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        在用厚壁加氫反應(yīng)器的無損檢測(cè)技術(shù)

        2018-09-01 04:40:28,,,,
        無損檢測(cè) 2018年8期
        關(guān)鍵詞:筒體裂紋焊縫

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        (1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司,合肥 230031;2.國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心,合肥 230031)

        厚壁加氫反應(yīng)器是煉油工業(yè)進(jìn)行石油深度加工,提高油品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵設(shè)備之一。該類反應(yīng)器通常在高溫、高壓和臨氫條件下運(yùn)行,工作條件十分惡劣,故其安全性是一個(gè)很重要的問題,一旦發(fā)生事故,將帶來無法估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失。因此,對(duì)在用厚壁加氫反應(yīng)器的無損檢測(cè)方法進(jìn)行分析和探討,具有重要的意義。

        1 厚壁加氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        厚壁加氫反應(yīng)器的母材通常采用2.25Cr1Mo鋼板或鍛件,設(shè)計(jì)壁厚為80~300 mm。為抗硫化氫等腐蝕介質(zhì)的腐蝕,反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊有奧氏體不銹鋼堆焊層(其中309不銹鋼焊材作為過渡層,347不銹鋼焊材作為蓋面) ,設(shè)計(jì)壓力為8~20 MPa,設(shè)計(jì)溫度為370~410℃,工作介質(zhì)主要有油、H2、H2S,其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

        圖1 厚壁加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意

        厚壁加氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有:① 一般采用球形封頭;② 構(gòu)件采用凸臺(tái)支撐型式;③ 筒體一般采用鍛焊結(jié)構(gòu)的型式,單節(jié)同節(jié)整體鍛造無縱縫,筒體與筒體之間采用窄間隙U型坡口多層焊連接型式,接管與筒體之間采用嵌入式結(jié)構(gòu)連接型式,從而避免角焊縫連接;④ 筒體與裙座連接型式采用整體鍛環(huán)型式。

        2 常見焊接缺陷類型

        在制造過程中,厚壁加氫反應(yīng)器的焊縫會(huì)產(chǎn)生表面缺陷和內(nèi)部缺陷兩種。常見的表面缺陷有表面氣孔、表面未熔合、表面裂紋及表面咬邊、焊瘤、凹坑等。常見的內(nèi)部缺陷有氣孔、夾渣、夾鎢、未焊透、未熔合、裂紋等。而內(nèi)壁堆焊層則易出現(xiàn)熱裂紋、過渡區(qū)材料脆化和開裂,以及堆焊層下冷裂紋和再熱裂紋等缺陷。

        使用過程中,在高應(yīng)力的作用下焊縫中存在的未超標(biāo)缺陷、漏檢缺陷等易發(fā)生擴(kuò)展,從而影響設(shè)備的強(qiáng)度和性能,甚至?xí)s短設(shè)備的使用壽命。

        3 在用厚壁加氫反應(yīng)器主焊縫的無損檢測(cè)

        在用厚壁加氫反應(yīng)器主焊縫的檢測(cè)部位有主體對(duì)接縱、環(huán)焊縫,接管與筒體(或封頭) 連接焊縫。其主要的檢測(cè)方法有超聲檢測(cè)、TOFD檢測(cè)、磁粉檢測(cè)等方法。

        3.1 脈沖反射式超聲檢測(cè)

        在用厚壁加氫反應(yīng)器的定期檢驗(yàn),由于條件限制很難進(jìn)行射線檢測(cè),故超聲檢測(cè)成為了首選方法。厚壁加氫反應(yīng)器主焊縫采用窄間隙焊,常見的缺陷一般垂直于檢測(cè)面,因此可采用從筒體外壁選擇不同K值的斜探頭和不同K值探頭組合的方式對(duì)主焊縫進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)。同時(shí),使用單晶直探頭對(duì)斜探頭掃查母材區(qū)域進(jìn)行100%掃查,主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第3部分:超聲檢測(cè)》。

