宋雙官，郭妍瓊，許 可，田 利，于長(zhǎng)樂(lè)，金彥楓

(1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070； 2.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測(cè)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(cè)技術(shù)有限公司，西安 710075)

奧氏體不銹鋼的點(diǎn)蝕[1]主要產(chǎn)生于含氯離子的介質(zhì)中，一般來(lái)說(shuō)，氯離子含量越高越易引起點(diǎn)蝕，因?yàn)槁入x子對(duì)材料的鈍化膜有破壞作用，并且當(dāng)介質(zhì)中有氧或酸存在時(shí)，金屬更易發(fā)生點(diǎn)蝕。

不論是奧氏體不銹鋼純材還是其復(fù)合板制壓力容器、壓力管道都無(wú)法避免氯離子引起的點(diǎn)蝕問(wèn)題，在油氣輸送裝置中，點(diǎn)蝕更易發(fā)生。筆者通過(guò)近些年對(duì)中石油、中石化等企業(yè)的跟蹤，了解到介質(zhì)(原油或天然氣)組分不穩(wěn)定，氯離子含量時(shí)常超標(biāo)等因素引起設(shè)備出現(xiàn)點(diǎn)蝕破壞的情況十分普遍，嚴(yán)重影響了設(shè)備的安全運(yùn)行。

圖1 典型的點(diǎn)蝕形貌示意

典型的點(diǎn)蝕形貌如圖1所示。奧氏體不銹鋼點(diǎn)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(chǎn)物遮蓋；③ 金屬損失量?。虎?蝕孔通常沿重力方向生長(zhǎng)。

1 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)控制相控陣探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射與接收的檢測(cè)方法[2]。該技術(shù)通過(guò)調(diào)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(nèi)有聚焦、偏轉(zhuǎn)等效果的聲束。相控陣超聲換能器由多個(gè)晶片組合而成，每個(gè)晶片的激發(fā)時(shí)間均由主機(jī)單獨(dú)控制，一個(gè)換能器可形成多種聲場(chǎng)，可提供比單個(gè)或多個(gè)換能器系統(tǒng)更大的檢測(cè)范圍和更強(qiáng)的檢測(cè)能力。檢測(cè)時(shí)，探頭前后位置不動(dòng)，通過(guò)軟件調(diào)節(jié)參數(shù)可形成需要的聲束，檢測(cè)過(guò)程可實(shí)時(shí)成像。相控陣超聲檢測(cè)常見(jiàn)掃查方式如圖2所示。

2 試塊制作

試驗(yàn)通過(guò)測(cè)試超聲波在不同材料中的衰減程度來(lái)確定實(shí)際檢測(cè)時(shí)的掃查靈敏度。筆者設(shè)計(jì)了不同材料不同缺陷參數(shù)的試塊，各類型試塊及其缺陷參數(shù)如表1所示(表中“24+3”為24 mm厚20鋼+3 mm厚316L)，試塊結(jié)構(gòu)及缺陷分布如圖35所示(復(fù)合板材的缺陷加工在復(fù)合板側(cè)，焊縫試塊的缺陷位于焊縫中心)。試塊設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：① 便于實(shí)現(xiàn)缺陷的定量比對(duì)；② 模擬腐蝕孔要有一定的面積和深度，且形貌要與真實(shí)的腐蝕孔相近，因?yàn)闇\(深度小于0.5 mm)而面積較大的單個(gè)腐蝕孔對(duì)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)及缺陷分布示意

圖4 復(fù)合板材試塊結(jié)構(gòu)及缺陷分布示意

圖5 焊縫試塊結(jié)構(gòu)及缺陷分布示意

③ 試塊加工的原材料不應(yīng)存在任何缺陷，缺陷加工應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11259-2015 《無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè)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(shù) mm

3 檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 檢測(cè)設(shè)備

試驗(yàn)使用OmniScan MX型超聲檢測(cè)儀和5L64-38.4×10-A12-P-5-OM型線型相控陣探頭。探頭主軸長(zhǎng)為38.4 mm，次主軸長(zhǎng)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(jìn)設(shè)置為1 mm。試驗(yàn)設(shè)置激活陣元數(shù)為816(每次增加1)，檢測(cè)方式為單線陣檢測(cè)。

