壓力容器及管道內壁腐蝕超聲相控陣檢測技術研究

國核電站運行服務技術有限公司 張 樂 聶 衍 肖愛武

壓力容器及管道內壁由于流體的沖刷，介質囤積微生物作用等原因，容易出現局部腐蝕缺陷，腐蝕缺陷主要為點腐蝕、沖蝕、磨損及應力腐蝕等形成的腐蝕坑及裂紋。由于腐蝕程度不同，形成的坑孔面積和腐蝕深淺不同，獨立或密集存在，主要危害是引起內壁局部區域減薄造成泄露。腐蝕裂紋的存在形式有多種，有直線狀、樹枝狀、放射狀等，主要危害是深入金屬內部，最終引起斷裂，兩者都能造成嚴重的危害性后果。化工廠、石化廠以及核電廠等行業領域由于大量應用壓力容器和管道，隨著運行年限的增加，內壁存在一定程度的腐蝕，嚴重威脅著設備的運行安全，因此，這一問題亟待解決。

常規測厚技術及超聲檢測技術受儀器設備和探頭性能影響較大，對一些獨立小腐坑分辨力差，容易漏檢且檢測效率低，檢測結果多為A 型信號或壁厚數字顯示，腐蝕缺陷檢測不直觀，不易定性，而超聲相控陣檢測技術具有多種檢測模式，可以扇掃及電子掃查，且可多陣元同時激發，具有A 掃、S 掃、B 掃、C 掃等顯示特征，缺陷檢測靈敏度高、檢測效率高且成像直觀，方便對缺陷定位、定量及定性。

1 超聲相控陣檢測技術

基本原理：超聲相控陣檢測的基本原理如圖1，利用電子系統控制相控陣探頭各陣元發射／接收的相位延遲，使得合成聲束在一定范圍內實現聚焦、偏轉，從而完成掃查成像[1]。

工作過程：超聲相控陣檢測的工作過程主要分為發射和接收兩個部分。發射時各陣元被同一頻率的脈沖信號激勵，在電子系統的控制下按預定的聚焦法則發射超聲波，具有不同相位的超聲子波在空間疊加干涉，形成一個新的波陣面及合成聲束；接收時，依據回波到達各陣元的時間差對回波信號進行延時補償，然后進行信號合成，最后將合成信號以圖像方式實時顯示出來，實時成像。

2 能力驗證

檢驗系統的選擇。考慮壓力容器和管道的壁厚范圍，以及能夠發現細小的腐蝕缺陷，使用了兩種探頭，一種為TRL[2]二維線陣相控陣腐坑檢測專用探頭，如圖2所示，主要檢測點蝕、沖蝕、磨損等形成的腐蝕坑；另一種為TRL 二維面陣相控陣腐蝕裂紋專用探頭，如圖3所示，主要檢測應力腐蝕、晶界腐蝕等裂紋類缺陷。檢驗系統的組成[3]如圖4所示。

圖3 二維線陣相控陣探頭

圖4 檢驗系統組成

靈敏度對比試塊的設計。其采用不同厚度的階梯試塊，針對腐蝕坑及腐蝕裂紋分別加工深2mm、直徑Φ2平底孔和長25mm、槽深3%壁厚的電火花槽反射體，對比試塊示意如圖5所示；靈敏度的確定。對于一定壁厚的待檢工件，腐蝕坑類缺陷檢驗采用Φ2平底孔作為檢驗的基準靈敏度，腐蝕裂紋類缺陷采用槽深3%壁厚的電火花槽反射體作為檢驗的基準靈敏度。檢驗靈敏度在基準靈敏度的基礎上至少提高6dB。

圖5 靈敏度對比試塊

模擬試塊的檢驗。模擬試塊主要制作了不同面積大小和深度的內凹球孔坑來模擬腐蝕坑，采用不同深度長度的電火花切槽來模擬裂紋類缺陷，模擬的缺陷尺寸（mm）中，1～4#模擬試塊槽長、槽寬、槽深分別為10/0.2/0.3，15/0.2/0.5，10/0.2/1.0，10/0.2/2.0；5～10#腐蝕坑、深度分別為Φ2/3.0，Φ3/4.5，Φ6 /1.0，Φ10/4.0，Φ20/2.0，Φ30/2.0。模擬試塊腐蝕裂紋類缺陷相控陣C 掃成像信號圖如圖6所示，檢測結果見表1；模擬試塊腐蝕坑類缺陷相控陣C 掃成像信號圖如圖7所示，檢測結果見表2。實驗結果表明：該技術能檢測出當量大小為Φ2mm、深度為1mm 的腐蝕坑，及深度為0.3mm 的腐蝕裂紋。

表1 模擬裂紋類缺陷相控陣檢測結果

圖7 模擬腐蝕坑類缺陷相控陣C 掃成像信號圖

3 現場應用

實際檢測。根據能力驗證結果，對某化工區公司HEX shell換熱器殼體、Nozzle of bottom channel 底部管箱接管及Column Shell 塔筒體執行現場超聲相控陣檢驗，成像發現3處記錄性缺陷，其中1處腐蝕裂紋，1處腐蝕坑，1處夾雜；缺陷信號。對現場檢測的缺陷信號進行分析，A掃、B 掃顯示及缺陷信息如圖8所示，圖中：換熱器規格Φ1400×16mm、缺陷深度3.77mm、腐蝕坑；底部管箱接管規格Φ816×10mm、缺陷深度0.12mm、缺陷長度20mm、腐蝕裂紋；塔筒體規格Φ2200×10mm、缺陷深度6.02mm、夾雜。

圖8 現場缺陷信息圖

通過實驗室能力驗證及現場應用，結果表明，利用超聲相控陣檢測技術對壓力容器筒體和管道內壁的腐蝕缺陷檢測是能滿足要求的，得出以下結論：超聲相控陣檢測技術能高效、直觀、可靠的檢測出壓力容器筒體和管道內壁的腐蝕缺陷；超聲相控陣檢測技術至少能檢測出當量大小為Φ2mm、深度為1mm 的腐蝕坑及深度為0.3mm 的腐蝕裂紋。