王 杜 沈正祥 陳 虎 錢盛杰 曹 建

（1.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院新技術(shù)應(yīng)用中心；2.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）管道運(yùn)輸公司安全環(huán)保部）

石油、天然氣及煤化工等工業(yè)中廣泛存在硫化氫腐蝕問(wèn)題，硫化氫不僅會(huì)造成設(shè)備全面或局部腐蝕，而且還會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SSCC）、氫致開(kāi)裂（HIC）等脆性斷裂事故［1］。 壓力容器或管道一旦發(fā)生此類安全事故，往往會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失和災(zāi)難性后果，因此研究硫化氫腐蝕機(jī)理及其檢測(cè)技術(shù)，對(duì)防止事故發(fā)生，提升化工過(guò)程安全都有十分重要的意義［2］。

超聲相控陣是一種先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其探頭是通過(guò)多個(gè)晶片的陣列組合控制波陣面的形狀和入射方向，且無(wú)需改變掃查方式，即可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行不同角度、全體積的檢測(cè)，并通過(guò)高清圖像將檢測(cè)結(jié)果顯示出來(lái)。 相控陣技術(shù)能明顯降低缺陷的漏檢率，提高檢測(cè)的可靠性，已被廣泛應(yīng)用于容器、管道以及其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的損傷檢測(cè)［3，4］。 為應(yīng)付各種復(fù)雜條件下的檢測(cè)需求，超聲相控陣技術(shù)需要不斷發(fā)展和創(chuàng)新，Robert S 等提出了一種實(shí)時(shí)自適應(yīng)全聚焦成像方法（ATFM），既能獲取高質(zhì)量的檢測(cè)圖像，又能大幅降低運(yùn)算 時(shí)間［5］；Harrich X 和 Coperet P 開(kāi)發(fā) 了一種高效率的超聲相控陣掃描技術(shù)，通過(guò)正弦激勵(lì)信號(hào)結(jié)合組合延遲法則，從而實(shí)現(xiàn)快速掃描［6］；張昊等采用斷層掃描和全矩陣捕捉的方法獲取了成像數(shù)據(jù)，并基于體素插值還原出了三維圖像［7］；在仿真軟件方面，Xie Y 等將 FEM 和 FDTD方法同時(shí)應(yīng)用于電磁超聲相控陣聲場(chǎng)特性的模擬計(jì)算中，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性［8］； Hamidi S 基于惠更斯原理和瑞利索末菲衍射積分法，建立了雙層介質(zhì)超聲相控陣檢測(cè)模型［9］。近年來(lái)，一些機(jī)構(gòu)和公司為進(jìn)行聲場(chǎng)特性分析、 工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化， 開(kāi)發(fā)了諸如 CIVA、SimSUNDT、ACTRAN、COMSOL Multiphysic 及Image3D 等仿真軟件［10］。 雖然我國(guó)超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的研究起步較晚，但近年來(lái)隨著進(jìn)口儀器的引進(jìn)和國(guó)內(nèi)廠家的攻關(guān)開(kāi)發(fā)，該技術(shù)在我國(guó)承壓設(shè)備安全領(lǐng)域開(kāi)始逐步應(yīng)用，如在國(guó)家西氣東輸工程長(zhǎng)輸管道焊縫檢測(cè)和重要鍋爐、壓力容器的焊縫檢測(cè)等工程應(yīng)用［11，12］。 鑒于此，筆者以濕硫化氫氛圍下某在役壓力容器為研究對(duì)象，對(duì)常規(guī)定檢發(fā)現(xiàn)的容器厚度異常部位，采用超聲相控陣技術(shù)進(jìn)行診斷檢測(cè)，并結(jié)合金相分析討論了容器腐蝕開(kāi)裂的形成機(jī)制。

1 超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)

1.1基本原理

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是按照特定的規(guī)則，利用電子系統(tǒng)控制多晶片組成的換能器，通過(guò)改變換能器中陣元激勵(lì)（或接收）脈沖的時(shí)間延遲，改變由各陣元發(fā)射（或接收）聲波到達(dá)（或來(lái)自）物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)位置和方向的變化， 從而完成波陣面各波束合成及成像，一般可得到 A、B、C、S 及 3D 等掃描成像［13］。 與其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比， 相控陣檢測(cè)技術(shù)的靈敏度高，檢測(cè)結(jié)果可信度高并能三維成像顯示，可適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)及工件的損傷檢測(cè)等。

