熱壁加氫反應器的無損檢測技術

秦建秀

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院無錫分院，江蘇無錫 214071）

0 引言

熱壁加氫反應器工作于高壓、高溫、臨氫條件下，惡劣的使用條件使得熱壁加氫反應器對成型、焊接、熱處理溫度有著較為苛刻的要求，且同時面臨著蠕變脆化、回火脆化、氫腐蝕、氫脆、應力腐蝕、介質腐蝕等挑戰。為保證熱壁加氫反應器的安全穩定運行，無損檢測技術的科學合理應用必須得到重視。

1 熱壁加氫反應器常用無損檢測技術

熱壁加氫反應器無損檢測采用的技術較為多樣化，較為代表的有脈沖反射式超聲檢測技術、超聲TOFD 檢測技術、磁粉檢測技術。

1.1 脈沖反射式超聲檢測技術

射線檢測在很多時候會受到條件限制，使得超聲檢測往往被用于熱壁加氫反應器。采用窄間隙焊的主焊縫垂直于檢測面處很容易出現缺陷，因此可采用不同K 值探頭和不同K 值的斜探頭進行組合，以此從筒體外壁重復檢測主焊縫。同時斜探頭掃查母材區域需采用單晶直探頭開展100%掃查，并嚴格遵循《承壓設備無損檢測第3 部分：超聲檢測》（NB/T 47013.3—2015）的相關要求。對于80～200 mm 厚度間的板焊結構熱壁加氫反應器，檢測靈敏度校準應采用試塊CSKⅠA 或CSKⅡA；對于厚度在200 mm 以上的鍛焊結構厚壁加氫反應器，檢測靈敏度校準則應采用試塊CSKⅣA[1]。

1.2 超聲TOFD 檢測技術

在檢測垂直于表面的未融合缺陷和裂紋中，超聲TOFD 檢測技術的靈敏度較高，該技術的檢測原理如圖1 所示。

圖1 超聲TOFD 檢測技術檢測原理

基于一發一收的方式，TOFD檢測技術對缺陷的定量需基于脈沖聲波傳播的時間差確定，信號幅值帶來的影響相對較小。通過向試件內發射超聲脈沖（發射探頭），經試件上表面和底部的超聲脈沖可最終被接收（接收探頭），固有的參考信號由LW 和BW 組成，二者分別代表直通波（沿上表面傳播）、底面回波（由底面反射）。對于存在缺陷的試件，接收探頭將接收到位于LW 和BW 之間的缺陷衍射波（缺陷兩尖端產生），如缺陷存在一定高度，在時間上兩尖端衍射波可順利分辯。深入分析可以發現，兩尖端衍射波可提供判斷缺陷性質的根據，且能夠實現可靠性較高的未熔合缺陷、埋藏缺陷、面積型缺陷檢測，但在橫向裂紋、表面及近表面缺陷方面無法實現高可靠性檢測，為避免橫向缺陷的漏檢，應配合開展橫向掃查（常規脈沖反射式超聲檢測）。基于TOFD 檢測技術應用生成的B 掃圖像，缺陷的長度和類型可得到大致判斷，熱壁加氫反應器無損檢測可基于該技術較好地滿足需要[2]。

1.3 磁粉檢測技術

熱壁加氫反應器的主焊縫、管道對接焊縫外壁、接管焊縫均可采用磁粉檢測技術進行無損檢測，具體可選用磁軛法及旋轉磁場復合磁化法作為磁化方法。在磁軛法的應用中，磁化需圍繞相互垂直的兩個方向進行，表面或近表面的不同取向缺陷可由此明確，缺陷檢出的可靠性和效率均可大幅提升，該技術的應用需嚴格遵循相關標準要求。

2 無損檢測技術在熱壁加氫反應器中的應用

2.1 主焊縫內壁堆焊層

對于熱壁加氫反應器主焊縫內壁堆焊層，無損檢測需圍繞氫制剝離缺陷、內部缺陷、層下缺陷、表面缺陷分別開展。

（1）堆焊層氫制剝離缺陷。氫制剝離缺陷的無損檢測應采用超聲檢測技術，以此檢測母材界面與堆焊層形成的碳化物析出脆化區，未結合缺陷可由此較好地得到檢測。在使用熱壁加氫反應器的過程中，鋼中存在大量擴散的氫，高濃度氫的聚集會導致堆焊層的界面與母材處出現氫脆，結合面剝離的情況很容易隨之出現。氫制剝離缺陷主要出現在母材金屬和堆焊層的熔合面，熱壁加氫反應器的承載能力受到的影響較小，但隨著缺陷的不斷擴大，腐蝕防護性能將受到直接影響，直接侵入母材的介質將最終導致熱壁加氫反應器失效。在基于超聲檢測技術的氫制剝離缺陷檢測中，需采用雙晶直探頭以檢測堆焊層與基材的未結合缺陷（堆焊層側），試塊選擇T1、T2 型（NB/T 47013.3—2015）10 mm 平底孔。堆焊層與基材未結合缺陷（基材側）檢測采用單直探頭，試塊選擇T3 型10 mm 平底孔[3]。

