相控阵检测技术在压力容器内壁点腐蚀检测中的应用探讨
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相控阵检测技术在压力容器内壁 点腐蚀检测中的应用探讨 吴焕利,魏培生,李海华 (中国石油独山子石化分公司压力容器检验所,新疆独山子833600) 摘要:相控阵检测技术是利用电子方式控制相控阵探头合成的声束来实现超声波发射、接收的方 法。相控阵检测基本原理是:调整阵列换能器各阵元发射/接收的相位延迟,使得合成声束在一定 范围内形成聚焦、偏转等效果。它最突出的优点是:检测灵敏度高,检测结果直观、重复性好、可实 时显示。利用相控阵检测这一优点,采用0。线形扫查方式,研究压力容器在不开罐情况下实现内 壁母材点腐蚀的检测。 关键词:相控阵检测技术;不开罐;检测;内壁母材点腐蚀 中图分类号:TQ050.9;TG115.285 文献标识码:B 文章编号:1001—4837(2011)04—0057—08 doi:10.3969/j.issn.1001—4837.2011.04.011 Phased Array Inspection Technology in the Pressure Vessel Wall Pitting Corrosion Detection WU Huan—li,WEI Pei—sheng,LI Hai—hua (Petrochina Dushanzi Petrochemical Company of Dushanzi Pressure Vessel Inspection,Dushanzi 833600, China) Abstract:Phased array inspection technology is the use of electronic control of the synthesis of phased ar— ray probe beam to achieve ultrasonic transmitter and receiver of the method.Phased array testing is a bas— ic principle:to adjust the array transducer array transmit or receive the phase delay,making synthetic beam forming focus within a certain range,deflection and other effects.It is the most prominent advanta— ges are:high sensitivity,the test results directly,reproducible,real—time display.By useing of the ad- vantage of phased array inspection,adopting 0。linear sweep bad way to explore the open cans of pressure vessels in the inner wall of the base metal under the situation pitting corrosion detection. Key words:phased array inspection technology;can not open;detect;wall pitting corrosion of base metal 集中在一起,形成一片粗糙表面;它的危害主要 0引言 有:一是蚀孔过深时造成设备穿孔;二是蚀孔联片 时,造成设备局部区域减薄。两者都可能造成危 压力容器的点腐蚀也称孔腐蚀,它的孔径有 害性的后果 ¨。 大有小,深度有深有浅,一般独立存在,也可紧密 常规超声检测受仪器和探头性能的影响,对 57 CPVT 相控阵检测技术在压力容器内壁点腐蚀检测中的应用探讨 VoW8.No4 2011 靠近内壁的面积型点腐蚀不易分辨,对自身深度 较深的点腐蚀仅从波形显示中能判定缺陷的位 2相控阵检测技术应用在压力容器内壁点腐蚀 置,但不能区分是母材分层(或夹渣类)还是内壁 检测中可行性分析 延伸性点腐蚀缺陷,往往到压力容器母材发生泄 漏才发现。