強(qiáng)天鵬,陳永強(qiáng),王郁林,肖 雄,朱 勇,陳立義

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院,南京 210003;2.金陵石化公司壓力容器檢驗(yàn)中心,南京 210033;3.江蘇中特創(chuàng)業(yè)設(shè)備檢測(cè)有限公司,南京 210014)

加氫反應(yīng)器是石化裝置的關(guān)鍵設(shè)備,長(zhǎng)期在高溫、高壓、臨氫環(huán)境下運(yùn)行,會(huì)導(dǎo)致材料脆化,在應(yīng)力作用下產(chǎn)生開(kāi)裂。裂紋較多出現(xiàn)在凸臺(tái)和法蘭密封槽等應(yīng)力集中部位[1],裂紋的存在和擴(kuò)展降低了反應(yīng)器的安全性能。對(duì)反應(yīng)器安全性能評(píng)估迫切需要獲得裂紋的精確尺寸,尤其是裂紋自身高度的數(shù)據(jù),因此裂紋高度的精確測(cè)量成為安全評(píng)估是否可靠的關(guān)鍵。筆者對(duì)凸臺(tái)和法蘭密封槽裂紋高度測(cè)量進(jìn)行了研究,以下介紹一種應(yīng)用特殊工裝和工藝的TOFD超聲技術(shù),對(duì)奧氏體不銹鋼鍛件法蘭密封槽裂紋高度進(jìn)行測(cè)定的方法。

1 檢測(cè)對(duì)象

圖1 法蘭密封槽結(jié)構(gòu)與尺寸

圖1所示US321奧氏體鍛件法蘭,采用凸面榫槽型密封結(jié)構(gòu)(梯形密封槽),晶粒度1～2級(jí)。使用中因材料脆化和應(yīng)力集中,引起梯形槽底內(nèi)、外側(cè)R處開(kāi)裂。裂紋宏觀形貌為環(huán)向微曲斷續(xù)狀分布(圖2),解剖顯示裂紋深度走向基本垂直于表面,曲折連續(xù)有分叉。

圖2 密封槽裂紋宏觀照片

2 裂紋高度測(cè)量的難點(diǎn)分析

滲透檢測(cè)方法可有效檢測(cè)法蘭密封槽裂紋及長(zhǎng)度,但無(wú)法檢測(cè)和定量裂紋高度。渦流檢測(cè)、電導(dǎo)率測(cè)深方法定量精度很低、效果差。因結(jié)構(gòu)原因,射線檢測(cè)、脈沖反射法超聲檢測(cè)均無(wú)法實(shí)施。筆者曾嘗試采用相控陣檢測(cè)方法,但有關(guān)仿真試驗(yàn)[2]表明,應(yīng)用該方法時(shí)裂紋檢測(cè)靈敏度和高度測(cè)量精度較低。

TOFD檢測(cè)方法是一種可精確測(cè)定缺陷高度的新技術(shù)。它采用一收一發(fā)探頭組,相對(duì)缺陷同面對(duì)稱布置,檢測(cè)缺陷上、下端點(diǎn)衍射信號(hào),以D,B掃描黑白圖像顯示缺陷端點(diǎn)位置,用專用分析軟件計(jì)算兩者間時(shí)差,來(lái)測(cè)量缺陷的長(zhǎng)度和高度[3]。

然而,對(duì)法蘭密封槽裂紋而言,由于結(jié)構(gòu)及尺寸的限制,可供選擇的有效檢測(cè)面少、探頭組同面對(duì)稱布置難以實(shí)現(xiàn),加上US321鍛件晶粒較粗,檢測(cè)圖像信噪比較低。需要對(duì)TOFD檢測(cè)方法加以改進(jìn),才能實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用。

3 法蘭密封槽裂紋TOFD法檢測(cè)和定量

3.1 模擬裂紋試塊和自然裂紋試塊

利用反應(yīng)器上更換下的法蘭,制作密封槽模擬裂紋試塊(圖3)。采用電火花方法加工模擬裂紋(表1),保留帶裂紋的法蘭部分為自然裂紋試塊。

圖3 法蘭密封槽模擬裂紋試塊

3.2 探頭布置及掃查裝置

檢測(cè)面選擇密封面,采用異面非對(duì)稱探頭布置方式,研制專用探頭(5MHz,φ6mm,60°)和專用掃查裝置(圖 4),以滿足不同規(guī)格法蘭密封槽裂紋檢測(cè)掃查的需要。

