李 磊，牛廣旭，王 偉，王 斌

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，甘肅蘭州 730050）

0 引言

在石油化工行業(yè)，球罐被大量應(yīng)用于貯存和運(yùn)輸液態(tài)或氣態(tài)物料。在球罐使用過(guò)程中，會(huì)定期對(duì)球罐進(jìn)行檢驗(yàn)，以保證其安全運(yùn)行。在之前的檢驗(yàn)過(guò)程中，一般都是開(kāi)罐對(duì)球罐進(jìn)行內(nèi)檢，以測(cè)厚檢查腐蝕情況、對(duì)焊縫進(jìn)行磁粉和超聲檢測(cè)檢查焊縫在使用過(guò)程中有無(wú)產(chǎn)生新生缺陷為主。但是在球罐具體使用過(guò)程中，由于球罐儲(chǔ)存介質(zhì)量大，在檢驗(yàn)周期到期后，使用單位不一定能夠?qū)⑶蚬迌?nèi)的物料倒空，實(shí)施檢驗(yàn)。球罐內(nèi)檢必然會(huì)使球罐停用，一般球罐實(shí)施內(nèi)檢的停用時(shí)間至少在20 d 左右，會(huì)對(duì)企業(yè)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

某石化公司一丙烯球罐已到定期檢驗(yàn)期限，但是球罐內(nèi)部依然盛滿物料，短期內(nèi)無(wú)法將物料導(dǎo)出，在這種情況下，根據(jù)其特點(diǎn)制定了一套不開(kāi)罐檢驗(yàn)方案，對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，并確定了下次檢驗(yàn)周期。

1 分析球罐失效模式

球罐在使用過(guò)程中的主要失效模式可分為兩種：①在特定環(huán)境下球殼板、對(duì)接焊縫和角焊縫發(fā)生的環(huán)境開(kāi)裂，任何部位發(fā)生環(huán)境開(kāi)裂以后，隨著裂紋的擴(kuò)展，最終都會(huì)形成貫穿式損傷，導(dǎo)致物料泄漏，引發(fā)事故；②盛裝介質(zhì)具有腐蝕性對(duì)球殼板造成局部腐蝕，導(dǎo)致球殼板減薄，當(dāng)減薄到一定程度后造成殼體強(qiáng)度不足而形成殼體的失效。

2 綜合利用各種檢測(cè)技術(shù)

對(duì)于球罐檢驗(yàn)，檢查球罐內(nèi)表面局部腐蝕和環(huán)境開(kāi)裂，可采用超聲相控陣（PAUT）技術(shù)；焊縫檢測(cè)可采用超聲衍射時(shí)差法（TOFD）；對(duì)于球罐不連續(xù)部位，如接管角焊縫等，采用PAUT 技術(shù)；對(duì)于球罐在使用過(guò)程中可能產(chǎn)生的裂紋，采用聲發(fā)射（AE）技術(shù)。通過(guò)以上檢測(cè)技術(shù)綜合應(yīng)用，就能對(duì)整個(gè)球罐實(shí)施外部檢驗(yàn)，得出綜合的檢驗(yàn)結(jié)論。隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，可綜合利用各項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)球罐進(jìn)行外部檢驗(yàn)，替代球罐內(nèi)部檢驗(yàn)，既能保證球罐的安全運(yùn)行，也能為企業(yè)減負(fù)。

2.1 聲發(fā)射技術(shù)

（1）聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)[1]。在球罐檢驗(yàn)過(guò)程中，運(yùn)用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在一次試驗(yàn)過(guò)程中，能夠整體探測(cè)和評(píng)價(jià)整個(gè)結(jié)構(gòu)中缺陷的狀態(tài)。該技術(shù)對(duì)線性缺陷較為敏感，可以預(yù)防由未知不連續(xù)缺陷引起系統(tǒng)的災(zāi)難性失效和限定系統(tǒng)的最高工作壓力。能給出聲發(fā)射源的部位、活性和強(qiáng)度，但不能給出聲發(fā)射源內(nèi)缺陷的性質(zhì)和大小。

