相控陣超聲檢測技術在某乙烯裝置預脫甲烷塔制造過程中的應用

丁宏波 趙世彬

摘要：傳統無損檢測方式存在效率低、輻射傷害大、檢測期間需停止生產作業且不環保等問題。相控陣超聲檢測技術（PAUT）具有缺陷檢測精度高、效率高、檢測可靠性好、環保、對生產環境影響微弱等優點。文中舉例說明了相控陣檢測技術在某乙烯裝置預脫甲烷塔制造過程中的應用，另外對相控陣檢測工藝進行了分析并與傳統無損檢測方式進行了對比。

關鍵詞：相控陣超聲檢測;預脫甲烷塔

前言：近年來，石油化工行業安全生產形式愈發嚴峻，石油化工項目建設的質量安全問題顯得格外重要。無損檢測作為石化項目設備制造的重要環節，直接關系到石化設備的質量、使用壽命和安全。傳統的射線檢測方法效率低，射線輻射傷害、安全隱患大、不環保等問題已經成為行業通病。目前，相控陣超聲檢測技術不斷發展，已經逐漸從醫療、軍事、核工業等領域轉向應用于無損檢測領域。

1 相控陣超聲檢測技術（PAUT）簡介

相控陣超聲檢測是根據設定的延遲法則激發相控陣各獨立壓電晶片（陣元），合成聲束并實現聲束的移動、偏轉和聚焦等功能，再按一定的延遲法則接收超聲信號并以圖像形式顯示被檢對象內部狀態的超聲檢測技術。晶片單元是組成相控陣超聲檢測探頭設備陣列中的獨立單元。

2 相控陣超聲檢測技術的基本原理

相控陣超聲檢測掃查類型主要有線性掃查、扇形掃查、動態深度聚焦。陣列中晶片單元數量和聚焦法則的選取，對應不同的掃查方式，即可對不同形式的焊接接頭內部進行掃查。

通過軟件系統單獨控制相控陣探頭中每個晶片的激發時間，控制產生聲束的角度、聚焦位置和焦點尺寸，再通過線性掃描和扇形掃描，進行缺陷的查找、記錄，從而確定缺陷的定位。其中，聚焦焦點的尺寸取決于所用晶片的大小和數量，聚焦原理圖參見圖

圖中，d未相鄰晶片單元的間距，θ為偏轉角，F為聚焦點，f為中心晶片單元到聚焦點的距離。由三角函數關系可得：

OA=id，OF=f

AF2=（OA）2+（OF）2 -2OA·OFsinθ

=（id）2+（f）2 -2idsinθ

因此，第i個晶片單元相對于中心陣元的延時值為：

Ti=f/c{1-[1+（id/f）2-2idsinθ/f]1/2}

其中，c為聲速;

根據計算可得到的延時數值，按計算式中得到的聚焦法則激發相控陣各晶片單元，是的發射出的超聲波通過疊加行程一個新的波陣面，在效果上相當于改變換能器的空間排列方式，達到超聲波聲束偏轉和特定位置聚焦的目的。反射波束在接收過程中，按特定的聚焦法則對接收的信號進行合成，再將合成的結果以圖像的形式直觀顯現，這就實現了超聲波聲束的動態聚焦，從而展現缺陷位置的尺寸和深度定位。

2.1 相控陣超聲檢測技術的適用范圍

相控陣超聲檢測技術適用于：簡單形狀部件 （板、管、圓柱體等）、復雜形狀部件（葉片、多臺階軸、螺柱等）、小徑薄壁管對接接頭、一般板、管對接接頭、正交角接接頭、非正交角接接頭、粗晶材料及異種鋼焊接接頭、長輸管道對接接頭（多通道分區聚焦技術）以及其他適用情況。

2.2 相控陣超聲檢測技術特點及局限

可實時實現彩色成像，立體展示缺陷位置便于缺陷的發現和判斷;

可實現線性掃查、扇形掃查和動態深度對焦，同時具備寬波束、多焦點的特性，檢測速度快，效率高;

適用范圍廣，基本可覆蓋工件壁厚4-200mm的焊接接頭檢測;

檢測靈活性好，可實現其他常規檢測技術不能實現的功能，如對設備、管道復雜位置的檢測，對特殊結構工件的檢測等;

容易檢測出不同形式、不同深度的缺陷，缺陷檢出率高，定量、定位準確率高;

掃查裝置操作簡單，便于作業人員操作和維護;

檢測結果直觀，受人為因素影響小，檢測影像數據資料便于存儲和調取;

