全多層鋼制高壓儲氫容器定期檢驗方法研究

鐘海見 何 琦 繆存堅 郭偉燦

(1.浙江省特種設備檢驗研究院 杭州 310020)

(2.浙江省特種設備安全檢測技術研究重點實驗室 杭州 310020)

(3.浙江大學化工機械研究所 杭州 310027)

全多層鋼制高壓儲氫容器是我國自主研發、設計的產品，具有壓力高、體積大、抑爆抗爆功能、缺陷分散、氫氣泄漏可在線監測以及制造經濟簡便等優點[1]。該容器基本結構如圖1所示，具有單層、雙層和多層等多種形式，其中封頭是由內外層均為半球形的雙層結構與單層的接管鍛件對接焊接而成。由于容器結構的特殊性，容器制造完成后難以進入容器內部開展檢驗，僅能進行外檢測。外檢測常用的無損檢測方法主要有射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測和滲透檢測，其中，磁粉檢測和滲透檢測無法探測出容器內部缺陷；常規射線檢測不僅穿透力不夠，且對厚壁容器面積型缺陷檢測靈敏度較低；超聲檢測具有操作方便、分辨率高、成本低、適應面廣、對厚壁容器面積型缺陷檢測靈敏度較高等優點，但不能檢測多層容器中間層及內層缺陷，對單層的接管鍛件與半球形封頭對接焊縫檢測也受結構形狀限制只能檢出局部缺陷。以上檢測現狀導致了現有的無損檢測方法和裝置難以檢測該類容器在使用過程中產生的缺陷。

圖1 全多層鋼制高壓儲氫容器基本結構

筆者在綜合考慮全多層鋼制高壓儲氫容器失效形式基礎上，開展內外部多種檢測手段有機結合的缺陷檢測方法與設備的研究，提出了一種內置式曲面耦合超聲相控陣檢測方法，解決了鍛件與半球形封頭對接焊縫缺陷檢測關鍵技術難點。通過對含缺陷試塊進行檢測并結合CIVA軟件對聲場的仿真結果，驗證了該方法檢測埋藏缺陷和表面裂紋的有效性，在此基礎上提出容器定期檢驗方法。通過試驗研究，筆者提出的定期檢驗方法，可有效檢出容器在使用過程中產生的缺陷，保證容器的使用安全。

1 失效形式分析

壓力容器定期檢驗的基本目的就是防止壓力容器失效事故發生，特別是危害性最嚴重的破裂事故[2]，因此，壓力容器定期檢驗時應對可能引起安全事故的失效方式進行全方位的分析，針對性地制定檢驗方案，將有可能引起容器安全事故的缺陷及時檢出和消除，從而確保容器的使用安全。全多層鋼制高壓儲氫容器結構比較復雜，整個筒身內筒為316L不銹鋼，其余厚度由多層低合金鋼鋼板制成，容器周身無深環焊縫，且繞帶層與容器封頭采用相互錯開的階梯狀斜面焊縫代替傳統的對接焊縫，不僅增大了焊縫承載面積、提高了焊縫結構的可靠性，而且實現了筒體與封頭應力水平的平滑過渡[3-5]。內、外半球形封頭采用厚度相近的整塊低合金鋼鋼板沖壓而成，半球形封頭外套有加強箍，使與筒體連接處的應力水平大幅降低，同時封頭與加強箍焊縫部位具有足夠的強度，不會成為連接結構的薄弱點。容器的雙層封頭結構和帶有保護殼的鋼帶錯繞筒體結構為實現區域全覆蓋的氫氣泄漏在線監測提供了條件。當有泄漏發生時，信號顯示、報警儀會顯示大致的泄漏位置，并發出聲、光報警。根據上述容器的結構和功能，其在使用過程中可能發生的失效形式主要有以下三種：

1.1 超壓爆破失效

壓力容器在內壓作用下，產生的一次薄膜應力達到所用材料的抗拉強度極限時就會發生容器超壓爆破失效，對全多層高壓氫氣儲罐而言，只有以下兩種情況下會發生容器超壓爆破失效：當內壓達到其爆破壓力或者材料性能劣化使承壓能力嚴重下降時（如氫脆）。考慮到全多層高壓氫氣儲罐具有未爆先漏特點，同時容器內膽采用的是耐氫脆材料，因此，這兩種情況發生的概率很小。