在試塊無(wú)缺陷平整光潔的表面處進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)，將其底面回波高度調(diào)至滿屏的80%并以此作為基準(zhǔn)靈敏度，若在基準(zhǔn)靈敏度下檢測(cè)效果不佳，則將增益增加6 dB作為檢測(cè)靈敏度；若仍無(wú)法有效發(fā)現(xiàn)人工缺陷，則將增益再增加6 dB進(jìn)行檢測(cè)，若此時(shí)仍無(wú)法發(fā)現(xiàn)人工缺陷，則將該缺陷標(biāo)記為無(wú)法檢出。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為減少重復(fù)及無(wú)意義的數(shù)據(jù)，在展示數(shù)據(jù)時(shí)，若某靈敏度下缺陷全部無(wú)法檢出，則不展示該靈敏度下的數(shù)據(jù)；若掃查靈敏度增大12 dB后仍全部無(wú)法檢出，則只展示掃查靈敏度增大12 dB時(shí)的數(shù)據(jù)；若增大掃查靈敏度不改變檢測(cè)結(jié)果，則只展示較低掃查靈敏度時(shí)的數(shù)據(jù)。

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

表2 1號(hào)板材試塊的相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果

圖6 1號(hào)板材試塊的相控陣超聲成像結(jié)果

2號(hào)板材試塊的相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果如表3所示，成像結(jié)果如圖7所示。

復(fù)合板材試塊的相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果如表4所示，成像結(jié)果如圖8所示。

表3 2號(hào)板材試塊的相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果

圖7 2號(hào)板材試塊的相控陣超聲成像結(jié)果

表4 復(fù)合板材試塊的相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果

圖8 復(fù)合板材試塊直徑為1 mm平底孔的相控陣超聲成像結(jié)果

對(duì)接焊縫試塊的相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果如表5所示，成像結(jié)果如圖9所示。

3.3 缺陷尺寸測(cè)量

以1號(hào)板材試塊為例，利用TomoView軟件測(cè)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(shù)，缺陷測(cè)量界面如圖10所示。實(shí)際測(cè)量得到的缺陷深度分別為1.2，1.3，2.0，3.0 mm。

圖9 對(duì)接焊縫試塊的相控陣超聲成像結(jié)果

表5 對(duì)接焊縫試塊的相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果

圖10 1號(hào)板材試塊平底孔缺陷測(cè)量界面

3.4 檢測(cè)結(jié)果分析

分析檢測(cè)結(jié)果可以得到結(jié)論：① 當(dāng)缺陷面積較小時(shí)，回波信號(hào)幅值較低，檢測(cè)信號(hào)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(huì)降低缺陷與周圍背景的對(duì)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小；④ 相控陣超聲檢測(cè)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(cè)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(cè)復(fù)合板對(duì)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(shù)檢測(cè)奧氏體不銹鋼類(含復(fù)合層)材料時(shí)，建議將掃查靈敏度設(shè)置為基礎(chǔ)靈敏度+12 dB，檢測(cè)碳鋼類材料時(shí)，建議將掃查靈敏度設(shè)置為基礎(chǔ)靈敏度+6 dB；⑧ 奧氏體不銹鋼類材料的缺陷深度的測(cè)量誤差小于0.5 mm，碳鋼類材料缺陷的深度測(cè)量誤差小于0.3 mm；⑨ 復(fù)合層的界面波對(duì)圖像質(zhì)量有較大的影響，應(yīng)適當(dāng)控制閘門(mén)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪處理。

4 檢測(cè)應(yīng)用

筆者對(duì)某集氣站的1臺(tái)分離器進(jìn)行了腐蝕檢測(cè)。被檢對(duì)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(hào)為OMNISCAN MX，探頭型號(hào)為5L64-A2(楔塊型號(hào)為SA2-OL-IHC)，共有64個(gè)陣元，探頭參數(shù)設(shè)置如表6所示。

表6 探頭參數(shù)設(shè)置

圖11 腐蝕檢測(cè)部位及局部腐蝕區(qū)位置示意

對(duì)容器易出現(xiàn)腐蝕的底部位置進(jìn)行了相控陣超聲檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)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(cè)量參數(shù)如表7所示，檢測(cè)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(jié)果如圖12所示。圖12中每個(gè)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(cè)量參數(shù)

圖12 3處腐蝕缺陷的相控陣超聲成像結(jié)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(guò)程；缺陷3的底波中斷明顯，缺陷波波幅較高。

筆者使用內(nèi)窺鏡對(duì)該區(qū)域進(jìn)行目視檢測(cè)，并拍照記錄(見(jiàn)圖13)，雖然未對(duì)腐蝕區(qū)進(jìn)行具體的尺寸測(cè)量，但是從照片可以看出，缺陷的外形及缺陷特點(diǎn)與相控陣超聲檢測(cè)的結(jié)果大致相符。

圖13 3處腐蝕缺陷的目視檢測(cè)形貌

5 結(jié)語(yǔ)

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已成為一種有效、成熟的技術(shù)，利用其優(yōu)勢(shì)，可對(duì)奧氏體不銹鋼的點(diǎn)蝕缺陷進(jìn)行檢測(cè)，并可取得較好的檢測(cè)效果。