在石油化工领域,存在着大量的大直径厚壁容器,需要工作在高温及腐蚀介质环境,其母材内表面均堆焊不锈钢层,以提高其使用寿命.以石化公司的加氢反应器为例,该类设备运行在高温、高压以及临氢条件下,长期使用后会出现堆焊层与母体材质的层间剥离、堆焊层表面开裂、材料回火脆化和氢脆等现象[1 -2].大面积的堆焊层层间剥离以及层下裂纹的产生将影响到此类容器的使用寿命,并带来安全生产隐患,因此及时地发现堆焊层层间剥离并定期进行跟踪检测,有利于安全隐患的及时发现和排除,并为此类容器的使用寿命评估提供可靠的检测分析数据[3 -4].
目前,针对堆焊层层间剥离的检测方法通常是采用超声波直探头手动扫查.当发现底面回波异常或者堆焊层界面回波显着时,根据超声信号以及相关标准判定层间剥离是否存在,并对剥离区域进行人工确定和剥离面积计算.这种手动检测主要存在以下缺点:
( 1) 手持探头进行扫查,检测结果重复性差; ( 2)检测效率低; ( 3) 检测结果的评价受人为因素影响较大,可比性差; ( 4) 检测结果无法保存,可追溯性差; ( 5) 检测结果不直观[5 -6].目前,国内有大量的在役厚壁容器,尤其是石化行业的加氢反应器运行时间已超过 10 年,堆焊层剥离问题成为影响其安全可靠运行的主要原因,为此,在历次检修过程中都投入大量人力物力进行堆焊层剥离检测.因此,研发堆焊层剥离半自动超声检测系统有助于提高检测效率,缩短检修工期 ( 检测时间约为手工检测的 1/5) ,提高经济效益,使检测结果更直观,并提高检测结果的可比性[7 -8].主要针对直径Φ4 257 mm / Φ4 247 mm,母材壁厚 221 mm /221 mm、堆焊层厚度 7. 5 mm 的加氢反应器,开发一套适用于现场检测的厚壁容器堆焊层剥离超声检测成像系统,实现厚壁容器堆焊层层间剥离的在役半自动超声扫查,检测数据的自动存储、分析与评判,同时该系统对不同直径、不同厚度的厚壁容器有一定的适用性.
该研究成果已经完成样机制造机及调试,并于 2010年应用于某公司的加氢反应器的堆焊层层间剥离检测.
1 系统设计
厚壁容器堆焊层剥离超声检测成像系统主要实现的功能有: ( 1) 容器局部区域内自动扫查,尤其适用于容器的抽检和指定区域检测; ( 2) 自动识别缺陷; ( 3) 实时显示缺陷的相对位置、形状以及大小;( 4) 可以实现全区域扫查和定点、定区域扫查; ( 5)对缺陷准确定位与定量; ( 6) 记录、存储扫查结果,实现数据的可追溯性.
由此设计的该系统由超声探头及夹具组件、超声检测板卡、超声数据采集、后处理及图像显示系统、机械扫查装置、上下位机控制系统组成.堆焊层剥离超声检测成像系统主要工作流程为: 上位控制机启动下位机进行运动检测控制并触发超声检测系统检测→机械扫查装置带动超声探头沿设定的轨迹运行,同时控制系统实时跟踪探头位置坐标并发送给超声检测系统→超声检测系统检测运行并实时接收控制系统发送的探头位置信号→超声检测系统将检测结果以及探头位置信息打包存储并显示.系统流程图如图 1 所示.
1. 1 机械扫查装置
厚壁容器堆焊层剥离超声检测成像系统机械扫查装置主要由磁轮吸附组件、机械横梁组件、垂直移动组件、同步带压紧组件、支撑轮组件、探头夹具组件以及附件组成.
采用永磁式吸附,通过磁吸附将整个机械扫查装置固定于厚壁容器外表面,通过丝杠传动以及同步带传动,带动探头夹具沿着 X、Y 坐标移动,实现超声探头的定区域扫查.整个扫查轨迹以可调节等间距的栅格形式进行.
考虑工程应用的便利,整个装置采用模块化设计思想,系统部件之间拆卸安装方便,供水、电控均采用插接式连接,便于运输与现场的拆装.装置实物及组成如图 2 所示.
该机械扫查装置具有如下特点:
( 1) 采用模块化设计思想,整个机械扫查装置由多个组件或者部件组成,安装与拆卸方便,极大地方便现场工程应用,同时也便于机械扫查装置的维护、改进以及运输;( 2) 机械扫查装置结构设计简洁,机构设计优化,总体质量轻,方便了工程应用;( 3) 采用偏心轮起动磁轮,机构设计新颖,方便了磁吸附的安装与拆卸;( 4) 机械横梁组件与垂直移动组件的滑槽式连接,实现了机械横梁组件与垂直移动组件的分体设计;( 5) 伸缩式探头夹具的设计,适用于通用超声探头,可以根据不同需要更换超声探头,实现夹具设计的通用性,同时采用万向滚轮壁面接触方式,很大程度上减少了探头与容器壁在二维移动方向的滑动摩擦.
