩者都只能對缺陷性質(zhì)進(jìn)行估判；對于不小于4 mm的橫向再熱裂紋缺陷，采用此檢測工藝能有較好地檢出和定量。

［1]俞樹榮.壓力容器設(shè)計制造入門與精通［M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2]仇恩滄.國產(chǎn)3Cr－1Mo－1/4V 鋼加氫反應(yīng)器的開發(fā)［J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2000（4）：36－40.

［3]柳曾典，陳進(jìn)，卜華全，等.2.25Cr－1Mo－0.25V鋼加氫反應(yīng)器開發(fā)與制造中的一些問題［J].壓力容器，2011（5）：33－40.

［4]CéDRIC C，SYLVAIN P.Prevention of weld metal reheat cracking during Cr－Mo－V heavy reactors fabrication［C]∥Proceedings of the ASME 2009 Pressure Vessels and Piping Division Conference PVP2009－78144.Prague：［s.n]，2009.

［5]閻長周，關(guān)衛(wèi)和，陳建玉，等.TOFD方法在厚壁承壓設(shè)備焊縫檢測中的試驗和應(yīng)用［J].壓力容器，2008（10）：7－10.

［6]API Recommended Practice 934－A Materials and fabrication of 2.25Cr－1Mo，2.25Cr－1Mo－0.25V，3Cr－1Mo，and 3Cr－1Mo－0.25V steel heavy wall pressure vessels for high－temperature，high－pressure hydrogen service［S].

［7]任吉林，林俊明，任文堅，等.金屬磁記憶檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景［J].無損檢測，2012，34（4）：3－11.