1.2 疲勞破壞失效

全多層鋼制高壓儲氫容器在使用時會反復進行充氫和放氫，受到交變載荷的作用，容器有可能發生疲勞破壞失效。由于全多層鋼制高壓儲氫容器獨特的結構，即使發生疲勞破壞，只要疲勞裂紋不發生在半球形封頭與單層接管連接的對接焊接接頭上，內筒和內半球形封頭的失效形式也只會是“只漏不爆”，而不會像單層高壓容器那樣發生整體脆性破壞。但若疲勞裂紋發生在半球形封頭與單層接管連接的對接焊接接頭上，則裂紋會擴展至焊縫外表面從而使容器破裂，導致氫氣直接泄漏從而造成安全事故，因此半球形封頭與接管連接的對接焊縫的質量檢測是容器使用安全的重要環節。只要對接接頭的焊接質量能夠保證，全多層鋼制高壓儲氫容器發生工作壓力下內筒破壞的可能性很小，即使發生了，其失效形式只會是“只漏不爆”，且在泄漏剛發生時就能自動報警，進而采取相應應急措施便可以避免事故的發生。

1.3 泄漏失效

氫氣是很容易泄漏的介質。由于腐蝕、疲勞、焊接缺陷或密封墊圈損壞等原因會發生氫氣泄漏失效，從而造成燃燒和爆炸等事故。由于全多層鋼制高壓儲氫容器泄漏點很少，最大可能的泄漏點是接管座密封面，其他雙層和多層部位的泄漏可以通過泄漏孔實現自動報警。

2 定期檢驗項目

在用壓力容器定期檢驗的性質不僅僅是預防，還包含有預測的成分，預測壓力容器使用中可能產生的缺陷種類和易發生部位，從而在檢驗項目、方法、比例、重點部位等方面做出正確的選擇[2]。筆者在對容器失效形式進行全方位分析的基礎上，結合TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》和TSG R7001—2013《壓力容器定期檢驗規則》要求，認為全多層鋼制高壓儲氫容器的定期檢驗項目，應包括資料審查、宏觀檢驗（外部宏觀檢查、內部內窺鏡檢查）、壁厚測定（外殼）、缺陷檢測（表面缺陷檢測、埋藏缺陷檢測、多方法超聲檢測）、緊固件檢測、安全附件和報警裝置檢驗、泄漏性試驗等項目，必要時可進行耐壓試驗和聲發射檢測。除常規項目外，針對該全多層鋼制高壓儲氫容器的特殊檢驗項目有：

2.1 埋藏缺陷檢測

容器接管鍛件與半球形封頭對接焊縫埋藏缺陷檢測是定期檢驗關鍵項目，因為該部件是單層結構，缺陷擴展會產生容器破裂，而其他部位是雙層或多層結構，單層缺陷不會產生整體容器破裂。鑒于其結構特殊，宜采用多種方法（常規超聲檢測、超聲相控陣檢測）對該焊縫進行檢測。但常規超聲檢測只能檢測球型封頭外層焊縫缺陷，難以檢出對容器危害最大的內表面疲勞裂紋，這主要是因為球型封頭為雙層結構，在球型封頭外表面檢測時，由于聲束被層板中間空隙擋住，無法檢測內層板焊縫缺陷。筆者通過試驗研究提出了內置式曲面耦合超聲相控陣檢測方法，解決了該焊縫埋藏缺陷檢測的關鍵技術難題。

2.2 報警裝置檢驗

報警裝置檢驗是全多層儲氫用鋼帶錯繞式容器定期檢驗的重要內容。定期檢驗時應檢查信號孔有無漏氣、管路是否通暢、防靜電接地裝置電阻是否符合要求、傳感器探頭是否校驗合格、報警儀是否能正常報警等。

