加氢反应器法兰密封槽裂纹的检测和定量

1.前言
加氢反应器是石化装置的关键设备，长期在高温、高压、临氢环境下运行，会导致材料脆化，在应力作用下产生开裂。裂纹较多出现在凸台和法兰密封槽等应力集中部位【1】，裂纹的存在和扩展降低了反应器的安全性能。对反应器安全性能评估迫切需要获得裂纹的精确尺寸，尤其是裂纹自身高度的数据，因此裂纹高度的精确测量成为安全评估是否可靠的关键。笔者对凸台和法兰密封槽裂纹高度测量进行了研究。本文介绍一种应用特殊工装和工艺的TOFD超声技术，对奥氏体不锈钢锻件法兰密封槽裂纹高度进行测定的方法。

2.检测对象的基本情况

图1.所示US321奥氏体锻件法兰，采用凸面榫槽型密封结构（梯形密封槽），晶粒度1-2级。使用中因材料脆化和应力集中引起梯形槽底内、外侧R处开裂，裂纹宏观形貌为环向微曲断续状分布(图2)，解剖显示裂纹深度方向走向基本垂直于表面，曲折连续有分叉。

3.法兰密封槽裂纹高度测量的难点分析
   渗透检测方法，可有效检测法兰密封槽裂纹及长度，但对裂纹高度无法检测和定量。涡流检测、电导率测深方法定量精度很低、效果差。因结构原因射线检测、脉冲反射法超声检测均无法实施。曾尝试采用相控阵检测方法，但有关仿真试验【2】表明，应用该方法的裂纹检测灵敏度、高度测量精度较低。
   TOFD检测方法是一种可精确测定缺陷高度的新技术，它采用一收一发探头组，相对缺陷同面对称布置，检测缺陷上、下端点衍射信号，以D、B扫描黑白图像显示缺陷端点位置，用专用分析软件计算两者间时差，来测量缺陷的长度和高度【3】。

然而，对法兰密封槽裂纹而言，由于结构及尺寸的限制，可供选择的有效检测面少、探头组同面对称布置难以实现，加上US321锻件晶粒较粗，检测图像信噪比较低。需要对TOFD检测方法加以改进，才能实现其应用。

4.法兰密封槽裂纹TOFD法检测和定量
4.1模拟裂纹试块和自然裂纹试块
利用反应器上更换下的法兰，制作密封槽模拟裂纹试块(图3)，采用电火花方法加工模拟裂纹(表1),保留带裂纹的法兰部分为自然裂纹试块(图4)。

4.2探头布置及扫查装置
   检测面选择密封面，采用异面非对称探头布置方式, 研制专用探头和专用扫查装置, 以满足不同规格法兰密封槽裂纹检测扫查的需要。

4.3探头选择
   利用图3所示模拟试块，分别采用不同频率、晶片尺寸、斜楔角度探头组，对密封槽内、外侧模拟裂纹进行检测和定量试验，以确保对较小裂纹的识别（信噪比>6dB）。

4.4模拟裂纹的检测和定量
图5、图6是对密封槽内、外侧模拟裂纹的TOFD检测B扫图像，从左至右尺寸(长度×高度)分别为20×6mm、10×2mm、20×4mm、5×2mm、20×2mm、10×1mm、20×1mm、5×1mm。单个的5×1mm模拟裂纹可以检出。

从表2结果看，高度测量误差最大值为0.3mm。长度测量误差大是因环形扫查时编码器位置造成的，完全可以通过校准和计算修正【4】，控制在应有的范围。
4.5自然裂纹的检测和定量
   采用模拟裂纹检测和定量的工艺，对图4所示的密封槽自然裂纹进行检测，得到图7、图8所示B扫描图像。图7图像显示，直通波不是一条直线，并有明显的波浪，峰谷差测量值＜1.0mm。图8图像右侧为较深自然裂纹部位，测量值为2.1mm。

4.6自然裂纹的解剖
对图7相应自然裂纹部位解剖，确认裂纹高度最大为0.5mm。对图8相应自然裂纹部位，取裂纹高度较大区段解剖，采用PT法和显微方法测量裂纹高度，测量结果见表3。

表3显示自然裂纹最大高度测量值为2.5mm，与TOFD方法最大测量值2.1mm相比，误差为-0.4mm。
5.结论
⑴采用特殊的TOFD超声检测工艺，结合专用工装和专用探头，可实现反应器法兰密封槽裂纹的检测和定量。
⑵法兰密封槽裂纹的检测灵敏度达到5×1mm（长度×高度），裂纹高度测量误差＜0.5mm，完全满足工程应用中反应器安全评估的要求。
⑶该技术适用于多种规格、材质法兰密封槽裂纹的检测和定量，具有实际应用价值。

参考文献
【1】孙永令等，加氢反应器应力有限元分析报告，北京钢铁研究总院，2009.10
【2】李志军等，法兰试件检测仿真报告，麦瑞克斯技术（北京）有限公司，2008.2
【3】强天鹏，超声衍射时差（TOFD）检测技术，全国特种设备无损检测人员考委会，2008.1
【4】陈永强等，加氢反应器法兰密封槽裂纹检测和定量研究报告，中石化集团金陵分公司，2009.10

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