加氫反應(yīng)器接管的超聲波檢測

(青島蘭石重型機械設(shè)備有限公司，青島 266426)

熱壁加氫反應(yīng)器是煉油、化工加氫裂化裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，也是制造最復(fù)雜、技術(shù)要求最高的裝置，通常在高溫、高壓等惡劣條件下使用。20世紀70年代后，隨著市場對產(chǎn)品要求的提高和制造工藝的成熟，熱壁加氫反應(yīng)器在市場上逐漸代替了冷壁加氫反應(yīng)器。我國在20世紀70年代到80年代才開始從國外引進熱壁加氫反應(yīng)器的制造技術(shù)。

由于熱壁加氫反應(yīng)器在使用時存在介質(zhì)腐蝕、氫腐蝕、應(yīng)力腐蝕、回火脆化等問題，所以其屬于高危設(shè)備，對焊接的要求很高，此類設(shè)備應(yīng)進行無損檢測，尤其是對焊接難度大，易出現(xiàn)缺陷的接管類焊縫更應(yīng)進行無損檢測。加氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意

加氫反應(yīng)器大量使用接管角焊縫，由于其結(jié)構(gòu)特殊，幾何條件復(fù)雜，所以焊接工藝繁復(fù)，焊接質(zhì)量無法保證，且對超聲波檢測的要求更高，也就要求質(zhì)保部門采取更為有效的檢測方法和檢測工藝，筆者介紹了接管角焊縫超聲波檢測方法，尤其對發(fā)現(xiàn)缺陷后如何確定其具體深度，如何對缺陷定位這一問題做了進一步論述。

圖2 插入式接管角焊縫結(jié)構(gòu)示意

圖3 安放式接管角焊縫結(jié)構(gòu)示意

圖4 馬鞍形接管焊縫剖面圖

1 接管角焊縫的結(jié)構(gòu)

幾種接管焊縫的結(jié)構(gòu)示意如圖2～4所示。接管類焊縫對焊接的工藝要求很高，若是采用氣割開孔，在開孔后，其表面非常粗糙，打磨工作量很大，坡口的尺寸也難以保證，而給后續(xù)焊接帶來影響，尤其是筒體內(nèi)壁堆焊不銹鋼層之后，很容易引起磁偏吹，在焊縫內(nèi)表面容易產(chǎn)生未熔合、未焊透等缺陷，在進行超聲波檢測時，對焊縫根部的掃查應(yīng)高度重視，尤其是針對大厚壁容器的焊縫檢測[1]。

2 探測面的選擇及探頭的選取

2.1 插入式接管角焊縫的超聲波檢測

插入式接管角焊縫在進行超聲波檢測時，可以選取直探頭在位置1處(接管內(nèi)壁)對焊縫進行檢測，也可以選取斜探頭在位置2和位置4(筒體內(nèi)壁)處進行超聲波檢測。也可以從接管外壁采取二次波檢測，由于二次波對缺陷的評定要求較高，同時如果直射波能保證良好的缺陷檢出率，就要求采用直射波檢測。接管內(nèi)壁的檢測面平整，接管直徑能夠保證足夠的檢測空間，可以選取在位置3處進行超聲波檢測。如果各檢測面厚度不大于25 mm，推薦選擇K1，K2.5斜探頭；檢測面厚度若大于25 mm，推薦選擇K1，K2斜探頭。

2.2 安放式接管角焊縫的超聲波檢測

安放式接管角焊縫在進行超聲波檢測時，可以選取直探頭在位置1處(筒體內(nèi)壁)對焊縫進行檢測，在位置3(接管內(nèi)壁)處利用直射波進行檢測，如果接管壁厚不大，也可以從位置2(接管外壁)處利用二次波檢測，斜探頭與插入式接管超聲波檢測的方法相同。

接管角焊縫超聲波檢測一般采用直探頭檢測，但是由于對現(xiàn)場焊縫的焊接表面質(zhì)量、鉚工工裝質(zhì)量及打磨質(zhì)量的要求，以及加氫接管內(nèi)壁大多為內(nèi)壁堆焊，所以無法進行直探頭檢測，而采用斜探頭進行檢測，直探頭作為輔助檢測手段[2]。

進行接管角焊縫的超聲波檢測時，應(yīng)該實際參考接管的具體結(jié)構(gòu)，從多種位置采用合適的超聲方法進行檢測。

3 檢測靈敏度

接管角焊縫斜探頭或直探頭檢測的靈敏度如表1所示。

表1 接管角焊縫斜探頭或直探頭檢測的靈敏度

4 曲面補償

曲面工件的超聲波檢測時，如果不能滿足以下所述要求時，應(yīng)該進行曲面補償，滿足時可以按照平板焊縫進行檢測。

4.1 一般曲面的檢測要求

對于一般曲面，需要滿足的條件如式(1)所示。

(1)

式中：W為探頭接觸面的寬度，檢測環(huán)焊縫時為探頭的寬度，檢測縱焊縫時為探頭的長度；D為曲面直徑。

4.2 較高曲面要求

對于較高曲面(對缺陷識別要求較高的工件曲面)，需要滿足的條件如式(2)所示。

(2)

耦合效果約為平板的80%左右。

直探頭檢測時，耦合試塊應(yīng)與工件的曲率半徑相同，材料也相同；斜探頭檢測時，試塊的曲率半徑與工件的曲率半徑相同，材料也相同，反射孔位置參照標(biāo)準試塊來確定。