        (1) 板焊結(jié)構(gòu)厚壁加氫反應(yīng)器(厚度一般在80~200 mm間),通常采用CSK-ⅠA,CSK-ⅡA試塊校準(zhǔn)檢測(cè)靈敏度。

        (2) 鍛焊結(jié)構(gòu)厚壁加氫反應(yīng)器(厚度一般大于200 mm),常采用CSK-ⅣA試塊校準(zhǔn)檢測(cè)靈敏度。

        3.2 超聲TOFD檢測(cè)

        超聲TOFD檢測(cè)技術(shù)對(duì)垂直于表面的裂紋和未融合缺陷的檢測(cè)具有較高的靈敏度,TOFD檢測(cè)技術(shù)原理如圖2所示。

        圖2 TOFD檢測(cè)原理示意

        如圖2所示,TOFD技術(shù)主要采用一發(fā)一收的方式,其主要依靠脈沖聲波傳播的時(shí)間差來進(jìn)行缺陷定量,而信號(hào)幅值與缺陷定量沒有直接關(guān)系。檢測(cè)時(shí),發(fā)射探頭向試件內(nèi)發(fā)射超聲脈沖,經(jīng)試件上表面和底部到達(dá)接收探頭。沿上表面?zhèn)鞑サ闹蓖ú?LW)和由底面反射的底面回波(BW) 構(gòu)成固有的參考信號(hào);當(dāng)試件內(nèi)存在缺陷,則由缺陷兩尖端產(chǎn)生的缺陷衍射波也能到達(dá)接收探頭,缺陷波位于LW和BW之間,且當(dāng)缺陷有足夠的高度時(shí),兩尖端衍射波在時(shí)間上可分辨。

        TOFD檢測(cè)技術(shù)具有以下特點(diǎn):① 對(duì)面積型缺陷、埋藏缺陷、未熔合缺陷的檢測(cè)具有較高的可靠性。② 為缺陷性質(zhì)的判斷提供了一定的根據(jù)。③ 對(duì)表面及近表面缺陷、橫向裂紋檢出的可靠性較低,因此在TOFD檢測(cè)過程中,須附加常規(guī)脈沖反射式超聲檢測(cè)的橫向掃查,防止橫向缺陷的漏檢。④ TOFD檢測(cè)會(huì)生成B掃圖像,根據(jù)圖像可大致判斷出缺陷的類型和長度。

        圖3 某加氫反應(yīng)器主焊縫TOFD檢測(cè)圖譜

        某加氫反應(yīng)器主焊縫TOFD檢測(cè)圖像如圖3所示,從圖中能大致判斷出缺陷的類型和長度。缺陷①的信息為:距保溫帶424 mm,長度L=360 mm,深度H=97.35 mm,自身高度h=2.71 mm,線性缺陷,Ⅲ級(jí)。缺陷②的信息為:距保溫帶904 mm,長度L=38 mm,深度H=96.57 mm,自身高度h=2.34 mm,線性缺陷,Ⅲ級(jí)。

        3.3 磁粉檢測(cè)

        對(duì)加氫反應(yīng)器主焊縫、接管焊縫及管道對(duì)接焊縫外壁進(jìn)行磁粉檢測(cè),磁化方法采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)復(fù)合磁化法以及磁軛法。使用磁軛法時(shí)至少應(yīng)在兩個(gè)相互垂直的方向進(jìn)行磁化,可檢出不同取向的表面或近表面缺陷,以提高檢測(cè)效率和缺陷檢出的可靠性。磁粉檢測(cè)操作方法和步驟及工藝要求執(zhí)行NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)。

        4 主焊縫內(nèi)壁堆焊層的無損檢測(cè)

        4.1 堆焊層氫制剝離缺陷的超聲檢測(cè)

