在用厚壁加氢反应器的无损检测技术
2018-09-01，，，，
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(1.合肥通用机械研究院有限公司,合肥 230031；2.国家压力容器与管道安全工程技术研究中心,合肥 230031)
厚壁加氢反应器是炼油工业进行石油深度加工,提高油品质量和经济效益的关键设备之一。该类反应器通常在高温、高压和临氢条件下运行，工作条件十分恶劣，故其安全性是一个很重要的问题，一旦发生事故，将带来无法估计的经济损失。因此，对在用厚壁加氢反应器的无损检测方法进行分析和探讨，具有重要的意义。
1 厚壁加氢反应器的结构特点
厚壁加氢反应器的母材通常采用2.25Cr1Mo钢板或锻件，设计壁厚为80～300 mm。为抗硫化氢等腐蚀介质的腐蚀，反应器内壁堆焊有奥氏体不锈钢堆焊层(其中309不锈钢焊材作为过渡层,347不锈钢焊材作为盖面) ，设计压力为8～20 MPa，设计温度为370～410℃，工作介质主要有油、H2、H2S，其结构示意如图1所示。
图1 厚壁加氢反应器结构示意
厚壁加氢反应器的结构特点有：① 一般采用球形封头；② 构件采用凸台支撑型式；③ 筒体一般采用锻焊结构的型式，单节同节整体锻造无纵缝，筒体与筒体之间采用窄间隙U型坡口多层焊连接型式，接管与筒体之间采用嵌入式结构连接型式，从而避免角焊缝连接；④ 筒体与裙座连接型式采用整体锻环型式。
2 常见焊接缺陷类型
在制造过程中,厚壁加氢反应器的焊缝会产生表面缺陷和内部缺陷两种。常见的表面缺陷有表面气孔、表面未熔合、表面裂纹及表面咬边、焊瘤、凹坑等。常见的内部缺陷有气孔、夹渣、夹钨、未焊透、未熔合、裂纹等。而内壁堆焊层则易出现热裂纹、过渡区材料脆化和开裂，以及堆焊层下冷裂纹和再热裂纹等缺陷。
使用过程中，在高应力的作用下焊缝中存在的未超标缺陷、漏检缺陷等易发生扩展，从而影响设备的强度和性能，甚至会缩短设备的使用寿命。
3 在用厚壁加氢反应器主焊缝的无损检测
在用厚壁加氢反应器主焊缝的检测部位有主体对接纵、环焊缝，接管与筒体(或封头) 连接焊缝。其主要的检测方法有超声检测、TOFD检测、磁粉检测等方法。
3.1 脉冲反射式超声检测
在用厚壁加氢反应器的定期检验，由于条件限制很难进行射线检测，故超声检测成为了首选方法。厚壁加氢反应器主焊缝采用窄间隙焊，常见的缺陷一般垂直于检测面，因此可采用从筒体外壁选择不同K值的斜探头和不同K值探头组合的方式对主焊缝进行重复检测。同时，使用单晶直探头对斜探头扫查母材区域进行100%扫查，主要依据标准为NB/T 47013.3-2015《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》。
(1) 板焊结构厚壁加氢反应器(厚度一般在80～200 mm间),通常采用CSK-ⅠA，CSK-ⅡA试块校准检测灵敏度。
(2) 锻焊结构厚壁加氢反应器(厚度一般大于200 mm),常采用CSK-ⅣA试块校准检测灵敏度。
3.2 超声TOFD检测
超声TOFD检测技术对垂直于表面的裂纹和未融合缺陷的检测具有较高的灵敏度，TOFD检测技术原理如图2所示。
图2 TOFD检测原理示意
