加氫反應(yīng)器法蘭密封槽裂紋的檢測(cè)和定量

只看該作者 · 2014-4-24 10:42:00

本帖最后由自由鳥/;f 于 2014-4-24 10:43 編輯

1.前言
加氫反應(yīng)器是石化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，長期在高溫、高壓、臨氫環(huán)境下運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致材料脆化，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生開裂。裂紋較多出現(xiàn)在凸臺(tái)和法蘭密封槽等應(yīng)力集中部位【1】，裂紋的存在和擴(kuò)展降低了反應(yīng)器的安全性能。對(duì)反應(yīng)器安全性能評(píng)估迫切需要獲得裂紋的精確尺寸，尤其是裂紋自身高度的數(shù)據(jù)，因此裂紋高度的精確測(cè)量成為安全評(píng)估是否可靠的關(guān)鍵。筆者對(duì)凸臺(tái)和法蘭密封槽裂紋高度測(cè)量進(jìn)行了研究。本文介紹一種應(yīng)用特殊工裝和工藝的TOFD超聲技術(shù)，對(duì)奧氏體不銹鋼鍛件法蘭密封槽裂紋高度進(jìn)行測(cè)定的方法。

2.檢測(cè)對(duì)象的基本情況

圖1.所示US321奧氏體鍛件法蘭，采用凸面榫槽型密封結(jié)構(gòu)（梯形密封槽），晶粒度1-2級(jí)。使用中因材料脆化和應(yīng)力集中引起梯形槽底內(nèi)、外側(cè)R處開裂，裂紋宏觀形貌為環(huán)向微曲斷續(xù)狀分布(圖2)，解剖顯示裂紋深度方向走向基本垂直于表面，曲折連續(xù)有分叉。

3.法蘭密封槽裂紋高度測(cè)量的難點(diǎn)分析
滲透檢測(cè)方法，可有效檢測(cè)法蘭密封槽裂紋及長度，但對(duì)裂紋高度無法檢測(cè)和定量。渦流檢測(cè)、電導(dǎo)率測(cè)深方法定量精度很低、效果差。因結(jié)構(gòu)原因射線檢測(cè)、脈沖反射法超聲檢測(cè)均無法實(shí)施。曾嘗試采用相控陣檢測(cè)方法，但有關(guān)仿真試驗(yàn)【2】表明，應(yīng)用該方法的裂紋檢測(cè)靈敏度、高度測(cè)量精度較低。
TOFD檢測(cè)方法是一種可精確測(cè)定缺陷高度的新技術(shù)，它采用一收一發(fā)探頭組，相對(duì)缺陷同面對(duì)稱布置，檢測(cè)缺陷上、下端點(diǎn)衍射信號(hào)，以D、B掃描黑白圖像顯示缺陷端點(diǎn)位置，用專用分析軟件計(jì)算兩者間時(shí)差，來測(cè)量缺陷的長度和高度【3】。

然而，對(duì)法蘭密封槽裂紋而言，由于結(jié)構(gòu)及尺寸的限制，可供選擇的有效檢測(cè)面少、探頭組同面對(duì)稱布置難以實(shí)現(xiàn)，加上US321鍛件晶粒較粗，檢測(cè)圖像信噪比較低。需要對(duì)TOFD檢測(cè)方法加以改進(jìn)，才能實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用。

4.法蘭密封槽裂紋TOFD法檢測(cè)和定量
4.1模擬裂紋試塊和自然裂紋試塊
利用反應(yīng)器上更換下的法蘭，制作密封槽模擬裂紋試塊(圖3)，采用電火花方法加工模擬裂紋(表1),保留帶裂紋的法蘭部分為自然裂紋試塊(圖4)。

4.2探頭布置及掃查裝置
檢測(cè)面選擇密封面，采用異面非對(duì)稱探頭布置方式, 研制專用探頭和專用掃查裝置, 以滿足不同規(guī)格法蘭密封槽裂紋檢測(cè)掃查的需要。

4.3探頭選擇
利用圖3所示模擬試塊，分別采用不同頻率、晶片尺寸、斜楔角度探頭組，對(duì)密封槽內(nèi)、外側(cè)模擬裂紋進(jìn)行檢測(cè)和定量試驗(yàn)，以確保對(duì)較小裂紋的識(shí)別（信噪比>6dB）。

4.4模擬裂紋的檢測(cè)和定量
圖5、圖6是對(duì)密封槽內(nèi)、外側(cè)模擬裂紋的TOFD檢測(cè)B掃圖像，從左至右尺寸(長度×高度)分別為20×6mm、10×2mm、20×4mm、5×2mm、20×2mm、10×1mm、20×1mm、5×1mm。單個(gè)的5×1mm模擬裂紋可以檢出。

從表2結(jié)果看，高度測(cè)量誤差最大值為0.3mm。長度測(cè)量誤差大是因環(huán)形掃查時(shí)編碼器位置造成的，完全可以通過校準(zhǔn)和計(jì)算修正【4】，控制在應(yīng)有的范圍。
4.5自然裂紋的檢測(cè)和定量
采用模擬裂紋檢測(cè)和定量的工藝，對(duì)圖4所示的密封槽自然裂紋進(jìn)行檢測(cè)，得到圖7、圖8所示B掃描圖像。圖7圖像顯示，直通波不是一條直線，并有明顯的波浪，峰谷差測(cè)量值＜1.0mm。圖8圖像右側(cè)為較深自然裂紋部位，測(cè)量值為2.1mm。

4.6自然裂紋的解剖
對(duì)圖7相應(yīng)自然裂紋部位解剖，確認(rèn)裂紋高度最大為0.5mm。對(duì)圖8相應(yīng)自然裂紋部位，取裂紋高度較大區(qū)段解剖，采用PT法和顯微方法測(cè)量裂紋高度，測(cè)量結(jié)果見表3。

表3顯示自然裂紋最大高度測(cè)量值為2.5mm，與TOFD方法最大測(cè)量值2.1mm相比，誤差為-0.4mm。
5.結(jié)論
⑴采用特殊的TOFD超聲檢測(cè)工藝，結(jié)合專用工裝和專用探頭，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器法蘭密封槽裂紋的檢測(cè)和定量。
⑵法蘭密封槽裂紋的檢測(cè)靈敏度達(dá)到5×1mm（長度×高度），裂紋高度測(cè)量誤差＜0.5mm，完全滿足工程應(yīng)用中反應(yīng)器安全評(píng)估的要求。
⑶該技術(shù)適用于多種規(guī)格、材質(zhì)法蘭密封槽裂紋的檢測(cè)和定量，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)
【1】孫永令等，加氫反應(yīng)器應(yīng)力有限元分析報(bào)告，北京鋼鐵研究總院，2009.10
【2】李志軍等，法蘭試件檢測(cè)仿真報(bào)告，麥瑞克斯技術(shù)（北京）有限公司，2008.2
【3】強(qiáng)天鵬，超聲衍射時(shí)差（TOFD）檢測(cè)技術(shù)，全國特種設(shè)備無損檢測(cè)人員考委會(huì)，2008.1
【4】陳永強(qiáng)等，加氫反應(yīng)器法蘭密封槽裂紋檢測(cè)和定量研究報(bào)告，中石化集團(tuán)金陵分公司，2009.10

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