宋雙官，郭妍瓊，許 可，田 利，于長樂，金彥楓

(1.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070； 2.機械工業(yè)上海藍亞石化設備檢測所有限公司，上海 201518； 3.中石油云南石化有限公司，昆明 650300；4.陜西恩埃姆檢測技術有限公司，西安 710075)

奧氏體不銹鋼的點蝕[1]主要產生于含氯離子的介質中，一般來說，氯離子含量越高越易引起點蝕，因為氯離子對材料的鈍化膜有破壞作用，并且當介質中有氧或酸存在時，金屬更易發(fā)生點蝕。

不論是奧氏體不銹鋼純材還是其復合板制壓力容器、壓力管道都無法避免氯離子引起的點蝕問題，在油氣輸送裝置中，點蝕更易發(fā)生。筆者通過近些年對中石油、中石化等企業(yè)的跟蹤，了解到介質(原油或天然氣)組分不穩(wěn)定，氯離子含量時常超標等因素引起設備出現點蝕破壞的情況十分普遍，嚴重影響了設備的安全運行。

圖1 典型的點蝕形貌示意

典型的點蝕形貌如圖1所示。奧氏體不銹鋼點蝕有以下特征：① 孔徑小，小的直徑只有幾微米，大的一般小于2 mm；② 洞口有腐蝕產物遮蓋；③ 金屬損失量??；④ 蝕孔通常沿重力方向生長。

1 相控陣超聲檢測技術

相控陣超聲檢測技術是利用計算機控制相控陣探頭來實現超聲波發(fā)射與接收的檢測方法[2]。該技術通過調整陣列換能器各陣元發(fā)射與接收的相位延遲，合成在一定范圍內有聚焦、偏轉等效果的聲束。相控陣超聲換能器由多個晶片組合而成，每個晶片的激發(fā)時間均由主機單獨控制，一個換能器可形成多種聲場，可提供比單個或多個換能器系統(tǒng)更大的檢測范圍和更強的檢測能力。檢測時，探頭前后位置不動，通過軟件調節(jié)參數可形成需要的聲束，檢測過程可實時成像。相控陣超聲檢測常見掃查方式如圖2所示。

2 試塊制作

試驗通過測試超聲波在不同材料中的衰減程度來確定實際檢測時的掃查靈敏度。筆者設計了不同材料不同缺陷參數的試塊，各類型試塊及其缺陷參數如表1所示(表中“24+3”為24 mm厚20鋼+3 mm厚316L)，試塊結構及缺陷分布如圖35所示(復合板材的缺陷加工在復合板側，焊縫試塊的缺陷位于焊縫中心)。試塊設計應滿足以下要求：① 便于實現缺陷的定量比對；② 模擬腐蝕孔要有一定的面積和深度，且形貌要與真實的腐蝕孔相近，因為淺(深度小于0.5 mm)而面積較大的單個腐蝕孔對容器、管道的安全性能影響甚微[3]，所以主要將模擬腐蝕孔設計為最大孔徑為2.0 mm，最大孔深為3.0 mm的平底孔[4]；

圖3 板材試塊結構及缺陷分布示意

圖4 復合板材試塊結構及缺陷分布示意

圖5 焊縫試塊結構及缺陷分布示意

③ 試塊加工的原材料不應存在任何缺陷，缺陷加工應符合標準GB/T 11259-2015 《無損檢測 超聲檢測用鋼參考試塊的制作與控制方法》 的要求。

表1 各類型試塊及其缺陷參數 mm

3 檢測試驗

3.1 檢測設備

試驗使用OmniScan MX型超聲檢測儀和5L64-38.4×10-A12-P-5-OM型線型相控陣探頭。探頭主軸長為38.4 mm，次主軸長為10 mm，頻率為5 MHz，晶片間距為0.6 mm，激發(fā)孔徑為8 mm，步進設置為1 mm。試驗設置激活陣元數為816(每次增加1)，檢測方式為單線陣檢測。

在試塊無缺陷平整光潔的表面處進行靈敏度校準，將其底面回波高度調至滿屏的80%并以此作為基準靈敏度，若在基準靈敏度下檢測效果不佳，則將增益增加6 dB作為檢測靈敏度；若仍無法有效發(fā)現人工缺陷，則將增益再增加6 dB進行檢測，若此時仍無法發(fā)現人工缺陷，則將該缺陷標記為無法檢出。

3.2 試驗數據

為減少重復及無意義的數據，在展示數據時，若某靈敏度下缺陷全部無法檢出，則不展示該靈敏度下的數據；若掃查靈敏度增大12 dB后仍全部無法檢出，則只展示掃查靈敏度增大12 dB時的數據；若增大掃查靈敏度不改變檢測結果，則只展示較低掃查靈敏度時的數據。

1號板材試塊的相控陣超聲檢測結果如表2所示[表中“×”表示未檢出，“√”表示可檢出，只給出2個參數的缺陷為平底孔缺陷(直徑×深度)，給出3個參數的缺陷為刻槽缺陷(長×寬×深)，下同]，成像結果如圖6所示。