如图2所示，TOFD技术主要采用一发一收的方式，其主要依靠脉冲声波传播的时间差来进行缺陷定量，而信号幅值与缺陷定量没有直接关系。检测时，发射探头向试件内发射超声脉冲，经试件上表面和底部到达接收探头。沿上表面传播的直通波(LW)和由底面反射的底面回波(BW) 构成固有的参考信号；当试件内存在缺陷，则由缺陷两尖端产生的缺陷衍射波也能到达接收探头，缺陷波位于LW和BW之间，且当缺陷有足够的高度时，两尖端衍射波在时间上可分辨。
TOFD检测技术具有以下特点：① 对面积型缺陷、埋藏缺陷、未熔合缺陷的检测具有较高的可靠性。② 为缺陷性质的判断提供了一定的根据。③ 对表面及近表面缺陷、横向裂纹检出的可靠性较低，因此在TOFD检测过程中，须附加常规脉冲反射式超声检测的横向扫查，防止横向缺陷的漏检。④ TOFD检测会生成B扫图像，根据图像可大致判断出缺陷的类型和长度。
图3 某加氢反应器主焊缝TOFD检测图谱
某加氢反应器主焊缝TOFD检测图像如图3所示，从图中能大致判断出缺陷的类型和长度。缺陷①的信息为：距保温带424 mm，长度L=360 mm，深度H=97.35 mm，自身高度h=2.71 mm，线性缺陷，Ⅲ级。缺陷②的信息为：距保温带904 mm，长度L=38 mm，深度H=96.57 mm，自身高度h=2.34 mm，线性缺陷，Ⅲ级。
3.3 磁粉检测
对加氢反应器主焊缝、接管焊缝及管道对接焊缝外壁进行磁粉检测，磁化方法采用旋转磁场复合磁化法以及磁轭法。使用磁轭法时至少应在两个相互垂直的方向进行磁化，可检出不同取向的表面或近表面缺陷，以提高检测效率和缺陷检出的可靠性。磁粉检测操作方法和步骤及工艺要求执行NB/T 47013.3-2015标准。
4 主焊缝内壁堆焊层的无损检测
4.1 堆焊层氢制剥离缺陷的超声检测
加氢反应器在制造过程中，堆焊层与母材界面上会形成碳化物析出的脆化区，易形成未结合缺陷。加氢反应器在使用过程中，氢大量扩散到钢中，母材与堆焊层的界面处因高浓度氢的聚集而引起氢脆，导致母材和堆焊层结合面剥离。氢制剥离缺陷大多平行于堆焊层和母材金属的熔合面，一般不会影响反应器的承载能力，但随着设备的不断使用，剥离面积会增大而导致内件的脱落，腐蚀防护性能下降，介质直接侵入母材，最终导致设备的失效。
堆焊层氢制剥离缺陷的超声检测方法为：
(1) 采用双晶直探头从堆焊层侧检测基材与堆焊层未结合缺陷，使用NB/T 47013.3-2015中T1、T2型试块10 mm平底孔，如图4，5所示。
图4 T1型试块结构示意
图5 T2型试块结构示意
(2) 采用单直探头从基材侧检测基材与堆焊层未结合缺陷，采用NB/T 47013.3-2015中T3型试块10 mm平底孔，如图6所示。
图6 T3型试块结构示意
4.2 堆焊层内部缺陷的超声检测
加氢反应器大多为双层堆焊层，在制造时，也会在两层之间产生夹杂、未结合等缺陷。在使用过程中，这些缺陷会扩展延伸。采用的检测方法为：
(1) 采用双晶直探头从堆焊层侧检测堆焊层内部缺陷，使用NB/T 47013.3-2015中T1型试块上右侧4个3 mm平底孔绘制距离-波幅曲线。
(2) 采用纵波双晶斜探头从堆焊层侧检测堆焊层内部缺陷，使用NB/T 47013.3-2015中T2型试块上右侧4个1.5 mm横孔绘制距离-波幅曲线。