1.2硫化氫腐蝕損傷模擬試驗(yàn)

通過(guò)人工試板模擬氫鼓泡和氫致開(kāi)裂損傷，并對(duì)相控陣技術(shù)的檢測(cè)能力進(jìn)行試驗(yàn)［14］。 人工試板的編號(hào)為①和②，其中試板①模擬內(nèi)表面鼓泡缺陷，試板②模擬氫致開(kāi)裂缺陷，分別與表面成10°和 20°傾角（圖1）。

圖1 人工試板的模擬缺陷

使用ISONIC2009 型超聲波相控陣檢測(cè)儀對(duì)人工試板進(jìn)行損傷檢測(cè)， 主要配置為5MHz64P1相控陣探頭、ODI 編碼器和直楔塊， 檢測(cè)方式為垂直線性檢測(cè)加A、B、C 掃描成像。

為模擬從外部檢測(cè)內(nèi)表面缺陷，試板①檢測(cè)時(shí)將探頭放置在試板背面，掃查方向平行于缺陷長(zhǎng)度方向。 檢測(cè)結(jié)果如圖2 所示，其中圖譜左上方為缺陷深度，右上方為缺陷長(zhǎng)度和寬度（掃查方向），中間的側(cè)視圖表示缺陷的深度和長(zhǎng)度，最下方為B 掃截面圖， 可表示任意時(shí)刻的缺陷深度。 表1 為試板①的缺陷（深度、長(zhǎng)度、寬度）檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，缺陷尺寸的測(cè)量值與實(shí)際值的誤差分別為 4.60%、0.75%、0.79%，均低于 10%，可知相控陣檢測(cè)技術(shù)的測(cè)量精度符合要求。

圖2 試板①的相控陣圖譜

表1 缺陷尺寸的檢測(cè)結(jié)果 mm

試板②的檢測(cè)結(jié)果如圖3 所示， 當(dāng)傾角為10°時(shí)，反射波較高，且底面反射波斷開(kāi)，其傾角值也可直接從圖譜讀?。划?dāng)傾角為20°時(shí)，因角度變大，探頭不能接收到缺陷的全部反射波，因此反射波被斷開(kāi)，但可綜合底面反射波和缺陷回波情況對(duì)缺陷進(jìn)行判斷，可見(jiàn)相控陣檢測(cè)技術(shù)同樣適合氫致開(kāi)裂的模擬缺陷。 另外，還通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)和解剖驗(yàn)證，總結(jié)出了在役壓力容器母材中分層和濕硫化氫損傷的相控陣圖譜特征。

2 工程案例

某壓力容器材料為 Q345R 鋼， 壁厚為32mm，工作壓力為 1.2～2.0MPa，溫度為 120℃，工作介質(zhì)的硫化氫含量為0.02%，同時(shí)含有水蒸氣，屬于典型的濕硫化氫環(huán)境。 通過(guò)超聲波常規(guī)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)容器筒體上部的厚度存在異常，壁厚減薄幅度達(dá)48%～57%， 初步判斷該區(qū)域可能存在濕硫化氫損傷。 為進(jìn)一步確認(rèn)損傷特征，采用相控陣垂直線性C 掃描與斜入射扇形C 掃描方式，對(duì)容器第1 個(gè)筒節(jié)內(nèi)壁沿著上封頭環(huán)縫的下部進(jìn)行環(huán)向掃查，同時(shí)從內(nèi)壁沿著該筒節(jié)縱縫兩側(cè)進(jìn)行縱向掃查，掃查路徑用虛線表示，區(qū)域編號(hào)為1#；對(duì)容器第1 個(gè)筒節(jié)的下部分靠近環(huán)縫部位環(huán)向掃查近1m，掃查路徑也用紅色虛線表示，區(qū)域編號(hào)為 2#（圖4）。

