在役壓力容器搭接角焊縫的相控陣超聲檢測

壓力容器的焊接接頭分為A,B,C,D,E5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(jié)構(gòu)中，以搭接角焊縫的形式出現(xiàn)。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(chǎn)生較大的應(yīng)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(yīng)力集中，進而對容器的筒體母材造成損傷，使介質(zhì)泄漏，甚至發(fā)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。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(diào)研，發(fā)現(xiàn)壓力容器搭接角焊縫在施工過程中易出現(xiàn)的缺陷主要有未熔合、未焊透、氣孔和夾渣等，壓力容器在在役過程中還可能產(chǎn)生疲勞裂紋，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(zhì)量進行檢查。對于內(nèi)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(guī)超聲檢測時，由于其結(jié)構(gòu)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(nèi)部缺陷的檢測方法。隨著相控陣超聲檢測技術(shù)的迅速發(fā)展，相控陣超聲檢測技術(shù)的運用越來越普遍，這種技術(shù)具有許多優(yōu)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(jié)構(gòu)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(jié)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，所以可以采用相控陣超聲檢測技術(shù)對在役壓力容器搭接角焊縫的內(nèi)部缺陷進行檢測。搭接角焊縫的相控陣超聲檢測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，技術(shù)人員根據(jù)搭接角焊縫、墊板和母材的結(jié)構(gòu)設(shè)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(qū)域中心加工了直徑為2mm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(qū)域熔合線處加工了4條寬為0.5mm，自身高度為2mm的人工槽，用于模擬未熔合或未焊透缺陷在應(yīng)力作用下的應(yīng)力開裂；在試塊3的母材上加工了4條寬為0.5mm，自身高度為2mm的人工槽，用于模擬母材的應(yīng)力開裂。檢測結(jié)果與分析選用具有焊縫仿真模擬成像功能的ISONIC2010型便攜式相控陣超聲檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對不同被檢測工件的幾何結(jié)構(gòu)進行仿真或者對其真實結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(jié)果的真實性、有效性及可靠性。系統(tǒng)對焊縫結(jié)構(gòu)的仿真模擬如圖2所示，該系統(tǒng)通過設(shè)置焊縫寬度、表面余高高度、根部寬度等參數(shù)，描繪出工件的真實幾何結(jié)構(gòu)和焊接位置，圖2中紅圈標注的區(qū)域就是模擬的搭接角焊縫區(qū)域，檢測時只需關(guān)注該區(qū)域中的回波信號，就可避免幾何結(jié)構(gòu)反射信號造成的誤判。圖2系統(tǒng)對焊縫結(jié)構(gòu)的仿真模擬系統(tǒng)的聲場覆蓋設(shè)置如圖3所示，該系統(tǒng)還可以快速設(shè)定探頭激發(fā)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(shù)，通過調(diào)整探頭位置，來確保聲場能夠全面覆蓋檢測區(qū)域。圖3系統(tǒng)的聲場覆蓋設(shè)置按照保證聲場全覆蓋的工藝參數(shù)，對相控陣檢測系統(tǒng)進行設(shè)置，并對試塊內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，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-1.0~1.0mm，埋藏深度測量精度為-1.6~1.6mm；對于缺陷尺寸的測量，相控陣超聲檢測結(jié)果均偏大。應(yīng)用案例某吸附器在使用期間，其平臺南側(cè)的揮發(fā)性氣體監(jiān)測儀報警，發(fā)生現(xiàn)場氣體泄漏事故。經(jīng)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(fā)現(xiàn)缺陷。由于吸附器內(nèi)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(nèi)部缺陷進行了檢測，發(fā)現(xiàn)搭接角焊縫內(nèi)部存在貫穿吸附器母材的裂紋，如圖5所示。圖5某搭接角焊縫缺陷圖譜分析缺陷圖譜可以發(fā)現(xiàn)，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(jié)果為101mm，內(nèi)表面裂紋的檢測結(jié)果為58mm；裂紋在母材內(nèi)沿厚度方向呈現(xiàn)“S”形走向，外表面開口在搭接角焊縫的焊根處，內(nèi)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(jié)果的準確性，檢測人員最終決定開罐對容器內(nèi)表面進行熒光磁粉檢測，在容器內(nèi)表面的對應(yīng)部位發(fā)現(xiàn)一處裂紋，長度為59mm。車間對該容器進行報廢處理，并對缺陷部位進行檢測，結(jié)果如圖6所示，裂紋的內(nèi)表面開口長度、在母材內(nèi)部的走向、內(nèi)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(jié)果準確。圖6缺陷處的熒