(3) 采用单直探头从基材侧检测堆焊层内部缺陷，使用NB/T 47013.3-2015中T3型试块(见图6)3 mm平底孔进行调节。
(4) 采用纵波斜探头从基材侧检测堆焊层内部缺陷，使用NB/T 47013.3-2015中T3型试块1.5 mm横孔进行调节。
4.3 堆焊层层下缺陷的超声波检测
堆焊层界面层下缺陷前期发生于早期的厚壁加氢反应器单层堆焊的制造工艺中，现在的两层奥氏体不锈钢堆焊层的制造工艺中很少会出现这种情况。
反应器在制造过程中，因堆焊层与Cr-Mo钢母材交界面处存在硬的渗碳层，从而产生堆焊层层下裂纹，这种裂纹从堆焊层/基材接合面开始向母材延展且方向垂直于结合面。反应器在使用过程中，随着母材脆性的增加，微小的或潜在的层下再热裂纹就有可能向母材扩展。堆焊层层下缺陷的超声波检测方法为：
(1) 采用双晶直探头从堆焊层侧检测堆焊层层下缺陷，使用NB/T 47013.3-2015中T1型试块堆焊层下3 mm平底孔进行调节。
(2) 采用纵波双晶斜探头从堆焊层侧检测堆焊层下缺陷，使用NB/T 47013.3-2015中T2型试块堆焊层下1.5 mm横孔进行调节。
4.4 堆焊层表面缺陷的检测
厚壁加氢反应器内壁堆焊有奥氏体不锈钢堆焊层，主要检测方法为目视和渗透检测。根据大量的现场检测结果发现，不锈钢堆焊层的表面裂纹主要集中在反应器内部支撑凸台的部位、下封头与筒体连接的手工堆焊过渡带部位、铁素体含量偏高或偏低的部位。
在渗透检测前应用钢丝刷进行轻微打磨，清洗后再做渗透检测，对于较深的裂纹可用超声波确定裂纹深度，确定是否扩展到界面并进行安全性评价。
在现场检测过程中，厚壁加氢反应器内壁堆焊层经渗透检测发现的表面裂纹示例，如图7所示。
图7 某石化厂加氢反应器堆焊层裂纹缺陷图例
5 法兰密封槽堆焊层的无损检测
人孔和人孔盖、接管和接管盖的法兰密封槽表面易产生表面裂纹，其多产生在密封槽底，有些向密封面延伸，呈现树枝状、径向或环向多种形态。实际检验发现，使用CL-含量过高的密封胶，在螺栓预紧力作用下，可使堆焊层产生氯化物应力腐蚀开裂。此外，密封槽结构尺寸不合，制造质量不良也会萌生裂纹。
目前，对于法兰密封槽堆焊层的无损检测，宏观检查和渗透检测是有效的检测手段，某加氢反应器法兰密封槽经渗透检测发现的表面裂纹图例如图8所示。
图8 某石化厂加氢反应器法兰密封槽裂纹缺陷图例
6 外部构件与筒体焊接处的无损检测
外部构件与筒体焊接处的接管、裙座、吊耳、保温支撑板、测温凸台等与筒体连接部位也易产生表面缺陷或埋藏缺陷，可采用宏观检查、磁粉检测、渗透检测和超声检测对可能产生的缺陷部位进行检测。某加氢反应器裙座经磁粉检测发现的表面裂纹,如图9所示。
图9 某石化厂加氢反应器裙座裂纹缺陷图例
7 结论
(1) 合理选择无损检测方法对加氢反应器的安全运行极其重要。
(2) 在用厚壁加氢反应器主焊缝以脉冲反射式超声检测或超声TOFD检测方法为主，其表面质量检测采用磁粉检测方法；内壁堆焊层检测主要采用脉冲反射式超声检测及渗透检测方法，应针对缺陷产生的部位及特点，合理正确地选择超声探头及试块；法兰密封槽堆焊层的无损检测，宏观检查和渗透检测是有效的检测手段。
(3) 随着新的无损检测技术的发展，声发射检测、磁记忆检测及相控阵检测等新技术都已开始在加氢反应器的检测中得到应用。