圖3 試板②的相控陣圖譜

圖4 壓力容器的檢測(cè)部位

3 檢測(cè)結(jié)果與分析

采用相控陣垂直線性C 掃描1#區(qū)域得到的典型的缺陷圖譜如圖5 所示，其中A 掃為左方超聲波形圖，缺陷的波幅較高、毛刺較多，底波波幅較高；B 掃為左上端面圖，D 掃為右下俯視圖，兩者的缺陷成像都比較平直；C 掃為右上俯視圖，缺陷成像無(wú)規(guī)律，成像顏色雜亂；最下方的3D 成像可直觀地反映缺陷形貌，可看出容器1#區(qū)域壁厚中部14mm 處存在缺陷分布帶， 寬度范圍分別為2.0、2.2、2.6mm。

圖5 1#區(qū)域垂直線性C 掃描的缺陷圖譜

如圖6 所示，1#區(qū)域的相控陣縱向斜入射扇形C 掃描得到的缺陷回波很小， 基本位于Ⅰ區(qū)，環(huán)向斜入射扇形C 掃描基本上未見(jiàn)缺陷回波，說(shuō)明壁厚方向上缺陷暫未形成臺(tái)階狀開(kāi)裂形貌。 綜上分析可知，容器1#區(qū)域內(nèi)的缺陷基本與母材表面平行， 單個(gè)缺陷自身寬度均在2.6mm 以內(nèi)，且缺陷分布的深度范圍為14.0～16.6mm。 對(duì)容器環(huán)縫附近的2#區(qū)域分別進(jìn)行相控陣垂直線性和斜入射扇形掃描， 檢測(cè)結(jié)果如圖7 所示， 未發(fā)現(xiàn)缺陷。

圖6 1#區(qū)域斜入射扇形掃描的圖譜

圖7 2#區(qū)域的相控陣圖譜

4 腐蝕開(kāi)裂機(jī)制探討

圖8 容器材料的金相組織

對(duì)容器1#區(qū)域取樣進(jìn)行組織分析，容器材料的微觀組織主要為鐵素體與珠光體（圖8），拉長(zhǎng)且呈帶狀分布，晶粒度約為8 級(jí)。 一般來(lái)說(shuō)，帶狀組織會(huì)使材料的總體力學(xué)性能下降，嚴(yán)重影響后續(xù)的加工與使用性能［15］。

通過(guò)金相觀察還發(fā)現(xiàn)，容器材料腐蝕后中心部位有類似軋制帶的條狀裂紋，沿珠光體組織擴(kuò)展并貫穿整個(gè)試樣， 初步判斷是帶狀組織增加Q345R 鋼的氫致裂紋的敏感性；因?yàn)榱蚧瘹渑c鋼表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的氫原子在應(yīng)力場(chǎng)作用下不斷滲透到基體內(nèi)部，并在結(jié)構(gòu)缺陷處積聚成氫分子；當(dāng)氫分子濃度增加，氫壓逐漸升高，如果超過(guò)斷裂強(qiáng)度，材料便會(huì)形成微裂紋；這種不需外力形成的裂紋一般會(huì)出現(xiàn)在材料軋制面，隨著氫分子源源不斷加入，裂紋向前擴(kuò)展并相互連接貫通。 由于偏析的珠光體組織處于鐵素體界面，且位錯(cuò)密度較高，能夠加速氫原子沿位錯(cuò)通道擴(kuò)展， 促進(jìn)這種氫致裂紋在偏析帶形成與長(zhǎng)大，因此這種偏析的帶狀組織可認(rèn)為是裂紋形成根源。

5 結(jié)論

5.1針對(duì)壓力容器典型的濕硫化氫腐蝕問(wèn)題，通過(guò)人工試板模擬氫鼓泡和氫致開(kāi)裂損傷，對(duì)超聲相控陣技術(shù)的檢測(cè)能力進(jìn)行試驗(yàn)，缺陷的檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際尺寸的誤差均在10%以內(nèi)，表明該技術(shù)能較好地滿足設(shè)備濕硫化氫損傷的檢測(cè)需求。

5.2對(duì)某壓力容器的壁厚異常部位進(jìn)行相控陣診斷分析， 發(fā)現(xiàn)多處與母材表面平行的腐蝕裂紋，寬度均在2.6mm 以內(nèi)，且分布的深度范圍為14.0～16.6mm； 結(jié)合金相分析結(jié)果， 初步認(rèn)為是Q345R 鋼的帶狀組織導(dǎo)致力學(xué)性能降低，增加氫致裂紋的敏感性。