可在任意時段實施，對作業環境要求低，可極大提高無損檢測效率;

對生產現場和作業人員無危害，安全環保。

檢測薄壁和復雜結構工件時需要和對象建模和聲場仿真緊密結合，對工藝制訂和檢測實施者以及檢測設備的要求均較高;

實際操作與工藝一致性要求高，一般宜配合使用機械掃查裝置。

2.3 相控陣超聲（PAUT）與射線（RT）相比較的技術特點

（1）相對射線檢測，相控陣超聲檢測對危害性面積型缺陷（裂紋、未熔合、未焊透）檢出率高，對非危害性的小尺寸體積型缺陷（氣孔、夾渣）檢出率略低。有利于消除重大安全隱患并減少不必要的返修工作，提高特種設備本質安全。

（2）相對射線檢測無法提供缺陷的深度和自身高度信息，相控陣超聲檢測可精確測定缺陷的深度及自身高度尺寸，對缺陷的判定更全面。

（3）射線檢測以底片影像的方式直觀顯示材料內部缺陷投影狀態，相控陣超聲檢測以檢測圖譜的方式顯示材料內部缺陷存在狀態，均具有類似直觀可記錄特點。

（4）射線檢測的主要優點之一在于缺陷定性較為直觀準確，相控陣超聲檢測以聲場的方式顯示缺陷狀態，缺陷的定性準確度與檢測工藝及技術人員水平有較大關聯性，通過優化檢測工藝并輔以經驗豐富的檢測技術人員可提升至與射線檢測相近水平。

（5）設備制造過程中采用相控陣超聲檢測，因其安全無輻射，不需要隔離或防護，可以與附近區域同時開展各項工作，有效保障設備制造進度，提升效率。

3 預脫甲烷塔概況

預脫甲烷塔進料為高壓脫丙烷塔回流罐液相和碳三洗滌塔釜液，壓力3.15MPa，釜溫14.2℃，頂溫-42.4℃，材質為S30408，屬于Ⅲ類壓力容器，自下而上，直徑依次縮小，分別為?5000×31600、?3200×3600、?1800×7350，中間有錐體過渡段。壁厚自下而上分別為78mm、80mm、78mm、52mm、32mm。

由于不帶加速器的RT探厚最大為80mm，該塔下段及錐體壁厚為78mm，因此，采用常規RT難以達到好的探傷效果。

根據比對結果，采用PAUT+UT+PT綜合檢測工藝可有效檢出超標缺陷，未發現缺陷漏檢情況。

塔中段真實焊縫驗證，也取得了相同結果。

本次檢測范圍自塔中段至下段?3200×78mm、?4034×80mm、?5000×78mm范圍。縱縫（代號A8-A25）自中段下筒節至下段最末端共計18節，51道縫;環縫18道（代號B8-B25），檢測方式為PAUT內外壁沿線掃查和內外壁鋸齒掃查，檢測區域為焊縫加兩側熱影響區各10mm，狀態為檢測區域表面打磨平整。器材選用：HS PA20-Fe型便攜式實用型多功能相控陣超聲波半自動掃查檢測儀，雙晶面陣探頭MA2.5-4X8X-3X2.7-D26，激發晶片數量為32個。楔塊型號SD26-55L（18.9。），耦合劑為水。基準靈敏度為?2×40-6dB，沿線及鋸齒掃查靈敏度為?2×40-6dB，橫向缺陷掃查靈敏度為?2×40-12dB，掃查速度為20mm/S。

共計發現缺陷53處，含消除缺陷后復測共計進行掃查423次，全部合格。

輔以UT進行檢測，消除缺陷，共計掃查127次，發現缺陷55處，整改后復測合格。

結束語：通過對相控陣超聲檢測技術在某乙烯裝置預脫甲烷塔制造過程中的應用，并與常用無損檢測方式的對比分析，可見相控陣超聲檢測技術可以應用于大型厚壁設備的無損檢測，具有可靠性好，檢測效率高，檢測結果直觀可視，受客觀環境因素影響小，操作靈活，安全性高等優勢。

相控陣超聲檢測技術輔以常規超聲檢測及表面無損檢測，不僅可以保證檢測的準確性，還能大幅提高檢測效率，加快設備制造進度。此外，相控陣超聲檢測技術安全性高，對生產及作業人員無影響，符合安全要求。

另希望總局能盡快將NB/T47013《承壓設備無損檢測》新版盡快發布，以便更好的將此技術進行推廣應用。