厚壁容器堆焊層剝離超聲檢測成像系統設計

張寶軍，張海波，嚴智，鐘志民，李瑋

(1.國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233;2.上海高橋石化設備研究所，上海 200137)

厚壁容器堆焊層剝離超聲檢測成像系統設計

張寶軍1，張海波1，嚴智1，鐘志民1，李瑋2

(1.國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233;2.上海高橋石化設備研究所，上海 200137)

在石油化工領域及電力系統中存在著一些厚壁容器，以加氫反應器為例，該容器運行在高溫、高壓及腐蝕介質下，尤其是在臨氫狀態下，長期使用會導致容器堆焊層的剝離。針對堆焊層剝離檢測，開發一套堆焊層剝離超聲檢測成像系統。該系統主要由三部分組成:機械掃查裝置、控制系統和超聲檢測成像系統，詳細介紹各部分的具體組成和功能。該系統的開發，實現了檢測過程的半自動化、檢測數據和結果的可視化和直觀性，提高了檢測的效率和檢測結果的可靠性。

堆焊層;厚壁容器;自動檢測;超聲成像

在石油化工領域，存在著大量的大直徑厚壁容器，需要工作在高溫及腐蝕介質環境，其母材內表面均堆焊不銹鋼層，以提高其使用壽命。以石化公司的加氫反應器為例，該類設備運行在高溫、高壓以及臨氫條件下，長期使用后會出現堆焊層與母體材質的層間剝離、堆焊層表面開裂、材料回火脆化和氫脆等現象［1－2］。大面積的堆焊層層間剝離以及層下裂紋的產生將影響到此類容器的使用壽命，并帶來安全生產隱患，因此及時地發現堆焊層層間剝離并定期進行跟蹤檢測，有利于安全隱患的及時發現和排除，并為此類容器的使用壽命評估提供可靠的檢測分析數據［3－4］。

目前，針對堆焊層層間剝離的檢測方法通常是采用超聲波直探頭手動掃查。當發現底面回波異常或者堆焊層界面回波顯著時，根據超聲信號以及相關標準判定層間剝離是否存在，并對剝離區域進行人工確定和剝離面積計算。這種手動檢測主要存在以下缺點: (1)手持探頭進行掃查，檢測結果重復性差;(2)檢測效率低;(3)檢測結果的評價受人為因素影響較大，可比性差;(4)檢測結果無法保存，可追溯性差;(5)檢測結果不直觀［5－6］。

目前，國內有大量的在役厚壁容器，尤其是石化行業的加氫反應器運行時間已超過10年，堆焊層剝離問題成為影響其安全可靠運行的主要原因，為此，在歷次檢修過程中都投入大量人力物力進行堆焊層剝離檢測。因此，研發堆焊層剝離半自動超聲檢測系統有助于提高檢測效率，縮短檢修工期 (檢測時間約為手工檢測的1/5)，提高經濟效益，使檢測結果更直觀，并提高檢測結果的可比性［7－8］。主要針對直徑φ4 257 mm/φ4 247 mm，母材壁厚221 mm/221 mm、堆焊層厚度7.5 mm的加氫反應器，開發一套適用于現場檢測的厚壁容器堆焊層剝離超聲檢測成像系統，實現厚壁容器堆焊層層間剝離的在役半自動超聲掃查，檢測數據的自動存儲、分析與評判，同時該系統對不同直徑、不同厚度的厚壁容器有一定的適用性。該研究成果已經完成樣機制造機及調試，并于2010年應用于某公司的加氫反應器的堆焊層層間剝離檢測。

1 系統設計

厚壁容器堆焊層剝離超聲檢測成像系統主要實現的功能有:(1)容器局部區域內自動掃查，尤其適用于容器的抽檢和指定區域檢測;(2)自動識別缺陷;(3)實時顯示缺陷的相對位置、形狀以及大小; (4)可以實現全區域掃查和定點、定區域掃查;(5)對缺陷準確定位與定量;(6)記錄、存儲掃查結果，實現數據的可追溯性。

由此設計的該系統由超聲探頭及夾具組件、超聲檢測板卡、超聲數據采集、后處理及圖像顯示系統、機械掃查裝置、上下位機控制系統組成。堆焊層剝離超聲檢測成像系統主要工作流程為:上位控制機啟動下位機進行運動檢測控制并觸發超聲檢測系統檢測→機械掃查裝置帶動超聲探頭沿設定的軌跡運行，同時控制系統實時跟蹤探頭位置坐標并發送給超聲檢測系統→超聲檢測系統檢測運行并實時接收控制系統發送的探頭位置信號→超聲檢測系統將檢測結果以及探頭位置信息打包存儲并顯示。系統流程圖如圖1所示。

