液氨儲罐封頭焊縫的相控陣超聲檢測

， ， ，唐飛陽，

(1.中國石油獨山子石化分公司壓力容器檢驗所，克拉瑪依 833699;2.中國石油獨山子石化公司乙烯廠，克拉瑪依 833699)

在工業(yè)生產(chǎn)中,液氨是一種重要的化工原料和制冷劑，液氨儲罐的封頭是壓力容器的重要組成部分，是主要的受壓部件。標(biāo)準(zhǔn)GB 150-2011《壓力容器》中規(guī)定封頭拼接焊縫屬于A類焊縫，該類焊縫在制造過程中易產(chǎn)生缺陷，因此需要對其進(jìn)行無損檢測。

基本上以氨為制冷劑的裝置都連接著冷庫，所以停機(jī)檢驗會造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第8.8條規(guī)定,以氨為制冷劑時，單臺儲氨器容積不大于5 m3且總?cè)莘e不大于10 m3的小型制冷裝置中，壓力容器的定期檢驗可以在系統(tǒng)不停機(jī)的狀態(tài)下進(jìn)行。其第8.8.3.5.3條規(guī)定采用超聲檢測方法對埋藏缺陷進(jìn)行檢測時，因為儲罐筒體與封頭是一種壁厚不對稱的特殊對接焊接接頭，所以常規(guī)超聲檢測時主要存在以下難點：① 焊縫內(nèi)部因成型不良等因素導(dǎo)致的干擾回波較多；② 只能單面單側(cè)進(jìn)行檢測，對檢測結(jié)果存在影響。

相控陣超聲檢測能實現(xiàn)工件和缺陷的A，B，S掃描及多種顯示，缺陷定位、定量檢測的誤差小，檢測靈敏度高[1]。

小型液氨儲罐封頭焊縫屬于不對稱的特殊焊縫，對該類焊縫的表面缺陷檢測主要分為滲透檢測和磁粉檢測[2]，對焊縫的內(nèi)部缺陷檢測分為常規(guī)超聲檢測和射線檢測。在定期檢驗過程中，小型液氨儲罐往往因為現(xiàn)場檢驗環(huán)境限制而無法實施射線檢測;結(jié)構(gòu)曲率的變化會影響常規(guī)超聲檢測，只能對其進(jìn)行單面單側(cè)的檢測，不滿足標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》中的超聲檢測中級靈敏度(B級)檢測的要求，會存在缺陷漏檢、定位和定量不準(zhǔn)確的問題。相控陣超聲檢測技術(shù)可以很好地解決上述問題，其只需要一個探頭在相對于焊縫中心線處保持固定距離，在移動探頭的情況下進(jìn)行快速扇掃描和線掃描，就可以有效檢出缺陷，大大提高檢出率。

1 相控陣超聲檢測試驗方法

1.1 檢測設(shè)備

采用以色列ISONIC 2010相控陣超聲檢測儀，在相控陣探頭的各種參數(shù)中，跟實際應(yīng)用密切相關(guān)的是頻率、晶片數(shù)、晶片參數(shù)和楔塊參數(shù)。選擇頻率為4 MHz，16晶片，晶片間距為0.5 mm，斜鍥角度為36°的探頭。相控陣超聲檢測掃查角度最小為35°，最大為69°。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32563-2016 《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》，在單側(cè)檢測時，需要進(jìn)行3次波檢測或沿線柵格掃查。

1.2 檢測靈敏度

設(shè)置DAC(距離-幅度曲線)靈敏度，檢測深度范圍為6～50 mm時，將DAC曲線的最大聲程處規(guī)格為φ2 mm×40 mm(直徑×深度)橫孔回波調(diào)至滿屏的適當(dāng)高度(如90%)作為掃查靈敏度。

1.3 缺陷長度確定

若缺陷最高幅度未超過滿屏100%，則以此幅度為基準(zhǔn)，找到缺陷不同角度A掃描的回波幅度降低6 dB時作為缺陷長度；若缺陷最高幅度超過滿屏100%，則找到缺陷不同角度A掃描回波幅度降低6 dB的最大長度作為缺陷長度。

1.4 對比試塊

1.4.1 對比試塊的制作

為了研究不等厚焊縫的全范圍掃查，實現(xiàn)對不等厚焊縫的聲場全覆蓋以及利用計算機(jī)幾何仿真技術(shù)編制檢測工藝，確保檢測靈敏度和不同位置缺陷的檢出率，制作了不等厚對比試塊。對比試塊結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 對比試塊結(jié)構(gòu)示意

1.4.2 對比試塊的相控陣超聲檢測

從試塊的兩個側(cè)面(厚側(cè)和薄側(cè))進(jìn)行相控陣超聲掃查，均檢測出對比試塊上預(yù)制的缺陷，檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 對比試塊兩個側(cè)面的相控陣檢測結(jié)果