表2 1號板材試塊的相控陣超聲檢測結果

圖6 1號板材試塊的相控陣超聲成像結果

2號板材試塊的相控陣超聲檢測結果如表3所示，成像結果如圖7所示。

復合板材試塊的相控陣超聲檢測結果如表4所示，成像結果如圖8所示。

表3 2號板材試塊的相控陣超聲檢測結果

圖7 2號板材試塊的相控陣超聲成像結果

表4 復合板材試塊的相控陣超聲檢測結果

圖8 復合板材試塊直徑為1 mm平底孔的相控陣超聲成像結果

對接焊縫試塊的相控陣超聲檢測結果如表5所示，成像結果如圖9所示。

3.3 缺陷尺寸測量

以1號板材試塊為例，利用TomoView軟件測量其直徑為2 mm，深度分別為1.0， 1.5， 2.0， 3.0 mm平底孔缺陷的參數，缺陷測量界面如圖10所示。實際測量得到的缺陷深度分別為1.2，1.3，2.0，3.0 mm。

圖9 對接焊縫試塊的相控陣超聲成像結果

表5 對接焊縫試塊的相控陣超聲檢測結果

圖10 1號板材試塊平底孔缺陷測量界面

3.4 檢測結果分析

分析檢測結果可以得到結論：① 當缺陷面積較小時，回波信號幅值較低，檢測信號信噪比較低，缺陷難以檢出；② 奧氏體不銹鋼晶粒粗大，回波噪聲較高；③ 增益偏高或偏低，都會降低缺陷與周圍背景的對比度和圖像的分辨力，從而影響缺陷的定量分析，使缺陷的定量尺寸偏大或偏??；④ 相控陣超聲檢測奧氏體不銹鋼母材的最小可檢平底孔直徑為1.0 mm，深度為1.0mm，最小可檢刻槽尺寸為5 mm×0.3 mm×1.5 mm；⑤ 相控陣超聲檢測碳鋼母材的最小可檢平底孔直徑為0.5 mm，深度為1.5 mm，最小可檢刻槽尺寸為5 mm×0.3 mm×1.0 mm；⑥ 相控陣超聲檢測復合板對接焊縫的最小可檢刻槽尺寸為5 mm×0.3 mm×1.0 mm；⑦ 利用相控陣超聲技術檢測奧氏體不銹鋼類(含復合層)材料時，建議將掃查靈敏度設置為基礎靈敏度+12 dB，檢測碳鋼類材料時，建議將掃查靈敏度設置為基礎靈敏度+6 dB；⑧ 奧氏體不銹鋼類材料的缺陷深度的測量誤差小于0.5 mm，碳鋼類材料缺陷的深度測量誤差小于0.3 mm；⑨ 復合層的界面波對圖像質量有較大的影響，應適當控制閘門并對信號進行降噪處理。

4 檢測應用

筆者對某集氣站的1臺分離器進行了腐蝕檢測。被檢對象規(guī)格(外徑×高度×壁厚)為1 219 mm×4 572 mm×65.5 mm，材料為16MnR+316L。相控陣超聲儀器型號為OMNISCAN MX，探頭型號為5L64-A2(楔塊型號為SA2-OL-IHC)，共有64個陣元，探頭參數設置如表6所示。

表6 探頭參數設置

圖11 腐蝕檢測部位及局部腐蝕區(qū)位置示意

對容器易出現腐蝕的底部位置進行了相控陣超聲檢測，發(fā)現3處腐蝕深度大于2 mm的局部腐蝕區(qū)域，最大腐蝕深度為3.7 mm。缺陷測量參數如表7所示，檢測部位及局部腐蝕區(qū)位置如圖11 所示，3處腐蝕缺陷的成像結果如圖12所示。圖12中每個小圖的左上為A掃描圖像，左下為C掃描圖像，右上為B掃描圖像，右下為D掃描圖像。

表7 缺陷測量參數

圖12 3處腐蝕缺陷的相控陣超聲成像結果

由圖12可知，缺陷1的底波中斷較少，缺陷波波幅較低，C掃描圖像上缺陷的形狀不完整；缺陷2的底波中斷明顯，缺陷波波幅較高，由D掃描圖像可明顯看到底波上移到頂部的過程；缺陷3的底波中斷明顯，缺陷波波幅較高。

筆者使用內窺鏡對該區(qū)域進行目視檢測，并拍照記錄(見圖13)，雖然未對腐蝕區(qū)進行具體的尺寸測量，但是從照片可以看出，缺陷的外形及缺陷特點與相控陣超聲檢測的結果大致相符。

圖13 3處腐蝕缺陷的目視檢測形貌

5 結語

相控陣超聲檢測技術經過多年的發(fā)展，已成為一種有效、成熟的技術，利用其優(yōu)勢，可對奧氏體不銹鋼的點蝕缺陷進行檢測，并可取得較好的檢測效果。