王 杜 沈正祥 陳 虎 錢盛杰 曹 建

（1.寧波市特種設(shè)備檢驗研究院新技術(shù)應(yīng)用中心；2.陜西延長石油（集團）管道運輸公司安全環(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題，硫化氫不僅會造成設(shè)備全面或局部腐蝕，而且還會導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂（SSCC）、氫致開裂（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，往往會造成重大經(jīng)濟損失和災(zāi)難性后果，因此研究硫化氫腐蝕機理及其檢測技術(shù)，對防止事故發(fā)生，提升化工過程安全都有十分重要的意義［2］。

超聲相控陣是一種先進的無損檢測技術(shù)，其探頭是通過多個晶片的陣列組合控制波陣面的形狀和入射方向，且無需改變掃查方式，即可對目標(biāo)進行不同角度、全體積的檢測，并通過高清圖像將檢測結(jié)果顯示出來。 相控陣技術(shù)能明顯降低缺陷的漏檢率，提高檢測的可靠性，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［3，4］。 為應(yīng)付各種復(fù)雜條件下的檢測需求，超聲相控陣技術(shù)需要不斷發(fā)展和創(chuàng)新，Robert S 等提出了一種實時自適應(yīng)全聚焦成像方法（ATFM），既能獲取高質(zhì)量的檢測圖像，又能大幅降低運算 時間［5］；Harrich X 和 Coperet P 開發(fā) 了一種高效率的超聲相控陣掃描技術(shù)，通過正弦激勵信號結(jié)合組合延遲法則，從而實現(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方法同時應(yīng)用于電磁超聲相控陣聲場特性的模擬計算中，并通過試驗驗證了模擬結(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)超聲相控陣檢測模型［9］。近年來，一些機構(gòu)和公司為進行聲場特性分析、 工藝設(shè)計和優(yōu)化， 開發(fā)了諸如 CIVA、SimSUNDT、ACTRAN、COMSOL Multiphysic 及Image3D 等仿真軟件［10］。 雖然我國超聲相控陣檢測技術(shù)的研究起步較晚，但近年來隨著進口儀器的引進和國內(nèi)廠家的攻關(guān)開發(fā)，該技術(shù)在我國承壓設(shè)備安全領(lǐng)域開始逐步應(yīng)用，如在國家西氣東輸工程長輸管道焊縫檢測和重要鍋爐、壓力容器的焊縫檢測等工程應(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象，對常規(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)進行診斷檢測，并結(jié)合金相分析討論了容器腐蝕開裂的形成機制。

1 超聲相控陣檢測技術(shù)

1.1基本原理

超聲相控陣檢測技術(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，通過改變換能器中陣元激勵（或接收）脈沖的時間延遲，改變由各陣元發(fā)射（或接收）聲波到達（或來自）物體內(nèi)某點時的相位關(guān)系，實現(xiàn)聚焦點位置和方向的變化， 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］。 與其他無損檢測技術(shù)相比， 相控陣檢測技術(shù)的靈敏度高，檢測結(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)及工件的損傷檢測等。

1.2硫化氫腐蝕損傷模擬試驗

通過人工試板模擬氫鼓泡和氫致開裂損傷，并對相控陣技術(shù)的檢測能力進行試驗［14］。 人工試板的編號為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儀對人工試板進行損傷檢測， 主要配置為5MHz64P1相控陣探頭、ODI 編碼器和直楔塊， 檢測方式為垂直線性檢測加A、B、C 掃描成像。

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

圖2 試板①的相控陣圖譜

表1 缺陷尺寸的檢測結(jié)果 mm

試板②的檢測結(jié)果如圖3 所示， 當(dāng)傾角為10°時，反射波較高，且底面反射波斷開，其傾角值也可直接從圖譜讀取；當(dāng)傾角為20°時，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，但可綜合底面反射波和缺陷回波情況對缺陷進行判斷，可見相控陣檢測技術(shù)同樣適合氫致開裂的模擬缺陷。 另外，還通過大量現(xiàn)場檢測試驗和解剖驗證，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%，同時含有水蒸氣，屬于典型的濕硫化氫環(huán)境。 通過超聲波常規(guī)檢測發(fā)現(xiàn)容器筒體上部的厚度存在異常，壁厚減薄幅度達48%～57%， 初步判斷該區(qū)域可能存在濕硫化氫損傷。 為進一步確認(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，對容器第1 個筒節(jié)內(nèi)壁沿著上封頭環(huán)縫的下部進行環(huán)向掃查，同時從內(nèi)壁沿著該筒節(jié)縱縫兩側(cè)進行縱向掃查，掃查路徑用虛線表示，區(qū)域編號為1#；對容器第1 個筒節(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)域編號為 2#（圖4）。

圖3 試板②的相控陣圖譜

圖4 壓力容器的檢測部位

3 檢測結(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 掃描基本上未見缺陷回波，說明壁厚方向上缺陷暫未形成臺階狀開裂形貌。 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。 對容器環(huán)縫附近的2#區(qū)域分別進行相控陣垂直線性和斜入射扇形掃描， 檢測結(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 腐蝕開裂機制探討

圖8 容器材料的金相組織

對容器1#區(qū)域取樣進行組織分析，容器材料的微觀組織主要為鐵素體與珠光體（圖8），拉長且呈帶狀分布，晶粒度約為8 級。 一般來說，帶狀組織會使材料的總體力學(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，沿珠光體組織擴展并貫穿整個試樣， 初步判斷是帶狀組織增加Q345R 鋼的氫致裂紋的敏感性；因為硫化氫與鋼表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的氫原子在應(yīng)力場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，如果超過斷裂強度，材料便會形成微裂紋；這種不需外力形成的裂紋一般會出現(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，且位錯密度較高，能夠加速氫原子沿位錯通道擴展， 促進這種氫致裂紋在偏析帶形成與長大，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針對壓力容器典型的濕硫化氫腐蝕問題，通過人工試板模擬氫鼓泡和氫致開裂損傷，對超聲相控陣技術(shù)的檢測能力進行試驗，缺陷的檢測結(jié)果與實際尺寸的誤差均在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需求。

5.2對某壓力容器的壁厚異常部位進行相控陣診斷分析， 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。