而尽管超声测厚的检测精度一般都能 2.1压力容器内壁点腐蚀形貌特点 达到土0.1 mm,但仪器本身无缺陷信号显示,且 有一定的面积和深度,一般独立存在,也可紧 采点选择随机性大,仅能对有一定面积的局部减 密集中在一起,形成一片粗糙表面,呈面积状分 薄进行宏观测厚。而相控阵检测借助相控阵仪器 布…。有些文献中也称之为孔蚀,加工过程的锤 独特的多通道设计和强大的与多晶片探头相匹配 击坑或表面机械擦伤部位将优先发生和发展孔 的数据分析、计算和处理能力,实现对成像结果的 蚀。因为多数蚀孔很小,又常被腐蚀产物覆盖,:故 准确定量和定位。 常常难以发现,直至设备腐蚀穿孔后才被发现,所 以是隐患和破坏性最大的腐蚀形态之一 。 1 相控阵检测技术原理及应用情况 2.2 面积状缺陷的常规超声检测方法 压力容器一般采用钢板或锻件作为母材材 相控阵检测技术是利用电子方式控制相控阵 料,这些材料在进行压力容器制造前,一般要求对 探头合成的声束来实现超声波发射、接收的方法。 其进行超声波探伤 J,合格后方能进行压力容器 相控阵检测基本原理是:调整阵列换能器各阵元 制造。目前,国内压力容器制造和检验中采用的 发射/接收的相位延迟,使得合成声束在一定范围 无损检测标准为JB 4730--2005(承压设备无损检 内形成聚焦、偏转等效果。阵列是换能器晶片的 测》,对面积状缺陷的检测主要是针对压力容器 组合,它为确定的不连续性的形状,大小和方向提 本体母材进行的,常规超声检测对钢板或锻件中 的面积型缺陷采用的是纵波0。直探头检测,钢板 供出比单个或多个换能器系统更大的能力 ]。 中缺陷面积的确定是以缺陷在垂直板材厚度方向 在我国,这项技术的研究起步较晚,但近几年,相 的投影来确定缺陷面积的测定区域的,锻件中则 控阵检测技术在我国已经得到逐步应用,尤其在 对面积型缺陷未作面积大小的测量要求 J,但不 长输管道焊缝检测和锅炉压力容器的焊缝检测 论哪种情况,在对缺陷进行定量时,均将具有一定 中。 深度的平底孔作为检测灵敏度而对缺陷进行当量 相控阵检测技术最突出的优点是:检测灵敏 定量的。 度高,检测结果直观、重复性好、可实时显示。但 2.3相控阵检测技术的扫查方式 将相控阵检测技术应用在压力容器母材内壁点腐 常见的相控阵扫查方式有3种(见图1):线 蚀的检测中,还比较少。 形扫查、扇形扫查和深度聚焦。 鱼 i墼! 曼£ £墨延 e. th b H虹ng ●D.畸● 曲 , :::一. ——■— 一 p“I -55…… .- ̄一Q_lllt-g 嘞一 . :: 图l 相控阵检测常见的扫查方式 由于0。线形扫查方式可以获得平底孑L最大 无损检测——超声检测部分》中对钢板和锻件中 的反射信号,并且与JB/4730.3 005《承压设备 面积缺陷的扫查方式相同,所不同的只是二者探 58 第28卷第4期 压 力 容 器 总第221期 头的晶片数量:常规超声检测探头晶片为1个或 2个,而相控阵探头晶片数量可以达到上百个。 到满刻度的50%,再降低3 dB作为基准灵敏度。 对对比试块上所设计的模拟平底孑L进行测 试,测试结果表明:在该灵敏度条件下,利用现有 的相控阵仪器和探头,相控阵检测对直径≥1 试验表明,晶片数量的多少将直接影响检测结果。 晶片数量越多,波束聚焦效果越好。因此,在保证 楔块与工件耦合良好的情况下,尽量选择晶片数 量多的探头。因此,对容器内壁腐蚀的相控阵检 测扫查方式选择的是图1中的a:0。线扫方法,选 择的探头晶片数量为64或128晶片的阵列式探 mm、深度≥1 mm的单个平底孔都能成像显示;对 相邻间距≥2.0 mm、深度≥1.0 mm的相邻平底 孔成像能够分辩。 3.2.2基准/扫查灵敏度的确定 头。 3关键技术 3.1 对比试块的设计 相控阵检测也是基于常规超声检测原理,与 所有超声检测类仪器一样,对缺陷的成像与缺陷 所处的位置和缺陷的自身大小有关,靠近容器内 表面的点腐蚀坑究竟与内表面成像在什么情况下 (直径和深度)可以分辨出来,是设计对比试块的 目的。