陈永强，肖 雄，俞 健，王郁林，陈立义

（1.金陵石化公司压力容器检验中心，南京 210033；2.江苏中宇检测有限公司，南京 210012；3.南京金昂科技有限公司，南京 210033）

加氢反应器是石化加氢装置的关键设备，其工作条件为高温、高压、临氢，为保证筒体的高温强度和抗氢腐蚀的需要，筒体内壁采用奥氏体不锈钢堆焊层［1］。堆焊方法多为自动带极堆焊，对支撑内构件的凸台表面采用双层手工堆焊，凸台堆焊层由于制造和使用中材料脆化和应力集中原因容易产生开裂［2］。裂纹的存在和扩展，降低了反应器的使用安全性能，特别是当裂纹穿透堆焊层，会导致反应器基材失去保护而产生严重后果［3］。为了对在用加氢反应器的使用安全性能做出准确、可靠的评估，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，因此裂纹高度测量的方法和精度成为关键。目前，对凸台堆焊层裂纹的检测多采用常规超声检测方法［4］，笔者对加氢反应器凸台堆焊层裂纹高度测量进行了研究，以下介绍采用相控阵（PA）超声技术测量凸台堆焊层裂纹高度的方法和应用。

1 检测对象

如图1所示凸台，部分随筒体（2.25Cr1Mo）整体锻造形成，经堆焊加高，机加工后再堆焊TP309不锈钢耐热钢和TP347奥氏体热强钢，与筒体堆焊层形成整体。凸台堆焊层裂纹位于手工堆焊部位（根部R处），裂纹宏观形貌为环向微曲断续状分布，如图2所示，裂纹深度方向走向基本垂直于表面，曲折连续有分叉［5］。

2 裂纹高度测量的难点

渗透检测方法可有效检测凸台裂纹及长度，但无法定量裂纹自身高度。涡流检测、电导率测深方法定量精度很低、效果差。因结构限制，TOFD、射线检测均无法实施。常规脉冲反射法超声检测，由于自身局限性、堆焊层粗晶和凸台结构原因，裂纹高度定量精度均不高。

图1 凸台结构与尺寸

图2 凸台堆焊层裂纹宏观形貌

相控阵（PA）超声检测是一种可精确测定缺陷高度的新技术。它采用一定数量小晶片组成的阵列探头，通过延迟法则，发射和接收预设角度、聚焦状态、扫描方式的声束，检测缺陷上、下端点衍射（反射）信号的时间差，以A、B、C、D、S扫查彩色图像显示缺陷端点位置，用专用分析软件计算和测量缺陷的长度和高度［6］。

然而，对凸台堆焊层裂纹而言，复合层结构的声学异性、堆焊层的粗晶及声速的不一致性、形状和尺寸的限制，会影响相控阵超声检测技术对裂纹定量检测的实施与精度。需要考虑探头晶片数量、检测面及探头位置、声束与复合界面夹角、电子扫查方式等来提高检测灵敏度、分辩率和信噪比［7］，从而实现对裂纹高度的精确测量。

3 凸台裂纹相控阵超声检测法

3.1 模拟裂纹试块

按照反应器凸台结构、尺寸、材质、焊接工艺制作模拟试块，采用线切割方法加工模拟裂纹。

试块1凸台尺寸为70mm×60mm，A 侧裂纹高度为8mm，B侧裂纹高度为10.5mm；试块2凸台尺寸为50mm×40mm，A 侧裂纹高度为2mm，B侧裂纹高度为3mm，如图3所示。

图3 反应器不同凸台试块

3.2 模拟裂纹的检测

如图4所示，检测面选择凸台外侧面，探头放置应尽可能靠近裂纹对侧。采用Olympus OmniScan－SX 16－64仪器、SA12 5L－64探头（激发孔径16）、SA12 5L64－L60楔块、扇形扫查方式（0～60°、角度分辨率1°），对凸台试块模拟裂纹进行定量检测（图5、图6所示），检测结果见表1。

图4 凸台两侧裂纹相控阵超声检测扫查示意

图5 试块1两侧裂纹S扫查图像

图6 试块2两侧裂纹S扫查图像

从表1结果可见，采用的检测方法和工艺能测量高度2mm 及以上的裂纹，裂纹高度测量误差最大值0.7mm。

3.3 实际凸台裂纹的检测和定量

对某石化企业加氢裂化反应器（R102A）中凸台上的40多条裂纹，进行了相控阵超声定量检测。因自然裂纹形状、走向、表面状况等与模拟试块上线切割槽存在差异，当裂纹自身高度小于3mm 时，裂纹上下端点信号难以区分。图7、图8是6＃、17＃自然裂纹的相控阵检测S扫查数据图，6＃裂纹的高度测量值为2.9 mm，17＃裂纹的 高度测 量值为5.8mm。因此认为，所采用的检测方法和工艺适用于高度3mm 及以上凸台自然裂纹的定量检测。

表1 凸台试块模拟裂纹的高度测量结果 mm

虽然无法对反应器凸台堆焊层裂纹高度进行解剖验证，但相控阵超声检测技术的原理和特点，决定了它对凸台裂纹定量检测的灵敏度、信噪比、分辩率等都远优于常规超声检测方法，裂纹高度测量精度和可靠性更高。

就加氢裂化反应器R102A 而言，测出的凸台堆焊层裂纹最大高度为8.3 mm，小于相应部位堆焊层厚度（10.0～11.0mm），可以判断裂纹仍在堆焊层范围内。据此，对反应器使用安全性能所做出的评估更具有准确性和可靠性。

图7 R102A－6＃裂纹S扫查图像

图8 R102A－17＃裂纹S扫查图像

4 结语

采用相控阵超声检测方法，可以对加氢反应器凸台堆焊层裂纹进行定量检测，可测量的最小裂纹高度为2mm（试块）或3mm（工件），裂纹高度测量误差小于1.0 mm。理论计算分析认为，采用纵波楔块5L64探头（激发孔径32）、聚焦声束扇形扫查，可进一步提高裂纹高度测量范围和精度。该方法适用于不同规格凸台堆焊层裂纹的定量检测，具有实际应用价值。

［1］高春华，邢芳，刘斌，等.不锈钢堆焊层裂纹的产生及解决措施［J］.炼油与化工，2010（4）：38－40.

［2］朱勇，王郁林，陈永强，等.加氢反应器堆焊层裂纹危害性及修复技术研究报告［R］.南京：中石化集团金陵分公司，2009：3－8.

［3］丁国铨，沈士明.热壁加氢反应器堆焊层表面裂纹扩展初析［J］.石油化工设备，2007，36（2）：55－58.

［4］董志勇，加氢裂化反应器检测技术应用研究［R］.天津：天津大学，2007：19－24.

［5］陈永强，余健，牛向东，等.加氢裂化反应器（R102A）定期检验检测报告［R］.南京：金陵石化公司压力容器检验中心，2013：9－20.

［6］强天鹏.承压类特种设备无损检测人员资格复考资料汇编［M］.北京：全国特种设备无损检测人员考委会，2012：163－175.

［7］陈永强，肖雄，王郁林，等.加氢反应器凸台堆焊层裂纹检测和定量研究报告［R］.南京：中石化集团金陵分公司，2009：10－27.