（2）聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在在用球罐中的應(yīng)用。依據(jù)NB/T 47013.9—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第9 部分：聲發(fā)射檢測(cè)》實(shí)施檢測(cè)，對(duì)于不開(kāi)罐的球罐聲發(fā)射檢測(cè)，必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)施兩次加壓循環(huán)，采集聲發(fā)射源信號(hào)。由經(jīng)驗(yàn)豐富的持證人員分析聲發(fā)射信號(hào)，對(duì)球罐進(jìn)行整體檢測(cè)和評(píng)價(jià)，確定聲發(fā)射源活性、強(qiáng)度和位置。聲發(fā)射特性對(duì)材料甚為敏感，又易受到機(jī)電、振動(dòng)等噪聲影響，在實(shí)施聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)，要保證周圍的噪聲干擾小，人員不能接觸球罐本體及其附屬設(shè)施。對(duì)于任何能影響到聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果的噪聲，檢測(cè)人員都應(yīng)及時(shí)記錄，反饋給信號(hào)分析人員。

聲發(fā)射檢測(cè)是球罐不開(kāi)罐檢驗(yàn)的基礎(chǔ)工作，后期的檢測(cè)項(xiàng)目實(shí)施都將依據(jù)聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果，對(duì)所有具有活性的信號(hào)位置將采取其他無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 超聲衍射時(shí)差法

球罐主體對(duì)接焊縫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，選用TOFD 檢測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)[2]。

（1）焊縫熱影響區(qū)內(nèi)表面缺陷的檢測(cè)。根據(jù)以往的檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，在用球罐在使用過(guò)程中裂紋出現(xiàn)的位置主要在焊縫熔合線兩側(cè)，針對(duì)這一特點(diǎn)，將TOFD 探頭聲束聚焦在底面，進(jìn)行焊縫內(nèi)表面的檢測(cè)。結(jié)合TOFD 檢測(cè)圖譜分析的經(jīng)驗(yàn)和之前聲發(fā)射數(shù)據(jù)結(jié)果分析，可判斷缺陷危害性。對(duì)于初次進(jìn)行TOFD 檢測(cè)的工件，發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，如不能確定其危害性，也可暫時(shí)不進(jìn)行處理，可在一段時(shí)間后在原位置再進(jìn)行一次TOFD 檢測(cè)，對(duì)比兩次檢測(cè)結(jié)果，判定缺陷是否有擴(kuò)展，判定此缺陷的危害性。

（2）焊縫內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。焊縫內(nèi)部缺陷的檢測(cè)可選用TOFD檢測(cè)或常規(guī)超聲進(jìn)行檢測(cè)。從檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)結(jié)果的可靠性來(lái)說(shuō)，優(yōu)先選用TOFD 檢測(cè)，由于其主要是利用衍射波進(jìn)行檢測(cè)，而衍射信號(hào)不受聲束影響，任何方向的缺陷都能有效地發(fā)現(xiàn)，使該技術(shù)具有很高的缺陷檢出率。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)的缺陷檢出率的試驗(yàn)得出的評(píng)價(jià)是：手工UT 的缺陷檢出率為50%～70%，TOFD 的缺陷檢出率為70%～90%[3]。由此可見(jiàn)，TOFD 檢測(cè)技術(shù)比常規(guī)手工UT 的檢測(cè)可靠性要高得多。

2.3 超聲相控陣檢測(cè)