因此,设计的对比试块应满足如下要求: (1)与现有的超声检测标准(如JB/T 4730.3—2005)可以实现很好的接轨; (2)便于实现缺陷的定量比对; (3)将人工制作模拟腐蚀孔的间距设计为渐 次增大(或缩小),模拟孔要有一定的面积和深 度,且与腐蚀孔形貌相近,考虑到浅(小于0.5 mm)而面积较大的单个腐蚀孑L在实际中对容器的 安全使用影响甚微…,因此将对比试块的模拟孔 主要设计为最大孔径2.0 mm、孔深为1.5 mm的 系列平底孔; (4)满足仪器分辨能力的测试要求。 3.2灵敏度的确定 3.2.1分辨力测试 在进行相控阵0。线形扫查过程中,增益值的 大小将影响检出缺陷的判定。增益值偏高或偏 低,将降低缺陷与周围背景的对比度,影响缺陷分 辨力,从而影响缺陷的定量分析,使缺陷的当量尺 寸偏大或偏小。因此,选择适当的增益值,既可以 保证足够的检测灵敏度,又能够保证缺陷的成像 与周围背景很好地区分,同时使得A扫显示无明 显的草状干扰波。经试验得出,底波或缺陷波达 到满波幅的50%~70%时,缺陷能够达到较理想 的成像效果。因此,进行分辨力测试时,选择将与 对比试块等厚度处的02 mm平底孔的波高调整 利用确定的不同深度 2 mm平底孔当量的 基准灵敏度,采用JB/T 4730.4 o05中的CS I/11试块进行灵敏度的确定,根据需要,可以制 作相应的距离~波幅曲线。 图2示出在实验室制作(采用CS一Ⅱ试块) 的同一深度下,同一基准灵敏度人工系列平底孔 (02,03,04,06 mm)直径与实测当量平底孔直 径关系曲线,现场检测可通过该图大致完成对缺 陷当量直径的判断。 昌 g J , 斗 魁 4 6 人工平底孔直径/mm 图2 同一深度下,同一基准灵敏度人工系列 平底孔与实测当量平底孑L直径关系曲线 3.2.3耦合补偿的确定 将探头置于与检测工件厚度一致的无缺陷位 置的参考试块上,将大平底波高置于某一增益值 上,然后不改变任何工艺参数,将探头置于被检测 工件上,此时降低的dB值即可认为是耦合补偿 值。 4实际验证情况 4.1 现场验证 根据所制订的工艺,分别对某石化装置2台 59 CPVT 相控阵检测技术在压力容器内壁点腐蚀检测中的应用探讨 Vo128.No4 2011 常减压换热器H1/H2、一台液化气残液罐R一6、1 壁造成腐蚀,由于水的密度大,因此,腐蚀发生部 位可能在球罐的底部。因此选择对底部的第一道 温带板的第17,18,19块板进行外部相控阵检测。 对从第一道环焊缝沿A17,A18,A19向上拆1500 台液化气球罐G182 进行了现场成像检测工艺验 证,成像发现可能为腐蚀成像特性或内壁凹坑的 缺陷12处,后经进罐验证,排除内表面分层类或 夹渣类缺陷7处,其余5处均为内表面具有一定 深度的腐蚀坑或凹坑。 4.2典型缺陷成像数据分析及结果验证 2009年5月,检验人员对某装置182 球罐 (1000 mm ,012400 mm×42 mm,材质16MnR、 mm的距离范围内的3块板面积范围内均打磨清 理干净,测厚仪从外壁所测平均壁厚为41 mm。 经对打磨部位实施相控阵检测,成像结果显示,在 第18块板上发现5处明显缺陷(见图3~7),其 中20090520一A18—1(缺陷1)常规超声检测波 形见图8。 介质为液化气)进行检验,如果含水,则可能对罐 20090520一A18—1:缺陷水平位置:53.0mm;缺陷深度:35.9 him;缺陷当量尺寸:55.0—51.0= 4.0mm。图中:设置聚焦深度:40.0mm;分析软增益3.1 dB;缺陷边缘实测壁厚:40.8mm。 图3 182 球罐典型缺陷成像1 4.3宏观验证 明显肉眼可见缺陷,其中的3处分别对应相控阵 182 球罐内部18号板部分缺陷分布位置及 形貌见图9。 182 球罐内部18号板部分缺陷数据分析如 表1所示。 检测的18 一2,18 一3,18 一4号缺陷,在距离环 焊缝110和980 mm的位置发现2处凹坑,由于靠 近焊缝太近(30 mm),影响探头扫查行进方向,无 法检测; 对表1中数据结果综合分析得出: (1)缺陷水平定位误差:≤±5 mm(满足超声 (3)对18 一1缺陷进行常规超声波复查,测 出深度为36.0 mm,与相控阵检测相差0.1 lain, 检测水平定位误差); (2)罐内宏观检查在第18块板共发现5处 60 <05 mm当量。