胡 健，張子健，沈建民，柴軍輝,，許 波，吳家喜，張小龍

(1.寧波市勞動安全技術(shù)服務(wù)有限公司，寧波 315048；2.寧波市特種設(shè)備檢驗研究院，寧波 315048)

不銹鋼承壓設(shè)備的應(yīng)力腐蝕開裂通常發(fā)生在材料與腐蝕介質(zhì)接觸的表面，這種開裂往往沒有明顯的變形征兆，危害性極大，嚴(yán)重威脅到設(shè)備的安全運行。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30579-2014中對這類開裂給出了相應(yīng)的檢測和監(jiān)測方法[1]：① 對材料表面進行目視檢測和對可疑部位進行滲透檢測;② 對管道、熱交換器管束和設(shè)備表面進行渦流檢測。

陣列渦流檢測技術(shù)采用電子方式驅(qū)動同一個探頭中的多個相鄰檢測線圈，并借助渦流儀器強大的分析、計算及處理功能，實現(xiàn)對材料的快速有效檢測。GB/T 34362-2017標(biāo)準(zhǔn)指出了陣列渦流技術(shù)可以用于檢測材料表面的裂紋，相比于傳統(tǒng)的滲透檢測，陣列渦流檢測具有單次掃查覆蓋面積大、檢測效率高、對不同方向的缺陷具有相同的靈敏度、無需打磨處理、柔性探頭耦合性好、數(shù)據(jù)可實時保存、可測量裂紋深度等優(yōu)點。

對于承壓設(shè)備應(yīng)力腐蝕裂紋的在線檢測，相控陣超聲全聚焦成像(TFM)技術(shù)是一種有效的方法，其對微小裂紋具有較高的分辨力，能基本還原缺陷的形貌，有利于缺陷的定性，能極大地提高測量精度。

以某化工企業(yè)的一臺材料為S31603的立式反應(yīng)釜為研究對象，對其內(nèi)表面采用陣列渦流技術(shù)，外表面采用基于TFM的相控陣超聲技術(shù)進行了檢測，并與滲透檢測結(jié)果進行了比對，為奧氏體不銹鋼承壓設(shè)備的氯化物應(yīng)力腐蝕開裂檢測提供了一種新的思路。

1 檢測原理

1.1 陣列渦流檢測原理

陣列渦流技術(shù)與傳統(tǒng)渦流技術(shù)具有相同的檢測原理。將通入交變電流的激勵線圈放置在導(dǎo)電部件上時，導(dǎo)體表面會產(chǎn)生渦流，導(dǎo)體中的缺陷會干擾渦流路徑，這種干擾可以通過檢測線圈來測量，進而判斷出缺陷的情況[2]。陣列渦流探頭具有多個獨立工作的線圈，這些線圈按照特殊的方式排布，激勵線圈和檢測線圈之間形成兩種方向相互垂直的電磁場傳遞方式，可減少因缺陷方向造成的漏檢，并且可實現(xiàn)一次性大面積掃查，得到C掃描成像結(jié)果。為了保證激勵磁場和感應(yīng)磁場之間不相互干擾，陣列渦流技術(shù)通常采用多路切換技術(shù)對感應(yīng)線圈進行分時、分批激勵。陣列渦流檢測的結(jié)果通常以C掃描顯示為主，同時生成阻抗圖和帶狀圖，通過不同的顏色顯示來判斷缺陷的情況[3]。

1.2 全聚焦相控陣檢測原理

全聚焦相控陣檢測過程主要包括兩個部分：全矩陣數(shù)據(jù)采集(FMC)和全聚焦成像算法。

全矩陣數(shù)據(jù)采集原理為假定相控陣探頭具有n個陣元，激發(fā)第一個陣元，所有陣元接收回波信號并儲存，按照此規(guī)律，依次激發(fā)所有陣元，最后采集得到n×n個時域超聲回波信號，因為被采集數(shù)據(jù)存儲在一個n行n列的矩陣中，所以稱之為全矩陣數(shù)據(jù)采集[4]。

全聚焦成像算法原理為針對所檢區(qū)域設(shè)定一個自定義成像區(qū)，得到任意一點到任意一對晶片組合的聲程，再以成像區(qū)中的聲程數(shù)據(jù)為依據(jù)，對FMC數(shù)據(jù)進行相干疊加處理，獲得表征該點信息的幅值。采用該算法得到自定義成像區(qū)內(nèi)每點的成像，最終達到各點能量高度聚焦的效果[5]。

2 現(xiàn)場檢測應(yīng)用

2.1 檢測對象

立式反應(yīng)釜的設(shè)計壓力為0.6 MPa，設(shè)計溫度為85 ℃，工作壓力為0.32 MPa，工作溫度為85 ℃，工作介質(zhì)為鹽酸和氧氣，容積為24.7 m3，內(nèi)徑為2 800 mm，筒體設(shè)計壁厚為10 mm，封頭設(shè)計厚度為14 mm。該容器在2017年12月首次定期檢驗時，經(jīng)射線和相控陣超聲檢測發(fā)現(xiàn)其下封頭與筒體的環(huán)焊縫上有1處條形缺陷，長為10 mm，缺陷高度為1.0 mm，根據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第8.5.10條，其安全狀況等級定為3級，該企業(yè)未進行返修，并計劃于2020年12月進行開罐檢驗。該不銹鋼立式反應(yīng)釜的損傷模式為氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。主要原因是介質(zhì)存在氯化物并含有溶解氧，且焊縫存在一定的焊接殘余應(yīng)力。