（2）堆焊層內部缺陷。堆焊層內部缺陷同樣需采用超聲檢測技術進行檢測。熱壁加氫反應器多采用雙層堆焊層，這就使得未結合、夾雜等缺陷很容易存在于兩層中，擴展延伸的缺陷將帶來極為負面的影響。在堆焊層內部缺陷（堆焊層側）的檢測中，應采用雙晶直探頭，試塊選擇T1 型上右側的4 個3 mm 平底孔，以此完成距離—波幅曲線的繪制。堆焊層內部缺陷（堆焊層側）采用縱波雙晶斜探頭進行檢測，試塊選擇T2 型上右側4 個1.5 mm 橫孔，以此完成距離—波幅曲線繪制。堆焊層內部缺陷（基材側）檢測采用單直探頭，調節采用試塊為T3 型3 mm 平底孔。堆焊層內部缺陷（堆焊層側）采用縱波斜探頭進行檢測，調節選擇T3 型1.5 mm 橫孔。

（3）堆焊層層下缺陷。在采用超聲檢測技術開展的堆焊層層下缺陷檢測中，需認識到該缺陷源于熱壁加氫反應器早期單層堆焊制造環節，如硬的滲碳層存在于CR-MO 鋼母材與堆焊層交界面處，堆焊層層下裂紋便會隨之產生，向母材延展的裂紋同時與結合面垂直。在熱壁加氫反應器使用過程中，不斷增加的母材脆性可能導致層下再熱裂紋擴展，因此避開開展針對性的無損檢測。堆焊層層下缺陷（堆焊層側）檢測應采用雙晶直探頭，調節采用試塊為T1 型下3 mm 平底孔。堆焊層層下缺陷（堆焊層側）檢測應采用縱波雙晶斜探頭，調節采用試塊為T2 型下1.5 mm 橫孔。

（4）堆焊層表面缺陷。對于存在奧氏體不銹鋼堆焊層的熱壁加氫反應器內壁堆焊，為實現表面缺陷檢測，需重點關注熱壁加氫反應器的鐵素體含量偏低或偏高部位、筒體與下封頭連接的手工堆焊過渡帶部位、內部支撐凸臺等部位，并在輕微打磨（鋼絲刷）與清洗后開展滲透檢測，可采用超聲檢測技術用于較深的裂紋確定，以此完成安全性評價。

2.2 其他部位

（1）法蘭密封槽堆焊層。對于熱壁加氫反應器法蘭密封槽堆焊層，表面裂紋很容易產生于接管和接管蓋、人孔和人孔蓋的法蘭密封槽表面，密封槽底的表面裂紋相對較多，向密封面延伸的表面裂紋則存在徑向或環向、樹枝狀等多種形態。結合實際檢驗可以了解到，如密封膠的Cl-含量過高，受螺栓預緊力作用影響，氯化物應力腐蝕開裂便會出現于堆焊層，制造質量不良、尺寸不合的密封槽結構也可能引發裂紋。法蘭密封槽堆焊層應采用滲透檢測和宏觀檢查進行無損檢測，以此更好地保障熱壁加氫反應器性能。

（2）筒體與外部構件焊接處。對于筒體與外部構件焊接處的保溫支撐板、吊耳、裙座、接管、測溫凸臺等，在與筒體的連接部位很容易出現埋藏缺陷或表面缺陷，為實現這類缺陷的無損檢測，一般采用宏觀檢查、滲透檢測、磁粉檢測、脈沖反射式超聲檢測等方式，具體檢測對象應為可能產生缺陷的部位，圖2 為某熱壁加氫反應器裙座表面裂紋磁粉檢測結果。

3 結論

熱壁加氫反應器的無損檢測技術的選用需關注多方面因素影響。在此基礎上，脈沖反射式超聲檢測技術、超聲TOFD 檢測技術、磁粉檢測技術、主焊縫內壁堆焊層無損檢測等，提供了可行性較高的無損檢測技術應用路徑。為更好地保證熱壁加氫反應器的安全及性能，無損檢測方法的合理選擇、相控陣檢測等新型技術的積極應用同樣需要得到重視。

圖2 某熱壁加氫反應器裙座表面裂紋磁粉檢測結果