18 一2,18 一3,18 一4缺陷测深 误差<0.5 mm。 第28卷第4期 压 力 容 器 总第221期 83 9 l9 2 20090520一AI8—2:缺陷化置:104 arm;缺陷深度:38.2 mm;底波最大波位置:40.9 mm;缺陷附近实测壁厚:4O.3 mm。 图4 182 球罐典型缺陷成像2 5结语 通过现场工艺实施和验证,笔者认为:只要工 蓑案 冀 篓 6l 的。目前,国内外关于利用相控阵检测点腐蚀的 相控阵检测技术在压力容器内壁点腐蚀检测中的应用探讨 Vo128.No4 2011 匡 耋 47 8 \ 羹 24 3 1,、 3∈ S] 导 2.\、~ ,、 /\ / l 、 1,、 ln 7, J \A^ 一 IB0 I 缺陷3 20090520一A18—3分析结果:缺陷水平位置:45.0mm;缺陷深度:38.5mm;缺陷当量尺寸:47.0—43.0:4.0mm。图中 设置聚焦深度:40.0 mm;分析软增益3.1 dB;缺陷边缘实测壁厚:40.2 mm。 图5 182 球罐典型缺陷成像3 相关标准还没有出台,所以制订了《压力容器内 在进行检测前,对仪器和探头组合,必须进行 壁点腐蚀相控阵检测》企业标准,对压力容器内 分辨力测试,明确所选仪器和探头组合的分辨力。 壁点腐蚀的检测工作提供了技术依据,但在利用 5.2工艺参数选择 相控阵进行0。线扫之前,应解决好以下问题。 影响相控阵成像精度的原因很多,包括扫查 5.1 测试仪器和探头的分辨力 方法、晶片数量、增益值、聚焦深度、基准灵敏度和 62 第28卷第4期 压 力 容 器 总第221期 20090520一Al8-4分析结果:缺陷水平位置:121 0film;缺陷深度:39.1 mm;缺陷当量尺寸 J23.叭一J13.0=10mm 罔巾:设置聚焦深度:40.01'][1111;分析软增益3,J fiB;缺陷边缘实测壁厚: 40.5 lllm 图6 182 球罐典型缺陷成像4 缺陷5 20090520一A1 8-5分析结果:缺陷水平位置 30.0lItgl;缺陷深度:33.5 mm;缺陷当量尺寸:30.0 一28.0=2 mill一罔巾:设置聚焦深度:40.0 mill; 分析软增益3.I dB;缺陷边缘文测壁厚:40.9 Film。 图7 182 球罐典型缺陷成像5 63 相控阵检测技术在压力容器内壁点腐蚀检测中的应用探讨 Vo128.No4 2011 图8 20090520一A18一l(缺陷1)常规超声检测波形图 耦合补偿的选择。检验人员在检测前应根据所选 择工艺参数以及检测对象,选择完成对已知标准 平底孑L的当量测定,必要时制作相应的当量曲线。 现场检测时,可以依据不同的工件厚度和缺陷可 能存在的位置,对 , 3, , mm孔进行同深 度测准(以02 mm孔为基准),制作出同深度同 基准灵敏度下人工系列平底孔(02, 3,04,06 mm)直径与实测当量直径的一组关系曲线,实际 测量过程中,可根据具体需要增加人工平底孔直 径和孔深,通过关系曲线得出实测缺陷的当量大 小。现场检测过程中,考虑到由于工件的表面粗 糙度和厚度引起的衰减,应考虑选取耦合补偿。 一起始 (a)进罐验证宏观发现缺陷 (b)缺陷形貌 图9 182 球罐内部18号板典型缺陷分布位置及形貌图 表1 182 球罐测量数据分析 缺陷 缺陷深度 缺陷距离内 缺陷水平位置/ram 编号 位置/ram 表面位置/ram 相控阵 距离起始位置 缺陷当量大小 检测 (含L2) /mm 现场验证(进罐: 情况 距焊缝水平 焊缝检验尺 实测缺陷大小 位置/ram 测深/mm (长径×短径) 在79 mm 附近未发 现,可以 18 一1 35.9 4.9 53.0 53+27 4.0 确定为靠 近内表面 分层类缺 陷 未发现 18 一2 38.2 2.1 1.7 104.0 45.0 14+27 040O+45+27 7.O 4.0 128.0 472.0 打磨前1.8 /瓠瘫岳19 .04 5×7 18 一3 38.5 1.5,未打磨 18 一4 39.1 1.4 121.O 800+121+27 10.0 935.0 在l277nlri1 1.2,未打磨 10 X5 18 一5 33.5 7.4 30.0 1200+3O+27 2.0 附近未发 现,可以 确定为靠 未发现 近内表面 分层类缺 陷 注:探头扫查前沿至楔块边缘距离为L2:12+15=27 iYlm,一次扫查距离400 mm。 (下转第46页) CPVT 法国核电设备标准RCC—M规范Ⅳ卷焊接篇的应用体会 VoW8.Nod-201 1 (6)焊条堆焊时的使用尺寸 进型核电机组等多数核电站均按RCC—M标准 RCC—M¥3615中规定不锈钢焊条堆焊时, 执行。 评定试件的第1层堆焊采用生产中第1层堆焊使 目前,我国正处于核电大发展的阶段,只有深 用的E309L最大直径焊条,第2层E308L堆焊采 入理解和把握RCC—M标准内容,从焊接、检验、 用直径不得大于第1层。RCC—M¥3715中同样 管理等多方面进行质量检测和控制,严格遵循标 规定镍基合金焊条堆焊时,第2层堆焊使用的焊 准规范要求,才能从根本上保证焊接质量,保证核 条直径不应超过第1层。 电站在设计寿命周期内安全、可靠地运行。 (7)不同堆焊工艺的叠加 RCC—M¥3650和RCC—M¥3760中均规 参考文献: 定,用不同的焊接工艺叠加熔敷金属产生的堆焊 层必须进行专门的焊接工艺评定。例如,若在 [1] 核工业第二研究设计院,压水堆核岛机械设备设计 309L焊条堆焊层上堆焊EQ308L焊带,应该单独 和建造规则(RCC—M)[S].1993. 进行相应评定。 [2] RCC—M,Design and Construction Rules for Mechani- cal Components of PWR Nuclear Islands Edition 2000 4结语 and Addendum June 2002[S]. 收稿日期:2011—01一l7修稿日期:2011—02—28 法国核电设备标准RCC—M借鉴了ASME 作者简介:李双燕(1978一),男,焊接工程师,主要从事核 标准,在实践中有成功的应用,是一部安全性、操 电设备和化工压力容器焊接技术工作,通信地址:201306 作性较强的核电设备制造规范。 上海市浦东新区临港重型装备产业区层林路77号上海 由于RCC—M标准更贴近中国核电的建设 电气核电设备有限公司工程技术部,E—mail:lishy@ 发展,在设备制造上,我国在建的和筹划的二代改 shanghai—electric.tom。 (上接第64页) 5.3存在问题 动出版社,1999:91—91. 由于相控阵检测对分层类和贯穿至内壁的腐 [3]美国无损检测学会.美国无损检测手册・超声卷 蚀孔在扫查方向上如果二者投影面积(C扫)相 (上册)[M].上海:世界图书出版公司,1996:438— 同,则在成像上不能区分二者,尤其是对于位于内 443. 壁附近的分层类缺陷,往往会使人误判为腐蚀类 [4] 李海华,赵立凡,郭兴建,等.应用相控阵检测技术 缺陷,这是相控阵检测中存在的不足。因此,在以 在钢制对接焊接接头的检测实例与分析研究[J]. 压力容器,2008,25(8):l3—18. 后的检测过程中,除了判定缺陷在工件中的位置, [5] 全国锅炉压力容器无损检测人员资格考核委员会. 还要仔细观察底波的变化或者采用其他的检测手 超声波探伤[M].北京:中国锅炉压力容器安全杂 段。目前还没有较好的解决办法,只能在今后的 志社,1995:155—186. 实际应用中,积累对缺陷的判定和识别经验。 [6]JB/T 4730.4—2o05,承压设备无损检测[S]. 参考文献 收稿日期:2010—12—09修稿日期:2011—02—15 作者简介:吴焕利(1969一),女,高级工程师,无损检测高 [1] 王志文,高忠白,邱清字.压力容器安全技术及事故 级人员,主要从事无损检测工作,通信地址:833600新疆 分析[M].北京:中国劳动出版社,2000:342—343. 独山子中国石油独山子石化分公司压力容器检验所,E— [2]李建华,冯素霞.压力容器检验[M].北京:中国劳 mail:yjy_whll@petrochina.com.en。
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