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        基于陣列渦流和全聚焦相控陣技術(shù)的承壓設(shè)備應(yīng)力腐蝕開裂檢測

        2021-06-08 03:02:58張子健沈建民柴軍輝吳家喜張小龍
        無損檢測 2021年5期
        關(guān)鍵詞:裂紋焊縫檢測

        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。

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