表1 法蘭密封槽模擬裂紋尺寸(長(zhǎng)度×高度) mm

3.3 探頭選擇

利用圖3所示模擬試塊,分別采用不同頻率、晶片尺寸和斜楔角度的探頭組,對(duì)密封槽內(nèi)、外側(cè)模擬裂紋進(jìn)行檢測(cè)和定量試驗(yàn),以確保對(duì)較小裂紋的識(shí)別(信噪比＞6dB)。

圖4 專用掃查裝置

3.4 模擬裂紋的檢測(cè)和定量

圖5和6是對(duì)密封槽內(nèi)、外側(cè)模擬裂紋的TOFD檢測(cè)B掃圖像,其從左至右的加工尺寸見(jiàn)表1的序號(hào)1～8?？梢?jiàn),單個(gè)的5mm×1mm模擬裂紋可檢出。

對(duì)不同深度范圍的模擬裂紋,分別采用不同參數(shù)進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)[4],測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 模擬裂紋測(cè)量結(jié)果(長(zhǎng)度×高度) mm

從表2結(jié)果可見(jiàn),高度測(cè)量誤差最大值為0.3mm。長(zhǎng)度測(cè)量誤差大是因環(huán)形掃查時(shí)編碼器位置造成的,完全可以通過(guò)校準(zhǔn)和計(jì)算修正[4],控制在應(yīng)有的范圍。

3.5 自然裂紋的檢測(cè)和定量

采用模擬裂紋檢測(cè)和定量的工藝,對(duì)圖4所示的密封槽自然裂紋進(jìn)行檢測(cè),得到圖7和8所示B掃描圖像。圖7顯示,直通波不是一條直線,并有明顯的波浪,峰谷差測(cè)量值＜1.0mm。圖8圖像右側(cè)為較深自然裂紋部位,測(cè)量值為2.1mm。

3.6 自然裂紋的解剖

對(duì)圖7相應(yīng)自然裂紋部位解剖,確認(rèn)裂紋高度最大為0.5mm。對(duì)圖8相應(yīng)自然裂紋部位,取裂紋高度較大區(qū)段解剖,采用PT法和顯微方法測(cè)得裂紋高度,結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 自然裂紋高度測(cè)量值 mm

表3顯示自然裂紋最大高度測(cè)量值為2.5mm,與TOFD方法最大測(cè)量值2.1mm相比,誤差為-0.4mm。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)采用特殊的TOFD超聲檢測(cè)工藝,結(jié)合專用工裝和專用探頭,可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器法蘭密封槽裂紋的檢測(cè)和定量。

(2)法蘭密封槽裂紋的檢測(cè)靈敏度達(dá)到5mm×1mm(長(zhǎng)度×高度),裂紋高度測(cè)量誤差＜0.5mm,完全滿足工程應(yīng)用中反應(yīng)器安全評(píng)估的要求。

(3)該技術(shù)適用于多種規(guī)格和材質(zhì)法蘭密封槽裂紋的檢測(cè)和定量,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]孫永令,彭云,馬成東,等.加氫反應(yīng)器應(yīng)力有限元分析報(bào)告[R].北京：北京鋼鐵研究總院,2009.

[2]李志軍.法蘭試件檢測(cè)仿真報(bào)告[R].北京：麥瑞克斯技術(shù)(北京)有限公司,2008.

[3]強(qiáng)天鵬.超聲衍射時(shí)差(TOFD)檢測(cè)技術(shù)[M].北京：全國(guó)特種設(shè)備無(wú)損檢測(cè)人員考委會(huì),2008.

[4]陳永強(qiáng),王郁林,朱勇,等.加氫反應(yīng)器法蘭密封槽裂紋檢測(cè)和定量研究報(bào)告[R].南京：中石化集團(tuán)金陵分公司,2009.