        加氫反應(yīng)器在制造過程中,堆焊層與母材界面上會(huì)形成碳化物析出的脆化區(qū),易形成未結(jié)合缺陷。加氫反應(yīng)器在使用過程中,氫大量擴(kuò)散到鋼中,母材與堆焊層的界面處因高濃度氫的聚集而引起氫脆,導(dǎo)致母材和堆焊層結(jié)合面剝離。氫制剝離缺陷大多平行于堆焊層和母材金屬的熔合面,一般不會(huì)影響反應(yīng)器的承載能力,但隨著設(shè)備的不斷使用,剝離面積會(huì)增大而導(dǎo)致內(nèi)件的脫落,腐蝕防護(hù)性能下降,介質(zhì)直接侵入母材,最終導(dǎo)致設(shè)備的失效。

        堆焊層氫制剝離缺陷的超聲檢測(cè)方法為:

        (1) 采用雙晶直探頭從堆焊層側(cè)檢測(cè)基材與堆焊層未結(jié)合缺陷,使用NB/T 47013.3-2015中T1、T2型試塊10 mm平底孔,如圖4,5所示。

        圖4 T1型試塊結(jié)構(gòu)示意

        圖5 T2型試塊結(jié)構(gòu)示意

        (2) 采用單直探頭從基材側(cè)檢測(cè)基材與堆焊層未結(jié)合缺陷,采用NB/T 47013.3-2015中T3型試塊10 mm平底孔,如圖6所示。

        圖6 T3型試塊結(jié)構(gòu)示意

        4.2 堆焊層內(nèi)部缺陷的超聲檢測(cè)

        加氫反應(yīng)器大多為雙層堆焊層,在制造時(shí),也會(huì)在兩層之間產(chǎn)生夾雜、未結(jié)合等缺陷。在使用過程中,這些缺陷會(huì)擴(kuò)展延伸。采用的檢測(cè)方法為:

        (1) 采用雙晶直探頭從堆焊層側(cè)檢測(cè)堆焊層內(nèi)部缺陷,使用NB/T 47013.3-2015中T1型試塊上右側(cè)4個(gè)3 mm平底孔繪制距離-波幅曲線。

        (2) 采用縱波雙晶斜探頭從堆焊層側(cè)檢測(cè)堆焊層內(nèi)部缺陷,使用NB/T 47013.3-2015中T2型試塊上右側(cè)4個(gè)1.5 mm橫孔繪制距離-波幅曲線。

        (3) 采用單直探頭從基材側(cè)檢測(cè)堆焊層內(nèi)部缺陷,使用NB/T 47013.3-2015中T3型試塊(見圖6)3 mm平底孔進(jìn)行調(diào)節(jié)。

        (4) 采用縱波斜探頭從基材側(cè)檢測(cè)堆焊層內(nèi)部缺陷,使用NB/T 47013.3-2015中T3型試塊1.5 mm橫孔進(jìn)行調(diào)節(jié)。

        4.3 堆焊層層下缺陷的超聲波檢測(cè)

        堆焊層界面層下缺陷前期發(fā)生于早期的厚壁加氫反應(yīng)器單層堆焊的制造工藝中,現(xiàn)在的兩層奧氏體不銹鋼堆焊層的制造工藝中很少會(huì)出現(xiàn)這種情況。

        反應(yīng)器在制造過程中,因堆焊層與Cr-Mo鋼母材交界面處存在硬的滲碳層,從而產(chǎn)生堆焊層層下裂紋,這種裂紋從堆焊層/基材接合面開始向母材延展且方向垂直于結(jié)合面。反應(yīng)器在使用過程中,隨著母材脆性的增加,微小的或潛在的層下再熱裂紋就有可能向母材擴(kuò)展。堆焊層層下缺陷的超聲波檢測(cè)方法為:

        (1) 采用雙晶直探頭從堆焊層側(cè)檢測(cè)堆焊層層下缺陷,使用NB/T 47013.3-2015中T1型試塊堆焊層下3 mm平底孔進(jìn)行調(diào)節(jié)。