2.3 耐壓試驗和聲發射檢測

定期檢驗過程中，使用單位或者檢驗機構對容器的安全狀況有懷疑時，可進行耐壓試驗。耐壓試驗時可結合聲發射檢測，以判斷容器是否存在活性缺陷。聲發射檢測在升壓、保壓過程中進行，用聲發射檢測系統接收、鑒別、處理、顯示、記錄和分析聲發射源的位置及聲發射特性參數；按標準NB/T 47013.9—2012《承壓設備無損檢測 第9部分：聲發射檢測》確定源的活度和強度等級，再確定源的綜合等級；根據聲發射源的綜合等級和設備的實際情況確定是否需要常規方法復驗。

3 內置式曲面耦合超聲相控陣檢測方法

由于結構形狀的限制，采用容器外表面常規超聲檢測無法保證接管與半球形封頭對接焊縫疲勞裂紋及其他埋藏缺陷的有效檢測，因此需要將超聲相控陣探頭放入直徑φ40或更小尺寸的封頭接管深孔中進行檢測，但常規相控陣探頭難以進入φ40以下的接管內，且存在小曲率凹面聲耦合、檢測聲程大、奧氏體不銹鋼焊縫晶粒粗大等多重困難，使得現有的相控陣技術很難實現對焊縫及其熱影響區缺陷或損傷的有效檢出。由此，筆者通過試驗研究提出了內置式曲面耦合超聲相控陣檢測方法，其檢測原理示意圖如圖2所示。

圖2 內置式曲面耦合超聲相控陣檢測示意圖

相控陣探頭上安裝有與接管曲率相匹配的透聲楔塊，伸入接管內進行檢測，由于透聲楔塊界面波的存在，缺陷回波響應很可能與界面波響應在同一位置重疊，造成干擾，為此采用多種楔塊來避開原重疊位置，以獲取全面的缺陷響應；相控陣軸向采用中心聚焦或偏轉聚焦[6-8]，聚焦提高了超聲在強衰減奧氏體不銹鋼中的回波響應，可獲得更高的檢測精度，而偏轉則使得探頭在到達接管底部后，能夠以傾斜方向檢測封頭對接焊縫焊接質量。不同的聚焦方式適用于不同類型缺陷的檢測，中心聚焦可用于檢測焊縫的埋藏缺陷，偏轉聚焦則主要用于檢測內表面的表面裂紋，并兼顧埋藏缺陷的檢測。

相控陣檢測周向采用聲透鏡聚焦，針對小孔的內檢測，其檢測面相當于柱面凹透鏡，當c1＜c2時聚焦，其焦距f為[9]：

式中：

r——曲率半徑

c1——楔塊聲速，m/s；

c2——工件聲速，m/s；

此外，透聲楔塊的聲阻抗與所用耦合劑相匹配，其聲強透射率T可簡化為[9]：

式中：

Z1——楔塊的聲阻抗，g/（cm2·s)；

Z2——工件的聲阻抗，g/（cm2·s)。

筆者利用CIVA對奧氏體不銹鋼中鉆孔缺陷的檢測進行仿真研究，選取32個陣元作為檢測的動態孔徑，陣元長度10mm、寬度0.9mm、間距1.0mm，工作頻率為5.0MHz。超聲相控陣軸向和周向聲場的仿真結果如圖3所示，其中軸向平面由于相控陣直接聚焦，產生的聲場較強，而周向聲場則依靠上述楔塊聲速和曲面耦合的特性也獲得了一定程度的聚焦，可見所選擇的檢測參數能夠在試樣內獲得較好的聚焦效果。根據上述方法原理，研制了內置式曲面耦合超聲相控陣探頭裝置（見圖4）。

圖3 CIVA超聲相控陣檢測聲場仿真

圖4 內置式曲面耦合超聲相控陣探頭裝置

4 試驗研究

為驗證內置式曲面耦合超聲相控陣檢測方法的檢測效果，筆者依照實際產品的材料和尺寸規格，加工了模擬產品的含缺陷試樣。由于檢測重點為封頭對接焊縫，而超聲從探頭發射后僅經過單層奧氏體不銹鋼結構即可到達焊縫，焊縫后的雙層結構對檢測影響不大，因此將試樣設計加工為單層結構。試樣采用奧氏體不銹鋼材料替代了焊縫材料，在焊縫位置內外表面開設了表面人工刻槽和鉆孔，用于模擬內外表面的裂紋和埋藏體積型缺陷，試樣照片如圖5所示，其中鉆孔為直徑2mm的橫向孔，人工刻槽厚約1mm、長20mm、深3mm，距離內表面約80mm。利用本文提出的檢測方法對產品試樣進行檢測，檢測儀采用定制的超聲相控陣檢測系統（ZJUSIUI），檢測結果如圖6所示。由檢測結果可知，本文的檢測方法與裝置能夠有效地檢測出體積型缺陷和表面裂紋。