1. 2 控制系统
厚壁容器堆焊层剥离成像系统的控制系统本质上是一个二维的运动控制平台,从系统要求的性能指标来看,控制系统需要满足如下指标:
( 1) 水平扫查速度可达 6 mm/s 无级可调; 垂直扫查速度达 300 mm/s 无级可调;( 2) 能够实现粗扫查和精密扫查,对指定的区域实现精密扫查;( 3) 系统的控制方式分为手动/自动,两者之间可以切换;( 4) X 轴 ( 水平) 和 Y 轴 ( 垂直) 两个方向上的运动误差不大于 ± 1 mm.
1. 2. 1 控制系统总体设计
对运动控制,必须控制 X、Y 方向上的 2 个电机协调运动并具有良好的响应速度.由此选择了 Tech-nosoft 公司的 IPM100.IPM100 将运动控制和伺服驱动集成在一起,具有体积小、性能高、控制简单、价格低等优点,但是每个只能控制一个电机.若要两台电机协同控制,通过 RS485 总线将其连接起来.利用 Technosoft 运动开发平台 IPM motion Studio 实现快速安装、测试和运动程序开发.强大的 TML 指令库易于实现运动次序的定义和执行.
1. 2. 2 系统软件设计
控制系统软件主要完成对探头位置的运动控制,如图 3.用户操作界面功能有:
( 1) 参数设置与显示模块主要是设置一些系统参数 ( 如扫查长度、步进宽度) 和控制参数 ( 如速度参数、加速度参数等) ;( 2) 任何时刻,控制程序都时刻监视系统的运行状况,随时对系统故障做出相应的处理.
软件部分包括 X 向运动和 Y 向的扫查运动、数据存储及处理、手动控制、故障处理、运动状态显示及故障显示等.操作界面 ( GUI) 清晰、简单,方便用户调试、运行,同时能够将伺服驱动器传递过来的信息显示出来,便于监控.任务编程模块的主要功能为实现控制任务的规划,如 X 向和 Y 向运动等,包括故障查询、处理.
1. 3 数据采集与成像系统
从容器外壁检测内壁堆焊层剥离主要是利用超声脉冲反射法在剥离界面处发生强烈的反射波进行的,同时,原底波伴随有衰减现象.超声波路径示意图如图 4 所示,超声波反射回波示意图如图 5 所示.
1. 3. 1 超声成像原理
由图 4 可知,当已知工件母材厚度 t 和工件总厚度 s 时,设定检测范围、检测灵敏度和成像闸门 A,使闸门 A 在实时采集显示的 A 扫信号图上位于工件总厚度 s 之前的包括母材厚度 t 处.若被扫查区域存在一定程度 ( 当量) 的剥离,其回波信号会超过闸门 A 并被成像软件自动记录.其幅度可用不同的颜色表示.因此,结合探头运动的位置信息,可形成剥离 C 扫描图像,如图 6 所示.
1. 3. 2 软件模块组成
该数据采集与成像系统由参数设置调整模块、实时采集模块以及成像与处理模块组成.
( 1) 参数设置调整模块.主要完成声速测试及校准; 探头延迟的设置; 扫描速度/量程的设置; 探伤灵敏度的设定; 其他参数的输入.
( 2) 实时采集模块.主要完成采集及其控制;数据文件的存储路径、名称与机械控制系统的通信;以采集探头位置信息实时显示 A 扫波形; 手动/自动采集.
( 3) 成像与处理模块.主要完成 A 扫、C 扫成像; 数据回放、分析; 剥离的测量和评价.
2 检测试验
应用上述检测系统,对安装在模拟体上的参考试块进行检测,该参考试块壁厚为 108 mm,其中堆焊层厚度为 8 mm.人工反射体为 Φ2、Φ3、Φ4、Φ10 的平底孔,从堆焊层处加工至界面处.
参考 JB4730. 3-2005 标准,从母材侧检测堆焊层与母材的剥离,应采用 ?10 的平底孔作为检测的基准灵敏度[9].以此基准灵敏度提高 6 dB 作为扫查灵敏度来检测参考试块,成像结果如图 7 所示.
由成像结果可以看出: 该自动检测成像系统在设定的检测灵敏度下,对于 Φ4 的平底孔,可以清晰成像.实际检测过程中,根据检测标准,对发现的剥离类缺陷进行质量评定.
3 结论
厚壁容器堆焊层剥离超声检测成像系统的开发具有较为广泛的工程应用前景.该系统的开发实现了大直径厚壁容器的堆焊层剥离半自动超声检测,避免了由于手动检测带来的效率低下、检测结果重复性差、检测数据可追溯性差的缺点,推动了检测过程的自动化,提高了检测结果的可重复性、可靠性、可对比性和可追溯性.
该研究成果采用了模块化的设计思想,方便了现场的工程使用,同时对系统的维护和改进提供了方便.该研究成果具有创新性,是无损检测自动化实践的又一尝试.该研究成果已经应用于某公司的加氢反应器的堆焊层层间剥离检测,同时该系统也可应用于其他类似大直径厚壁容器的堆焊层层间剥离检测.
参考文献:
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【9】全国锅炉压力容器标准化委员会. JB/T4730. 3-2005 承压设备无损检测: 超声检测[S]. 北京: 机械工业出版社,2005.