1.4.3 檢測結(jié)果分析

相控陣超聲檢測對比試塊時，只要保證超聲聲束對檢測區(qū)域的全覆蓋，不論檢測面位于焊接接頭的哪一側(cè)，對不同類型、不同深度的缺陷均能很好地檢測出，有效實現(xiàn)了圓形通孔、條形缺陷的定位和定量檢測，具有良好的檢測精度。

由檢測結(jié)果可知，探頭置于薄壁側(cè)為最佳檢測面。根據(jù)現(xiàn)場情況可選擇4個檢測面進(jìn)行檢測，現(xiàn)場檢測焊接接頭仿真模擬參數(shù)設(shè)置如表1所示(T1為薄側(cè)厚度，T2為厚側(cè)厚度)。檢測部位示意如圖3所示。

表1 現(xiàn)場檢測焊接接頭仿真模擬參數(shù)設(shè)置

圖3 焊接接頭的檢測部位示意

1.5 焊接模擬試塊

1.5.1 焊接模擬試塊的制作

模擬試塊主要用于檢測靈敏度的校準(zhǔn)。模擬試塊的材料、形狀、結(jié)構(gòu)、厚度，以及焊接坡口形式和焊接工藝應(yīng)與被檢工件相同或相似，在檢測區(qū)域內(nèi)適當(dāng)位置設(shè)置焊接產(chǎn)生的自然缺陷。將擬采用的檢測工藝應(yīng)用到模擬試塊上，以驗證擬采用工藝的有效性。設(shè)計制作了焊接模擬試塊，材料為16MnR鋼，薄側(cè)厚度為8 mm,厚側(cè)厚度為12 mm。

1.5.2 焊接模擬試塊的相控陣超聲檢測

相控陣超聲檢測技術(shù)結(jié)合了A掃描和S掃描等多種顯示模式,在整個聲束覆蓋范圍內(nèi)保證了足夠的檢測靈敏度。焊接模擬試塊的預(yù)制條形缺陷檢測圖譜見圖4。

圖4 焊接模擬試塊的預(yù)制條形缺陷檢測圖譜

1.5.3 檢測結(jié)果分析

通過相控陣超聲檢測焊接模擬試塊，實現(xiàn)了對特定檢測對象內(nèi)部埋藏缺陷的定量檢出，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 模擬試塊相控陣超聲檢測數(shù)據(jù)

1.6 線切割解剖驗證

為了驗證焊接模擬試塊的相控陣超聲檢測結(jié)果，對檢測區(qū)域進(jìn)行了線切割解剖驗證。線切割機(jī)電壓為380 kV，電流為2 A，鉬絲直徑為0.18 mm，行進(jìn)速度為90 mm·h-1。模擬試塊線切割解剖結(jié)果如表3所示。線切割解剖照片如圖5所示。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

對某乙烯廠順丁儲氨罐FA-602A進(jìn)行定期檢驗，容器類別為II類，使用壓力為1.85 MPa，使用溫度不大于50 ℃，工作介質(zhì)為液氨，容積不大于5 m3，罐體材料為16MnR鋼。在定期檢驗的常規(guī)超聲檢測時，儲氨罐封頭焊縫部位發(fā)現(xiàn)一處II級缺陷。

表3 模擬試塊線切割解剖結(jié)果

圖5 模擬試塊的線切割解剖照片

由于小型儲氨罐封頭曲率過大，因此探頭無法平穩(wěn)放置在弧面上，不管如何調(diào)整入射角度和其他參數(shù)，聲束都不能全部覆蓋焊縫區(qū)和熱影響區(qū)。只有將探頭放置在筒體部位時，才能使聲束全部覆蓋焊縫區(qū)和熱影響區(qū)，并盡可能減少漏檢部位，提高缺陷的檢出率，所以掃查面選擇在筒體上。為了對缺陷進(jìn)行定性和定量檢測，檢測人員采用相控陣超聲檢測技術(shù)對缺陷進(jìn)行了復(fù)驗，確定了封頭焊縫內(nèi)部存在條形缺陷。

通過相控陣檢測，從缺陷3D成像模擬仿真結(jié)果(見圖6)可以看出，該缺陷為條形缺陷。常規(guī)超聲檢測和相控陣超聲檢測對缺陷的定量結(jié)果如表4所示，儲氨罐FA-602A的相控陣超聲檢測圖譜如圖7所示。

表4 常規(guī)超聲檢測和相控陣超聲檢測對

圖6 缺陷3D成像模擬仿真結(jié)果

圖7 相控陣儲罐檢測圖譜

3 結(jié)論

介紹了乙烯廠儲氨罐的相控陣檢測技術(shù)，制定的檢測工藝在儲氨罐上進(jìn)行了實際應(yīng)用。結(jié)果表明，相控陣檢測缺陷的圖像顯示直觀，降低了缺陷的識別難度，檢測可靠性高。