        (2) 采用縱波雙晶斜探頭從堆焊層側(cè)檢測(cè)堆焊層下缺陷,使用NB/T 47013.3-2015中T2型試塊堆焊層下1.5 mm橫孔進(jìn)行調(diào)節(jié)。

        4.4 堆焊層表面缺陷的檢測(cè)

        厚壁加氫反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊有奧氏體不銹鋼堆焊層,主要檢測(cè)方法為目視和滲透檢測(cè)。根據(jù)大量的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn),不銹鋼堆焊層的表面裂紋主要集中在反應(yīng)器內(nèi)部支撐凸臺(tái)的部位、下封頭與筒體連接的手工堆焊過渡帶部位、鐵素體含量偏高或偏低的部位。

        在滲透檢測(cè)前應(yīng)用鋼絲刷進(jìn)行輕微打磨,清洗后再做滲透檢測(cè),對(duì)于較深的裂紋可用超聲波確定裂紋深度,確定是否擴(kuò)展到界面并進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。

        在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程中,厚壁加氫反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊層經(jīng)滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的表面裂紋示例,如圖7所示。

        圖7 某石化廠加氫反應(yīng)器堆焊層裂紋缺陷圖例

        5 法蘭密封槽堆焊層的無損檢測(cè)

        人孔和人孔蓋、接管和接管蓋的法蘭密封槽表面易產(chǎn)生表面裂紋,其多產(chǎn)生在密封槽底,有些向密封面延伸,呈現(xiàn)樹枝狀、徑向或環(huán)向多種形態(tài)。實(shí)際檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),使用CL-含量過高的密封膠,在螺栓預(yù)緊力作用下,可使堆焊層產(chǎn)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。此外,密封槽結(jié)構(gòu)尺寸不合,制造質(zhì)量不良也會(huì)萌生裂紋。

        目前,對(duì)于法蘭密封槽堆焊層的無損檢測(cè),宏觀檢查和滲透檢測(cè)是有效的檢測(cè)手段,某加氫反應(yīng)器法蘭密封槽經(jīng)滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的表面裂紋圖例如圖8所示。

        圖8 某石化廠加氫反應(yīng)器法蘭密封槽裂紋缺陷圖例

        6 外部構(gòu)件與筒體焊接處的無損檢測(cè)

        外部構(gòu)件與筒體焊接處的接管、裙座、吊耳、保溫支撐板、測(cè)溫凸臺(tái)等與筒體連接部位也易產(chǎn)生表面缺陷或埋藏缺陷,可采用宏觀檢查、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)和超聲檢測(cè)對(duì)可能產(chǎn)生的缺陷部位進(jìn)行檢測(cè)。某加氫反應(yīng)器裙座經(jīng)磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的表面裂紋,如圖9所示。

        圖9 某石化廠加氫反應(yīng)器裙座裂紋缺陷圖例

        7 結(jié)論

        (1) 合理選擇無損檢測(cè)方法對(duì)加氫反應(yīng)器的安全運(yùn)行極其重要。

        (2) 在用厚壁加氫反應(yīng)器主焊縫以脈沖反射式超聲檢測(cè)或超聲TOFD檢測(cè)方法為主,其表面質(zhì)量檢測(cè)采用磁粉檢測(cè)方法;內(nèi)壁堆焊層檢測(cè)主要采用脈沖反射式超聲檢測(cè)及滲透檢測(cè)方法,應(yīng)針對(duì)缺陷產(chǎn)生的部位及特點(diǎn),合理正確地選擇超聲探頭及試塊;法蘭密封槽堆焊層的無損檢測(cè),宏觀檢查和滲透檢測(cè)是有效的檢測(cè)手段。

        (3) 隨著新的無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展,聲發(fā)射檢測(cè)、磁記憶檢測(cè)及相控陣檢測(cè)等新技術(shù)都已開始在加氫反應(yīng)器的檢測(cè)中得到應(yīng)用。

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