圖1 系統流程圖

1.1 機械掃查裝置

厚壁容器堆焊層剝離超聲檢測成像系統機械掃查裝置主要由磁輪吸附組件、機械橫梁組件、垂直移動組件、同步帶壓緊組件、支撐輪組件、探頭夾具組件以及附件組成。

采用永磁式吸附，通過磁吸附將整個機械掃查裝置固定于厚壁容器外表面，通過絲杠傳動以及同步帶傳動，帶動探頭夾具沿著X、Y坐標移動，實現超聲探頭的定區域掃查。整個掃查軌跡以可調節等間距的柵格形式進行。

考慮工程應用的便利，整個裝置采用模塊化設計思想，系統部件之間拆卸安裝方便，供水、電控均采用插接式連接，便于運輸與現場的拆裝。裝置實物及組成如圖2所示。

圖2 機械掃查裝置

該機械掃查裝置具有如下特點:

(1)采用模塊化設計思想，整個機械掃查裝置由多個組件或者部件組成，安裝與拆卸方便，極大地方便現場工程應用，同時也便于機械掃查裝置的維護、改進以及運輸;

(2)機械掃查裝置結構設計簡潔，機構設計優化，總體質量輕，方便了工程應用;

(3)采用偏心輪起動磁輪，機構設計新穎，方便了磁吸附的安裝與拆卸;

(4)機械橫梁組件與垂直移動組件的滑槽式連接，實現了機械橫梁組件與垂直移動組件的分體設計;

(5)伸縮式探頭夾具的設計，適用于通用超聲探頭，可以根據不同需要更換超聲探頭，實現夾具設計的通用性，同時采用萬向滾輪壁面接觸方式，很大程度上減少了探頭與容器壁在二維移動方向的滑動摩擦。

1.2 控制系統

厚壁容器堆焊層剝離成像系統的控制系統本質上是一個二維的運動控制平臺，從系統要求的性能指標來看，控制系統需要滿足如下指標:

(1)水平掃查速度可達6 mm/s無級可調;垂直掃查速度達300 mm/s無級可調;

(2)能夠實現粗掃查和精密掃查，對指定的區域實現精密掃查;

(3)系統的控制方式分為手動/自動，兩者之間可以切換;

(4)X軸(水平)和Y軸(垂直)兩個方向上的運動誤差不大于±1 mm。

1.2.1 控制系統總體設計

對運動控制，必須控制X、Y方向上的2個電機協調運動并具有良好的響應速度。由此選擇了Technosoft公司的IPM100。IPM100將運動控制和伺服驅動集成在一起，具有體積小、性能高、控制簡單、價格低等優點，但是每個只能控制一個電機。若要兩臺電機協同控制，通過RS485總線將其連接起來。利用Technosoft運動開發平臺IPM motion Studio實現快速安裝、測試和運動程序開發。強大的TML指令庫易于實現運動次序的定義和執行。

1.2.2 系統軟件設計

控制系統軟件主要完成對探頭位置的運動控制，如圖3。用戶操作界面功能有:

(1)參數設置與顯示模塊主要是設置一些系統參數 (如掃查長度、步進寬度)和控制參數 (如速度參數、加速度參數等);

(2)任何時刻，控制程序都時刻監視系統的運行狀況，隨時對系統故障做出相應的處理。

圖3 控制掃查軟件界面

軟件部分包括X向運動和Y向的掃查運動、數據存儲及處理、手動控制、故障處理、運動狀態顯示及故障顯示等。操作界面 (GUI)清晰、簡單，方便用戶調試、運行，同時能夠將伺服驅動器傳遞過來的信息顯示出來，便于監控。任務編程模塊的主要功能為實現控制任務的規劃，如X向和Y向運動等，包括故障查詢、處理。

1.3 數據采集與成像系統

從容器外壁檢測內壁堆焊層剝離主要是利用超聲脈沖反射法在剝離界面處發生強烈的反射波進行的，同時，原底波伴隨有衰減現象。超聲波路徑示意圖如圖4所示，超聲波反射回波示意圖如圖5所示。

圖4 超聲波路徑示意圖

圖5 超聲波反射回波示意圖

1.3.1 超聲成像原理

由圖4可知，當已知工件母材厚度t和工件總厚度s時，設定檢測范圍、檢測靈敏度和成像閘門A，使閘門A在實時采集顯示的A掃信號圖上位于工件總厚度s之前的包括母材厚度t處。若被掃查區域存在一定程度 (當量)的剝離，其回波信號會超過閘門A并被成像軟件自動記錄。其幅度可用不同的顏色表示。因此，結合探頭運動的位置信息，可形成剝離C掃描圖像，如圖6所示。

