壓力容器腐蝕損傷的超聲相控陣檢測分析

王 杜 沈正祥 陳 虎 錢盛杰 曹 建

（1.寧波市特種設備檢驗研究院新技術應用中心；2.陜西延長石油（集團）管道運輸公司安全環保部）

石油、天然氣及煤化工等工業中廣泛存在硫化氫腐蝕問題，硫化氫不僅會造成設備全面或局部腐蝕，而且還會導致應力腐蝕開裂（SSCC）、氫致開裂（HIC）等脆性斷裂事故［1］。 壓力容器或管道一旦發生此類安全事故，往往會造成重大經濟損失和災難性后果，因此研究硫化氫腐蝕機理及其檢測技術，對防止事故發生，提升化工過程安全都有十分重要的意義［2］。

超聲相控陣是一種先進的無損檢測技術，其探頭是通過多個晶片的陣列組合控制波陣面的形狀和入射方向，且無需改變掃查方式，即可對目標進行不同角度、全體積的檢測，并通過高清圖像將檢測結果顯示出來。 相控陣技術能明顯降低缺陷的漏檢率，提高檢測的可靠性，已被廣泛應用于容器、管道以及其他復雜結構部件的損傷檢測［3，4］。 為應付各種復雜條件下的檢測需求，超聲相控陣技術需要不斷發展和創新，Robert S 等提出了一種實時自適應全聚焦成像方法（ATFM），既能獲取高質量的檢測圖像，又能大幅降低運算 時間［5］；Harrich X 和 Coperet P 開發 了一種高效率的超聲相控陣掃描技術，通過正弦激勵信號結合組合延遲法則，從而實現快速掃描［6］；張昊等采用斷層掃描和全矩陣捕捉的方法獲取了成像數據，并基于體素插值還原出了三維圖像［7］；在仿真軟件方面，Xie Y 等將 FEM 和 FDTD方法同時應用于電磁超聲相控陣聲場特性的模擬計算中，并通過試驗驗證了模擬結果的準確性［8］； Hamidi S 基于惠更斯原理和瑞利索末菲衍射積分法，建立了雙層介質超聲相控陣檢測模型［9］。近年來，一些機構和公司為進行聲場特性分析、 工藝設計和優化， 開發了諸如 CIVA、SimSUNDT、ACTRAN、COMSOL Multiphysic 及Image3D 等仿真軟件［10］。 雖然我國超聲相控陣檢測技術的研究起步較晚，但近年來隨著進口儀器的引進和國內廠家的攻關開發，該技術在我國承壓設備安全領域開始逐步應用，如在國家西氣東輸工程長輸管道焊縫檢測和重要鍋爐、壓力容器的焊縫檢測等工程應用［11，12］。 鑒于此，筆者以濕硫化氫氛圍下某在役壓力容器為研究對象，對常規定檢發現的容器厚度異常部位，采用超聲相控陣技術進行診斷檢測，并結合金相分析討論了容器腐蝕開裂的形成機制。

1 超聲相控陣檢測技術

1.1基本原理

超聲相控陣檢測技術是按照特定的規則，利用電子系統控制多晶片組成的換能器，通過改變換能器中陣元激勵（或接收）脈沖的時間延遲，改變由各陣元發射（或接收）聲波到達（或來自）物體內某點時的相位關系，實現聚焦點位置和方向的變化， 從而完成波陣面各波束合成及成像，一般可得到 A、B、C、S 及 3D 等掃描成像［13］。 與其他無損檢測技術相比， 相控陣檢測技術的靈敏度高，檢測結果可信度高并能三維成像顯示，可適用于復雜結構及工件的損傷檢測等。

1.2硫化氫腐蝕損傷模擬試驗

通過人工試板模擬氫鼓泡和氫致開裂損傷，并對相控陣技術的檢測能力進行試驗［14］。 人工試板的編號為①和②，其中試板①模擬內表面鼓泡缺陷，試板②模擬氫致開裂缺陷，分別與表面成10°和 20°傾角（圖1）。

圖1 人工試板的模擬缺陷

使用ISONIC2009 型超聲波相控陣檢測儀對人工試板進行損傷檢測， 主要配置為5MHz64P1相控陣探頭、ODI 編碼器和直楔塊， 檢測方式為垂直線性檢測加A、B、C 掃描成像。

為模擬從外部檢測內表面缺陷，試板①檢測時將探頭放置在試板背面，掃查方向平行于缺陷長度方向。 檢測結果如圖2 所示，其中圖譜左上方為缺陷深度，右上方為缺陷長度和寬度（掃查方向），中間的側視圖表示缺陷的深度和長度，最下方為B 掃截面圖， 可表示任意時刻的缺陷深度。 表1 為試板①的缺陷（深度、長度、寬度）檢測結果對比，缺陷尺寸的測量值與實際值的誤差分別為 4.60%、0.75%、0.79%，均低于 10%，可知相控陣檢測技術的測量精度符合要求。