曲率試塊結(jié)構(gòu)示意如圖5所示[3]，A為入射點，B為反射孔位置，R為曲面試塊的外徑，β為折射角，由于

(3)

故可以通過式(4)計算出折射角。

(4)

式中：S為缺陷在平面工件中的水平距離；h為缺陷在曲面工件中的深度。

圖5 曲率試塊結(jié)構(gòu)示意

5 檢測區(qū)的打磨寬度

超聲檢測面包括檢測區(qū)和探頭的移動區(qū)。

檢測區(qū)包括焊縫本身加上焊縫熔合線兩側(cè)各10 mm。探頭移動區(qū)寬度與檢測方法有關(guān)，大厚壁容器采用直射波檢測，移動區(qū)寬度為1.5Kt(t為檢測焊縫厚度,K為探頭的K值)，以150 mm厚度母材為例，采用K1探頭進行檢測時，K1探頭的移動區(qū)寬度為225 mm，再加上焊縫的寬度，最終需要打磨的寬度為2×(225+焊縫寬度+10) mm。

采用大K值探頭進行檢測時，如果按照上面的公式進行計算，則需要打磨的寬度非常大。加氫反應(yīng)器內(nèi)壁需要進行堆焊，考慮組裝多節(jié)筒體后，由于自動焊機臂長不足，手工焊的工作量太大，大多選擇厚度一半以上作為檢測母材的厚度，如150 mm厚度，選擇t為80 mm，進行探頭移動區(qū)的計算。

加氫反應(yīng)器內(nèi)部多為堆焊不銹鋼層，現(xiàn)在大多采用自動堆焊設(shè)備，盡可能地連續(xù)堆焊，很多時候，探頭移動區(qū)域并不能滿足，這就需要考慮增加補償措施，以保證檢測質(zhì)量。

6 馬鞍形接管焊縫缺陷的定位

加氫反應(yīng)器多為大厚度、大直徑的容器，針對接管的超聲波檢測可以采用雙面雙側(cè)檢測，加之二次波回波復(fù)雜，難以判斷缺陷波，所以多采用直射波進行缺陷的檢測。

直徑較大的接管與筒體的焊接處為馬鞍形，焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按照一般缺陷的定位，檢測效果不好，接管的坡口弧度大，返修困難，焊接質(zhì)量不易保證。為了方便定位，將焊縫進行分區(qū)，馬鞍形接管超聲檢測分區(qū)示意如圖6所示。將焊縫分為8個區(qū)：1區(qū)和5區(qū)位于軸向最高點，在筒體直徑很大的情況下，可以按照平板焊縫進行檢測；3區(qū)和7區(qū)位于周向的最低點，可以參照筒體縱縫進行檢測；其他2區(qū)、4區(qū)、6區(qū)、8區(qū)則根據(jù)不同的曲率半徑，參照1區(qū)、3區(qū)、5區(qū)、7區(qū)，通過相應(yīng)的關(guān)系式進行簡化計算。

圖6 馬鞍形接管的超聲檢測分區(qū)示意

6.1 1區(qū)和5區(qū)的定位計算

1區(qū)和5區(qū)位于軸向最高點，參照平板焊縫的直射波檢測，按照式(5)進行計算。

H=nτ

(5)

式中：H為缺陷的深度；n為儀器調(diào)節(jié)比例；τ為儀器顯示深度。

L=nKτ

(6)

式中：L為缺陷的水平距離。

6.2 3區(qū)和7區(qū)的定位計算

3區(qū)和7區(qū)位于周向的最低點，參照筒體縱縫的超聲波檢測。外圓直射波檢測方法示意如圖7所示，圖中OA為筒體外圓半徑R，OB為筒體內(nèi)圓半徑r，AF為缺陷聲程S，β為探頭的折射角。

圖7 外圓直射波檢測方法示意

通過式(7)，(8)可以求出從外圓面檢測缺陷的埋藏深度以及水平距離。

(7)

式中:H為埋藏深度；d為平板中缺陷的深度。

(8)

通過式(9)，(10)可以求出從內(nèi)圓面檢測缺陷的埋藏深度及水平距離。

(9)

(10)

6.3 其他各區(qū)的定位計算

由于2區(qū)、4區(qū)、6區(qū)、8區(qū)的接管角焊縫超聲波檢測的曲面比較復(fù)雜，所以缺陷定位也比較復(fù)雜，選擇3區(qū)或7區(qū)作為參照區(qū)，從外圓或內(nèi)圓檢測時參照式(6)～(9)，確定缺陷深度H或者缺陷的水平距離L，但缺陷處的R和r應(yīng)進行修正，以2區(qū)為例，選取45°處入射點作為優(yōu)化后代表2區(qū)進行優(yōu)化計算。

(11)

式中：x為簡化系數(shù)。

實際上每一個入射點的R,r都是不同的，這里的簡化系數(shù)1.2是為了保證在定位準確的前提下，更方便操作人員進行計算，如果每一個入射點的簡化系數(shù)都一一列舉，就失去了工程意義，經(jīng)驗證，深度和水平距離誤差在5%以內(nèi)，滿足定位要求。

7 結(jié)語

加氫反應(yīng)器接管的檢測工作一直是無損檢測工作中的難點，因其焊接成型難度高，接管質(zhì)量難以保證，檢測定位困難、焊工返修質(zhì)量差等問題一直困擾著檢測工作者，一旦定位不準，就會造成缺陷無法返修出來，這樣不僅浪費時間，對資源也是極大的浪費。作者結(jié)合實際工作經(jīng)驗提出了簡化系數(shù)的概念，以解決定位精度不高的問題。