圖6 超聲剝離C掃成像原理圖

1.3.2 軟件模塊組成

該數據采集與成像系統由參數設置調整模塊、實時采集模塊以及成像與處理模塊組成。

(1)參數設置調整模塊。主要完成聲速測試及校準;探頭延遲的設置;掃描速度/量程的設置;探傷靈敏度的設定;其他參數的輸入。

(2)實時采集模塊。主要完成采集及其控制;數據文件的存儲路徑、名稱與機械控制系統的通信;以采集探頭位置信息實時顯示A掃波形;手動/自動采集。

(3)成像與處理模塊。主要完成A掃、C掃成像;數據回放、分析;剝離的測量和評價。

2 檢測試驗

應用上述檢測系統，對安裝在模擬體上的參考試塊進行檢測，該參考試塊壁厚為108 mm，其中堆焊層厚度為8 mm。人工反射體為φ2、φ3、φ4、φ10的平底孔，從堆焊層處加工至界面處。

參考JB4730.3-2005標準，從母材側檢測堆焊層與母材的剝離，應采用φ10的平底孔作為檢測的基準靈敏度［9］。以此基準靈敏度提高6 dB作為掃查靈敏度來檢測參考試塊，成像結果如圖7所示。

圖7 超聲剝離成像結果圖

由成像結果可以看出:該自動檢測成像系統在設定的檢測靈敏度下，對于φ4的平底孔，可以清晰成像。實際檢測過程中，根據檢測標準，對發現的剝離類缺陷進行質量評定。

3 結論

厚壁容器堆焊層剝離超聲檢測成像系統的開發具有較為廣泛的工程應用前景。該系統的開發實現了大直徑厚壁容器的堆焊層剝離半自動超聲檢測，避免了由于手動檢測帶來的效率低下、檢測結果重復性差、檢測數據可追溯性差的缺點，推動了檢測過程的自動化，提高了檢測結果的可重復性、可靠性、可對比性和可追溯性。該研究成果采用了模塊化的設計思想，方便了現場的工程使用，同時對系統的維護和改進提供了方便。該研究成果具有創新性，是無損檢測自動化實踐的又一嘗試。該研究成果已經應用于某公司的加氫反應器的堆焊層層間剝離檢測，同時該系統也可應用于其他類似大直徑厚壁容器的堆焊層層間剝離檢測。

【1】劉成勇.加氫反應器的無損檢測［J］.聚酯工業，2005，18 (2):47－50.

【2】張振戎，張文輝，盧慶春.加氫反應器的發展歷史［J］.一重技術，2004(1):1－3.

【3】毛大興，李平瑾.加氫反應器監造過程中的質量控制(二)［J］.壓力容器，2005(4):17－21.

【4】李波，于麗萍，鄭啟文.加氫反應器損傷及檢驗技術探討［J］.化工科技，2004，12(5):39－42.

【5】燕林.國外重視大型加氫反應器的焊接腐蝕［J］.石油化工腐蝕與防護，2005(4):37.

【6】王秋靈，程豪奇.加氫反應器壓降增長過快的原因和措施［J］.石油化工安全技術，2004，20(4):41－43.

【7】劉德宇，沈功田，李邦憲.壓力容器無損檢測——加氫反應器的無損檢測技術［J］.無損檢測，2005(2):96－99.

【8】談金祝.加氫反應器材料損傷機理試驗研究［J］.石油化工設備，2003，32(2):9－11.

【9】全國鍋爐壓力容器標準化委員會.JB/T4730.3-2005承壓設備無損檢測:超聲檢測［S］.北京:機械工業出版社，2005.

Design of Auto-ultrasonic Testing and Imaging System for Thick Walled Vessel's Inner Welding Cladding Spalling

ZHANG Baojun1，ZHANG Haibo1，YAN Zhi1，ZHONG Zhimin1，LI Wei2
(1.State Nuclear Power Plant Service Company，Shanghai 200233，China; 2.Shanghai Gaoqiao Sino-petrifaction Equipment Research Institute，Shanghai 200137，China)

The thick walled vessel uesed in petrochemistry such as hydrogenation reactor is applied in high temperature，high pressure as well as near hydrogen condition.The vessel's inner welding cladding may spall after many years application.A set of autoultrasonic testing and imaging system for the vessel's inner welding cladding spalling was designed，mainly including three parts:the mechanism scanning equipment，the control system and the ultrasonic testing and imaging system.The functions of each part were detailed introduced.In the actual application，good testingeffect，high testing efficiency and reliable testing quality are obtained.

Welding cladding;Thick walled vessel;Auto-ultrasonic testing;Ultrasonic testing and imaging

TH865

B

1001－3881(2014)8－123－4

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.039

2013－01－19

張寶軍 (1972—)，男，碩士，高級工程師，主要從事機器人技術及自動檢測設備開發。E－mail:zhangbj@ snpsc.com。