加氫反應器法蘭密封槽裂紋的檢測和定量

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
加氫反應器是石化裝置的關鍵設備，長期在高溫、高壓、臨氫環境下運行，會導致材料脆化，在應力作用下產生開裂。裂紋較多出現在凸臺和法蘭密封槽等應力集中部位【1】，裂紋的存在和擴展降低了反應器的安全性能。對反應器安全性能評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據，因此裂紋高度的精確測量成為安全評估是否可靠的關鍵。筆者對凸臺和法蘭密封槽裂紋高度測量進行了研究。本文介紹一種應用特殊工裝和工藝的TOFD超聲技術，對奧氏體不銹鋼鍛件法蘭密封槽裂紋高度進行測定的方法。

2.檢測對象的基本情況

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

3.法蘭密封槽裂紋高度測量的難點分析
滲透檢測方法，可有效檢測法蘭密封槽裂紋及長度，但對裂紋高度無法檢測和定量。渦流檢測、電導率測深方法定量精度很低、效果差。因結構原因射線檢測、脈沖反射法超聲檢測均無法實施。曾嘗試采用相控陣檢測方法，但有關仿真試驗【2】表明，應用該方法的裂紋檢測靈敏度、高度測量精度較低。
TOFD檢測方法是一種可精確測定缺陷高度的新技術，它采用一收一發探頭組，相對缺陷同面對稱布置，檢測缺陷上、下端點衍射信號，以D、B掃描黑白圖像顯示缺陷端點位置，用專用分析軟件計算兩者間時差，來測量缺陷的長度和高度【3】。

然而，對法蘭密封槽裂紋而言，由于結構及尺寸的限制，可供選擇的有效檢測面少、探頭組同面對稱布置難以實現，加上US321鍛件晶粒較粗，檢測圖像信噪比較低。需要對TOFD檢測方法加以改進，才能實現其應用。

4.法蘭密封槽裂紋TOFD法檢測和定量
4.1模擬裂紋試塊和自然裂紋試塊
利用反應器上更換下的法蘭，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
檢測面選擇密封面，采用異面非對稱探頭布置方式, 研制專用探頭和專用掃查裝置, 以滿足不同規格法蘭密封槽裂紋檢測掃查的需要。

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，對密封槽內、外側模擬裂紋進行檢測和定量試驗，以確保對較小裂紋的識別（信噪比>6dB）。

4.4模擬裂紋的檢測和定量
圖5、圖6是對密封槽內、外側模擬裂紋的TOFD檢測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。單個的5×1mm模擬裂紋可以檢出。

從表2結果看，高度測量誤差最大值為0.3mm。長度測量誤差大是因環形掃查時編碼器位置造成的，完全可以通過校準和計算修正【4】，控制在應有的范圍。
4.5自然裂紋的檢測和定量
采用模擬裂紋檢測和定量的工藝，對圖4所示的密封槽自然裂紋進行檢測，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，峰谷差測量值＜1.0mm。圖8圖像右側為較深自然裂紋部位，測量值為2.1mm。

4.6自然裂紋的解剖
對圖7相應自然裂紋部位解剖，確認裂紋高度最大為0.5mm。對圖8相應自然裂紋部位，取裂紋高度較大區段解剖，采用PT法和顯微方法測量裂紋高度，測量結果見表3。

表3顯示自然裂紋最大高度測量值為2.5mm，與TOFD方法最大測量值2.1mm相比，誤差為-0.4mm。
5.結論
⑴采用特殊的TOFD超聲檢測工藝，結合專用工裝和專用探頭，可實現反應器法蘭密封槽裂紋的檢測和定量。
⑵法蘭密封槽裂紋的檢測靈敏度達到5×1mm（長度×高度），裂紋高度測量誤差＜0.5mm，完全滿足工程應用中反應器安全評估的要求。
⑶該技術適用于多種規格、材質法蘭密封槽裂紋的檢測和定量，具有實際應用價值。

參考文獻
【1】孫永令等，加氫反應器應力有限元分析報告，北京鋼鐵研究總院，2009.10
【2】李志軍等，法蘭試件檢測仿真報告，麥瑞克斯技術（北京）有限公司，2008.2
【3】強天鵬，超聲衍射時差（TOFD）檢測技術，全國特種設備無損檢測人員考委會，2008.1
【4】陳永強等，加氫反應器法蘭密封槽裂紋檢測和定量研究報告，中石化集團金陵分公司，2009.10

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