2.2 檢測設(shè)備

陣列渦流檢測采用OmniScan MX型設(shè)備(見圖1)，其最多支持64個線圈檢測，頻率為20 Hz6 MHz，可實現(xiàn)多頻掃查。檢測探頭為一種基于柔性印制電路板技術(shù)的正交陣列渦流探頭，可將其貼在焊縫和熱影響區(qū)上進行檢測。采用特制的MagnaFORM型掃查器，采用手動或半自動模式，通過單次掃查實現(xiàn)對包含熱影響區(qū)域在內(nèi)的整個焊縫表面的覆蓋檢測，從而提高了檢測效率。

圖1 陣列渦流檢測系統(tǒng)

全聚焦相控陣檢測采用的設(shè)備為GEKKO型便攜式相控陣探傷儀(見圖2)，其有128個通道，具有高分辨率成像功能和強大的矩陣數(shù)據(jù)處理能力。試驗采用64晶片，頻率為10 MHz的線陣探頭。

圖2 GEKKO型便攜式相控陣探傷儀外觀

2.3 檢測工藝

2.3.1 陣列渦流檢測

檢測前需進行探頭校準(zhǔn)，主要包括靈敏度補償和缺陷定量校準(zhǔn)。靈敏度補償?shù)闹饕僮鬟^程為：首先在標(biāo)準(zhǔn)試塊上平衡探頭；然后掃查整個標(biāo)準(zhǔn)試塊進行數(shù)據(jù)采集，選定缺陷后進行自動補償操作。缺陷定量校準(zhǔn)過程為：首先對標(biāo)準(zhǔn)試板進行掃查；然后對深度分別為0.5，1，2，3，4 mm的缺陷進行標(biāo)定。陣列渦流檢測頻率為300 kHz，探頭的驅(qū)動電壓為1.0 V，增益為35 dB，掃查速度為295 mm·s-1，一次掃查寬度為70 mm。在該參數(shù)下對立式反應(yīng)釜的下封頭環(huán)焊縫與熱影響區(qū)可疑部位進行C掃描成像。

2.3.2 全聚焦相控陣檢測

全聚焦相控陣檢測只需設(shè)置全聚焦范圍、分辨率和波型模式，試驗設(shè)置模型為平板模型，主要參數(shù)設(shè)置如下：全聚焦區(qū)域?qū)挾葹?0 mm，高度為16 mm；分辨率為8.5采樣點/mm；波型模式為LL(縱波-縱波)。

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 陣列渦流檢測結(jié)果

焊縫的陣列渦流C掃描成像結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，陣列渦流技術(shù)對于焊縫和熱影響區(qū)應(yīng)力腐蝕裂紋具有較高的檢出率。很多應(yīng)力腐蝕裂紋橫跨焊縫與熱影響區(qū)，陣列渦流檢測只能顯示裂紋的所在位置、大小和深度，無法呈現(xiàn)出應(yīng)力腐蝕裂紋的擴展形貌，這是因為陣列渦流檢測的分辨力和檢測線圈的直徑有關(guān)，無法達到滲透檢測的微米級精度，很難表現(xiàn)局部細(xì)節(jié)。后期還可以利用軟件進行設(shè)置，進一步增大缺陷的顯示對比度，通過缺陷顯示顏色、幅值和相位進行應(yīng)力腐蝕裂紋的深度評價。焊縫的陣列渦流檢測結(jié)果如表1所示。

圖3 焊縫的陣列渦流C掃描成像結(jié)果

表1 焊縫的陣列渦流檢測結(jié)果

2.4.2 全聚焦相控陣檢測結(jié)果

焊縫全聚焦相控陣檢測成像結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，采用全聚焦相控陣法從立式反應(yīng)釜外側(cè)檢測應(yīng)力腐蝕裂紋具有較高的檢出率和分辨率，因為全聚焦相控陣采用單個晶片產(chǎn)生入射波，多晶片采集不同角度信號，所以傾斜的底波信號清晰可見，能較真實地反映出裂紋的形貌和特征，可發(fā)現(xiàn)裂紋間相關(guān)聯(lián)的信號，受缺陷取向影響較小，對于裂紋的定位定量具有較高的準(zhǔn)確性。同時可以注意到，全聚焦相控陣具有較小的表面盲區(qū)，僅為0.5 mm左右，有利于近表面缺陷的檢測。全聚焦相控陣檢測結(jié)果如表2所示。

圖4 焊縫全聚焦相控陣檢測成像結(jié)果

表2 焊縫全聚焦相控陣檢測裂紋參數(shù) mm

2.4.3 滲透檢測結(jié)果

采用溶劑去除型滲透檢測法對焊縫進行檢測，滲透時間為10 min，顯像時間為10 min，滲透檢測結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，缺陷2為裂紋，橫跨焊縫與熱影響區(qū)，起源于熱影響區(qū)，有明顯的應(yīng)力腐蝕開裂特征，呈樹枝狀分叉形貌。由此可見，滲透檢測在一定程度上可以對缺陷進行定性分析，其檢測結(jié)果與陣列渦流檢測和全聚焦相控陣檢測結(jié)果具有較高的吻合性。

圖5 焊縫的滲透檢測結(jié)果

3 結(jié)語

(1) 采用陣列渦流技術(shù)從承壓設(shè)備內(nèi)表面對應(yīng)力腐蝕裂紋進行檢測，可檢出近表面埋藏較淺的缺陷，且可以進行數(shù)據(jù)保存和分析。

(2) 采用全聚焦相控陣技術(shù)從承壓設(shè)備外表面檢測應(yīng)力腐蝕裂紋，具有較高的檢出率和分辨力，對應(yīng)力腐蝕微小裂紋的定量和定性都具有較高的準(zhǔn)確性。