圖5 含缺陷的產品試樣

圖6 產品試樣超聲相控陣檢測結果

在產品試樣檢測試驗研究基礎上，筆者對制造完成的全多層鋼制高壓儲氫容器進行現場檢測，現場檢測的試驗照片與獲得的缺陷檢測圖如圖7所示，檢測標準參考GB/T 32563—2016《無損檢測 超聲檢測相控陣超聲檢測方法》，對相控陣檢測得到的缺陷圖譜，根據其形狀、位置、A型波型特征，再對照焊縫RT底片，確定為焊縫中部位置的夾渣缺陷，經評定不影響容器的安全使用。

圖7 檢測現場試驗照片與缺陷檢測圖

在解決封頭上雙層結構與單層接管結構連接處的厚壁對接焊縫埋藏缺陷檢測難題的基礎上，再結合資料審查、宏觀檢驗、壁厚測定、磁粉檢測、常規超聲檢測、緊固件檢測、安全附件和報警裝置檢驗、泄漏性試驗等定期檢驗項目，可有效檢出容器在使用過程中產生的缺陷，保證容器的使用安全。

5 結論

1）根據全多層鋼制高壓儲氫容器的結構和功能，其在使用過程中可能發生的失效形式主要有容器超壓爆破失效、疲勞破壞失效、泄漏失效等三種。

2）通過容器失效形式的分析，接管鍛件與半球形封頭的對接焊縫缺陷檢測是容器定期檢驗的重點和關鍵技術難點，現成的無損檢測方法和檢測裝置難以滿足檢測要求。

3）通過試驗研究提出了內置式曲面耦合超聲相控陣檢測方法，通過楔塊的曲面耦合和聲透鏡聚焦，可有效地檢測出接管鍛件與半球形封頭對接焊縫的體積型缺陷和表面裂紋。

4）在解決接管鍛件與半球形封頭對接焊縫缺陷檢測難題的基礎上，再結合資料審查、宏觀檢驗、壁厚測定、磁粉檢測、常規超聲檢測、緊固件檢測、安全附件和報警裝置檢驗、泄漏性試驗等定期檢驗項目，可有效檢出容器在使用過程中產生的缺陷，保證容器的使用安全。

[1]鄭津洋，陳瑞，李磊，等. 多功能全多層高壓氫氣儲罐[J]. 壓力容器，2005(12)：25-28+47.

[2]強天鵬. 壓力容器檢驗[M]. 北京： 新華出版社， 2008.

[3]Xu Ping， Zheng Jinyang， Liu Pengfei， et al. Risk identification and control of stationary high-pressure hydrogen storage vessels[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries， 2009， 22(06)： 950-953.

[4]朱國輝，鄭津洋. 新型繞帶式壓力容器[M]. 北京：機械工業出版社，1995.

[5]Zheng Jinyang， Liu Xianxin， Xu Ping， et al.Development of high pressure gaseous hydrogen storage technologies[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2012， 37(01)： 1048-1057.

[6]施克仁，郭寓岷. 相控陣超聲成像檢測[M]. 北京：高等教育出版社，2010.

[7]Guillaume Neau， Deborah Hopkins. The promise of ultrasonic phased arrays and the role of modeling in specifying systems[C]. Proc. ASNT Fall Conference &Quality Testing Show， Houston， 2006： 23-27.

[8]劉志浩. 對接焊縫的超聲相控陣檢測及三維成像分析[D]. 南昌：南昌航空大學，2016.

[9]鄭暉，林樹青. 超聲檢測[M]. 北京： 新華出版社，2008.