在役壓力容器搭接角焊縫的相控陣超聲檢測

唐飛陽亮，楊 晶，魏培生,徐國良

(1.中國石油 獨山子石化分公司設備研究所，克拉瑪依 833699；2.中國石油 獨山子石化分公司機動處，克拉瑪依 833699)

壓力容器的焊接接頭分為A,B,C,D,E等5類，其中非受壓元件與受壓元件的連接接頭為E類焊接接頭。E類焊接接頭常見于墊板與容器壁的焊縫、帶補強圈的接管與殼體的連接、裙座與封頭的連接等結構中，以搭接角焊縫的形式出現。

在役壓力容器在啟停和運行過程中，瞬間的溫度變化和運行工況波動都會對其產生較大的應力，當搭接角焊縫中存在未熔合和未焊透等焊接缺陷時，這些焊接缺陷就會造成應力集中，進而對容器的筒體母材造成損傷,使介質泄漏，甚至發生著火爆炸等事故。因此，對搭接角焊縫進行無損檢測十分重要。

1 搭接角焊縫的無損檢測

通過對壓力容器搭接角焊縫制造時的焊接工藝、使用時的工況等多方面進行調研，發現壓力容器搭接角焊縫在施工過程中易出現的缺陷主要有未熔合、未焊透、氣孔和夾渣等[1]，壓力容器在在役過程中還可能產生疲勞裂紋[2]，進而導致容器筒體母材開裂。目前，主要采用滲透檢測和磁粉檢測方法對搭接角焊縫的表面質量進行檢查。對于內部缺陷，由于存在較大的厚度差，所以對其進行射線檢測存在一定的困難。即使采用提高透照能量、雙膠片以及補償厚度等方法來降低檢測難度，該方法仍然存在難以保證底片靈敏度，檢測效率低以及檢測時需要輻射防護等問題。在對搭接角焊縫進行常規超聲檢測時，由于其結構特殊，所以容易誤判或者漏檢重要缺陷。

因此，目前還沒有較為完整可靠的在役壓力容器搭接角焊縫內部缺陷的檢測方法。隨著相控陣超聲檢測技術的迅速發展，相控陣超聲檢測技術的運用越來越普遍，這種技術具有許多優點：只用單探頭在固定位置就可以檢出不同位置和方向的裂紋及其他缺陷；可以對各類焊縫的結構形式進行仿真，并且模擬聲場在焊縫中的覆蓋和傳播情況；檢測結果以圖譜形式顯示，為缺陷的定位、定量、定性和定級等提供了豐富的信息[3]，所以可以采用相控陣超聲檢測技術對在役壓力容器搭接角焊縫的內部缺陷進行檢測。

2 搭接角焊縫的相控陣超聲檢測

2.1 人工缺陷試塊

為了完成搭接角焊縫的相控陣超聲檢測并確認檢測工藝，筆者根據搭接角焊縫、墊板和母材的結構設計了對比試塊，并在試塊中加工人工缺陷，模擬實際工況下可能存在的典型自然缺陷，對比試塊及人工缺陷尺寸如圖1所示。

圖1 對比試塊及人工缺陷尺寸示意

在試塊1的模擬焊縫區域中心加工了直徑為2 mm的通孔，用于模擬焊縫中的氣孔和夾渣缺陷；在試塊2的模擬焊縫區域熔合線處加工了4條寬為0.5 mm，自身高度為2 mm的人工槽，用于模擬未熔合或未焊透缺陷在應力作用下的應力開裂；在試塊3的母材上加工了4條寬為0.5 mm，自身高度為2 mm的人工槽，用于模擬母材的應力開裂。

2.2 檢測結果與分析

選用具有焊縫仿真模擬成像功能的ISONIC 2010型便攜式相控陣超聲檢測系統，該系統可對不同被檢測工件的幾何結構進行仿真或者對其真實結構進行實時顯示。在檢測時，操作人員利用該功能可方便快捷地對工件中出現的缺陷信息進行判斷和評定。這樣可以極大地降低檢測時誤判及錯判的概率，保證檢測結果的真實性、有效性及可靠性。

系統對焊縫結構的仿真模擬如圖2所示，該系統通過設置焊縫寬度、表面余高高度、根部寬度等參數，描繪出工件的真實幾何結構和焊接位置，圖2中紅圈標注的區域就是模擬的搭接角焊縫區域，檢測時只需關注該區域中的回波信號，就可避免幾何結構反射信號造成的誤判。

圖2 系統對焊縫結構的仿真模擬

系統的聲場覆蓋設置如圖3所示，該系統還可以快速設定探頭激發與接收單元的陣列孔徑、入射角度、聚焦深度、掃查角度范圍、掃查角度步進等檢測參數，通過調整探頭位置，來確保聲場能夠全面覆蓋檢測區域。

圖3 系統的聲場覆蓋設置

按照保證聲場全覆蓋的工藝參數，對相控陣檢測系統進行設置，并對試塊內的人工缺陷進行相控陣超聲檢測，人工缺陷的S型顯示及形貌如圖4所示，可以發現搭接角焊縫中各個位置的缺陷均能被有效檢出，并且通過焊縫仿真的功能可以詳細地展示出缺陷的水平位置和埋藏深度。

圖4 試塊中人工缺陷的S型顯示及形貌

通過分析檢測數據可以發現，相控陣超聲檢測對于缺陷的定位較為精確，水平定位誤差為-1.01.0 mm，埋藏深度測量精度為-1.61.6 mm；對于缺陷尺寸的測量，相控陣超聲檢測結果均偏大。

3 應用案例

某吸附器在使用期間，其平臺南側的揮發性氣體監測儀報警，發生現場氣體泄漏事故。經檢查，排除了周圍管線和吸附器本體泄漏的可能性。檢測人員懷疑是平臺支撐墊板與吸附器連接的搭接角焊縫開裂造成的，就對該焊縫進行了無損檢測。

首先采用滲透檢測方法對該搭接角焊縫進行表面缺陷檢測，未發現缺陷。由于吸附器內存有大量催化劑，開罐檢測會造成催化劑失效，所以檢測人員采用相控陣超聲檢測工藝對搭接角焊縫的內部缺陷進行了檢測，發現搭接角焊縫內部存在貫穿吸附器母材的裂紋(見圖5)。

圖5 某搭接角焊縫缺陷圖譜

分析缺陷圖譜可以發現，在墊板覆蓋下的吸附器母材部位存在貫穿性裂紋，外表面裂紋的檢測結果為101 mm，內表面裂紋的檢測結果為58 mm；裂紋在母材內沿厚度方向呈現“S”形走向，外表面開口在搭接角焊縫的焊根處，內表面開口在搭接角焊縫焊趾處的正下方。為了確認相控陣超聲檢測結果的準確性，檢測人員最終決定開罐對容器內表面進行熒光磁粉檢測，在容器內表面的對應部位發現一處裂紋，長度為59 mm。車間對該容器進行報廢處理，并對缺陷部位進行檢測，結果如圖6所示，裂紋的內表面開口長度、在母材內部的走向、內外表面位置等均符合相控陣超聲檢測對裂紋的判定，相控陣超聲檢測結果準確。

圖6 缺陷處的熒光磁粉檢測及滲透檢測結果

4 結語

通過完整的實驗室相控陣超聲檢測工藝試驗，確定了關鍵工藝參數，驗證了檢測工藝的可行性。該工藝方法可以解決在役壓力容器搭接角焊縫內部缺陷不易檢測的難題，提高了檢測在役壓力容器搭接角焊縫內部缺陷的效率和可靠性。