相控陣超聲波檢測氧分離器應力腐蝕裂紋研究

周鵬

遼寧紅沿河核電有限公司 遼寧大連 116319

1 序言

電解水制氫裝置被廣泛應用于核電站的氫氣制備中，而氧分離器是其裝置中一個重要的壓力容器設備。某電廠運行期間出現因氧分離器容器封頭失效而造成漏液的情況，其基本情況如下。

1）容器材料為316L奧氏體不銹鋼，尺寸為φ219mm×6mm，內部介質為26%KOH溶液，運行壓力為3.2MPa，運行溫度為70～80℃。

2）根據裂紋金相檢查可知，裂紋部位在封頭直邊段焊縫熱影響區附近，方向與環焊縫相垂直，焊縫本身沒有發現裂紋，裂紋主要是沿晶擴展，尖端有分叉，局部有穿晶特征。

3）對容器進行打磨消除缺陷并實施滲透檢測（見圖1），隨著打磨深度的不斷增加，滲透檢測發現的裂紋長度也增加。當打磨至3.5mm深時，滲透檢測發現的裂紋長度最大為13mm，而后打磨缺陷逐漸減小直至消失。裂紋由封頭內壁向封頭外壁方向擴展。

圖1 設備漏點滲透檢測缺陷形貌

通過理化檢測分析，判斷上述缺陷為應力腐蝕裂紋[1]。應力腐蝕是材料在拉應力及敏感腐蝕介質的共同作用下引起的應力脆性斷裂。應力腐蝕發生的兩大條件為拉應力及敏感介質[2]。由于氧分離器本身所承擔的功能需要，其內部苛性堿水介質是不可改變的，因此需要對氧分離器進行定期地在役檢查，以發現產生的應力腐蝕裂紋，保證設備安全。

由于奧氏體不銹鋼晶粒粗大、不均勻，且存在聲特性各向異性的特點，所以使用常規超聲波檢測時，超聲波容易發生散射衰減造成回波信號信噪比低，且容易因晶粒各向異性而引起聲束發生偏折，造成漏檢。

相控陣超聲波檢測具有靈活的聲束偏轉與聚焦特性，可以一次實現多角度掃查和聚焦，能有效地增加信噪比，克服聲束偏轉帶來的漏檢[3]。因此，相控陣超聲波對檢測奧氏體不銹鋼有較大優勢。

本文使用CIVA仿真模擬軟件進行仿真模擬，并結合人工試塊相控陣檢測的試驗驗證，研究了相控陣超聲波檢測技術檢測氧分離器應力腐蝕裂紋的可行性，同時對該方法在實際檢測中進行了驗證。研究表明，合適的相控陣超聲波檢測工藝能有效地檢出氧分離器應力腐蝕裂紋。

2 仿真模擬試驗

試驗采用的仿真模擬軟件為C I VA 2020，使用其中的PA U T模塊，探頭為5M H z、16陣元、0.5mm×10mm的線陣探頭，采用配合曲面楔塊，折射角為60?，模擬聲束角度為35°～70°，模擬試塊參照氧分離器規格為φ219mm×6mm，材質選用316L奧氏體不銹鋼。

通過仿真模擬軟件得到探頭聲場仿真效果，如圖2所示。由圖2可知，結果顯示聲場可有效覆蓋待檢區。

圖2 探頭聲場仿真效果

為了進一步驗證仿真模擬的缺陷響應，參照NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測》中“承壓設備用無縫鋼管超聲波檢測方法和質量分級”的內容，針對3種類別面積型缺陷，設置了3種不同規格的人工反射體（人工缺陷），具體尺寸見表1。內表面和外表面人工缺陷在人工試塊上對稱分布，因此僅取內表面和外表面各一處缺陷，如圖3所示。