圖2 試板①的相控陣圖譜

表1 缺陷尺寸的檢測結果 mm

試板②的檢測結果如圖3 所示， 當傾角為10°時，反射波較高，且底面反射波斷開，其傾角值也可直接從圖譜讀取；當傾角為20°時，因角度變大，探頭不能接收到缺陷的全部反射波，因此反射波被斷開，但可綜合底面反射波和缺陷回波情況對缺陷進行判斷，可見相控陣檢測技術同樣適合氫致開裂的模擬缺陷。 另外，還通過大量現場檢測試驗和解剖驗證，總結出了在役壓力容器母材中分層和濕硫化氫損傷的相控陣圖譜特征。

2 工程案例

某壓力容器材料為 Q345R 鋼， 壁厚為32mm，工作壓力為 1.2～2.0MPa，溫度為 120℃，工作介質的硫化氫含量為0.02%，同時含有水蒸氣，屬于典型的濕硫化氫環境。 通過超聲波常規檢測發現容器筒體上部的厚度存在異常，壁厚減薄幅度達48%～57%， 初步判斷該區域可能存在濕硫化氫損傷。 為進一步確認損傷特征，采用相控陣垂直線性C 掃描與斜入射扇形C 掃描方式，對容器第1 個筒節內壁沿著上封頭環縫的下部進行環向掃查，同時從內壁沿著該筒節縱縫兩側進行縱向掃查，掃查路徑用虛線表示，區域編號為1#；對容器第1 個筒節的下部分靠近環縫部位環向掃查近1m，掃查路徑也用紅色虛線表示，區域編號為 2#（圖4）。

圖3 試板②的相控陣圖譜

圖4 壓力容器的檢測部位

3 檢測結果與分析

采用相控陣垂直線性C 掃描1#區域得到的典型的缺陷圖譜如圖5 所示，其中A 掃為左方超聲波形圖，缺陷的波幅較高、毛刺較多，底波波幅較高；B 掃為左上端面圖，D 掃為右下俯視圖，兩者的缺陷成像都比較平直；C 掃為右上俯視圖，缺陷成像無規律，成像顏色雜亂；最下方的3D 成像可直觀地反映缺陷形貌，可看出容器1#區域壁厚中部14mm 處存在缺陷分布帶， 寬度范圍分別為2.0、2.2、2.6mm。

圖5 1#區域垂直線性C 掃描的缺陷圖譜

如圖6 所示，1#區域的相控陣縱向斜入射扇形C 掃描得到的缺陷回波很小， 基本位于Ⅰ區，環向斜入射扇形C 掃描基本上未見缺陷回波，說明壁厚方向上缺陷暫未形成臺階狀開裂形貌。 綜上分析可知，容器1#區域內的缺陷基本與母材表面平行， 單個缺陷自身寬度均在2.6mm 以內，且缺陷分布的深度范圍為14.0～16.6mm。 對容器環縫附近的2#區域分別進行相控陣垂直線性和斜入射扇形掃描， 檢測結果如圖7 所示， 未發現缺陷。

圖6 1#區域斜入射扇形掃描的圖譜

圖7 2#區域的相控陣圖譜

4 腐蝕開裂機制探討

圖8 容器材料的金相組織

對容器1#區域取樣進行組織分析，容器材料的微觀組織主要為鐵素體與珠光體（圖8），拉長且呈帶狀分布，晶粒度約為8 級。 一般來說，帶狀組織會使材料的總體力學性能下降，嚴重影響后續的加工與使用性能［15］。

通過金相觀察還發現，容器材料腐蝕后中心部位有類似軋制帶的條狀裂紋，沿珠光體組織擴展并貫穿整個試樣， 初步判斷是帶狀組織增加Q345R 鋼的氫致裂紋的敏感性；因為硫化氫與鋼表面發生化學反應，生成的氫原子在應力場作用下不斷滲透到基體內部，并在結構缺陷處積聚成氫分子；當氫分子濃度增加，氫壓逐漸升高，如果超過斷裂強度，材料便會形成微裂紋；這種不需外力形成的裂紋一般會出現在材料軋制面，隨著氫分子源源不斷加入，裂紋向前擴展并相互連接貫通。 由于偏析的珠光體組織處于鐵素體界面，且位錯密度較高，能夠加速氫原子沿位錯通道擴展， 促進這種氫致裂紋在偏析帶形成與長大，因此這種偏析的帶狀組織可認為是裂紋形成根源。

5 結論

5.1針對壓力容器典型的濕硫化氫腐蝕問題，通過人工試板模擬氫鼓泡和氫致開裂損傷，對超聲相控陣技術的檢測能力進行試驗，缺陷的檢測結果與實際尺寸的誤差均在10%以內，表明該技術能較好地滿足設備濕硫化氫損傷的檢測需求。

5.2對某壓力容器的壁厚異常部位進行相控陣診斷分析， 發現多處與母材表面平行的腐蝕裂紋，寬度均在2.6mm 以內，且分布的深度范圍為14.0～16.6mm； 結合金相分析結果， 初步認為是Q345R 鋼的帶狀組織導致力學性能降低，增加氫致裂紋的敏感性。