圖3 人工試塊內外表面人工缺陷示意

表1 人工反射體尺寸

仿真模擬時，采用直射波模擬檢測內表面人工反射體，采用一次反射波模擬檢測外表面人工反射體。

仿真模擬結果顯示，3個人工反射體都有明顯的反射回波，回波信噪比能滿足現場檢測需要。位于內表面和外表面、自身高度為0.3mm開口的人工反射體的響應效果如圖4所示。結果表明，對于檢測自身高度為5%壁厚的人工反射體，缺陷有明顯的反射回波，且檢測信噪比＞20dB。

圖4 10mm×0.15mm×0.3mm開口裂紋缺陷響應效果

3 人工試塊試驗

仿真模擬結果表明，使用上述參數的相控陣超聲波檢測工藝，聲場可有效覆蓋待檢區，同時對人工試塊內表面和外表面自身高度為0.3mm開口的人工缺陷有明顯的反射回波，且檢測信噪比＞20dB。為了進一步驗證仿真模擬結果的可靠性，采用與上述仿真模擬相同的相控陣超聲波檢測儀器和工藝進行人工試塊的相控陣試驗，人工試塊與仿真模擬使用的人工試塊相同，均與被檢氧分離器材質和規格相同，具體為材質：316L，規格：φ219×6mm。人工缺陷尺寸參數見表1，表面狀態與現場被檢氧分離器相同。

為了測試聲束的可達性，在人工試塊截面曲率變化最大位置的內外表面，各加工了3個人工缺陷，缺陷的位置與焊縫方向垂直（與氧分離器應力腐蝕裂紋方向一致），缺陷尺寸見表1，缺陷示意見圖3。

相控陣超聲波聲束掃描方向與焊縫平行，扇掃角度為30°～65°，聚焦方式采用深度聚焦；從正反兩個方向在外表面分別對人工試塊周向掃查，在軸向方向移動探頭掃查時，移動距離應有不小于15%的重疊覆蓋率[4]。檢測人員實施人工試塊的相控陣超聲波檢測，如圖5所示。

圖5 檢測人員實施人工試塊的相控陣超聲波檢測

試驗結果表明，人工模擬試塊內外表面的6個人工缺陷，正反兩次掃查都能明顯地檢測出來，信噪比較好。人工試塊內外壁0.3mm自身高度人工刻槽缺陷相應效果如圖6所示。分析可知，對于檢測自身高度為5%壁厚的人工缺陷，檢測效果良好。

圖6 封頭內外壁0.3mm自身高度人工刻槽缺陷效果

4 現場檢測

基于上述仿真模擬和人工試塊檢測結果可知，上述相控陣超聲波檢測工藝能滿足該核電廠氧分離器應力腐蝕裂紋的檢出要求。

上述封頭失效漏液的氧分離器經返修和無損檢測合格后重新投入運行。運行一年后，近期對該氧分離器進行定期檢查，采用上述相控陣超聲波檢測工藝實施檢測，結果發現存在軸向應力腐蝕裂紋回波顯示，如圖7所示。電廠將氧分離器封頭切割后返修，打磨一定深度后實施滲透檢測，在相控陣超聲波檢測出缺陷的位置發現了裂紋類缺陷顯示，如圖8所示。由此可見，采用上述相控陣超聲波檢測技術檢查氧分離器應力腐蝕裂紋是可行的。

圖7 氧分離器封頭缺陷效果

圖8 氧分離器封頭滲透檢測結果

5 結束語

本文結合CIVA仿真模擬、試驗和現場檢測，研究和驗證了相控陣超聲波檢測氧分離器應力腐蝕裂紋的可行性，得出了以下結論。

1）CIVA仿真研究表明，選用合適相控陣檢測工藝探頭聲場能有效覆蓋待檢測區域，對于檢測自身高度為5%壁厚的人工缺陷，有明顯的反射回波，且檢測信噪比＞20dB。

2）采用人工試塊試驗研究表明，上述仿真模擬的相控陣超聲波檢測工藝能檢出自身高度0.3mm的模擬人工缺陷，且信噪比滿足檢測需要。

3）在現場采用上述相控陣超聲波檢測工藝對氧分離器進行定期在役檢查，發現了軸向應力腐蝕裂紋回波顯示，且通過返修過程實施滲透檢測，證實了該裂紋顯示的存在。