（1）球罐母材內(nèi)表面局部腐蝕檢測(cè)。球罐母材表面局部腐蝕減薄檢測(cè)常規(guī)方法是采用開(kāi)罐目視檢測(cè)和測(cè)厚檢測(cè)。開(kāi)罐目視檢測(cè)有著諸多局限性，主要是因?yàn)榍蚬迌?nèi)部由于使用過(guò)程中會(huì)在表面形成很多附著物，這些附著物會(huì)影響目視檢測(cè)的效果，但如果對(duì)附著物進(jìn)行清理，又會(huì)大大增加打磨工作量。常規(guī)的測(cè)厚檢測(cè)一般是對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行單點(diǎn)的抽檢，對(duì)于一些點(diǎn)狀腐蝕，測(cè)厚檢測(cè)的檢出率是隨機(jī)的，比如一個(gè)板厚20 mm 的母材底面有一個(gè)Φ3 mm×1 mm 的孔，測(cè)厚儀檢測(cè)的檢出概率小。測(cè)厚儀檢測(cè)的檢測(cè)效力低，且對(duì)于點(diǎn)腐蝕的檢出概率小。

（2）對(duì)球罐實(shí)現(xiàn)快速的腐蝕檢測(cè)。從球罐外部進(jìn)行檢測(cè)，如漆層和球罐母材結(jié)合良好，可不去除油漆層直接進(jìn)行檢測(cè)。選用64 或128 晶片的探頭，掃查方式采用扇形掃描或者全聚焦掃查，使探頭聲束聚焦在母材厚度位置，采用B 掃+C 掃的成像方式，可快速實(shí)現(xiàn)面積內(nèi)的腐蝕檢測(cè)。例如1 m×1 m 的面積范圍內(nèi)，采用相控陣檢測(cè)技術(shù)，只需要最多20 min 就可實(shí)現(xiàn)100%掃查。在檢測(cè)壁厚18 mm 的鋼板時(shí)，發(fā)現(xiàn)Φ1 mm×2 mm 和Φ2 mm×1 mm 的點(diǎn)狀腐蝕（圖1、圖2）。因此采用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)效率比常規(guī)測(cè)厚檢測(cè)方法高。

圖1 Φ1 mm 孔檢出

圖2 Φ2 mm 孔檢出

（3）接管角焊縫檢測(cè)[4]。接管角焊縫在球罐檢驗(yàn)時(shí)是重點(diǎn)檢測(cè)部位，接管部位在球罐上屬于不連續(xù)結(jié)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，開(kāi)裂部位常見(jiàn)與接管角焊縫內(nèi)外表面的焊縫熔合線上，此部位最好的檢測(cè)方法是磁粉檢測(cè)。超聲相控陣檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)接管角焊縫的內(nèi)外表面檢測(cè)和內(nèi)部檢測(cè)，利用超聲相控陣結(jié)構(gòu)模擬功能，模擬角焊縫的結(jié)構(gòu)，可以直觀地看到聲束在角焊縫中的傳播路徑，分辨缺陷和結(jié)構(gòu)波，再加上之前進(jìn)行的聲發(fā)射檢測(cè)，綜合判定缺陷的危害性，實(shí)現(xiàn)從外部進(jìn)行角焊縫的檢測(cè)。

（4）內(nèi)表面環(huán)境腐蝕開(kāi)裂的檢測(cè)。球罐內(nèi)表面除了發(fā)生局部腐蝕減薄外，還會(huì)在介質(zhì)的影響下，發(fā)生環(huán)境開(kāi)裂。這類環(huán)境開(kāi)裂最好的檢測(cè)方法是打磨內(nèi)壁后實(shí)施熒光磁粉檢測(cè)，但是在不開(kāi)罐的情況下，可利用超聲波相控陣技術(shù)在外部進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)此類裂紋時(shí)，可采用相控陣全聚焦模式實(shí)施檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果可靠有效，某含硫化氫容器內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)微裂紋，采用相控陣全聚焦技術(shù)實(shí)施檢測(cè)，可清楚發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁微裂紋（圖3）。

圖3 微裂紋檢出

3 結(jié)論

根據(jù)以上檢測(cè)方法的綜合應(yīng)用，球罐可以實(shí)現(xiàn)不開(kāi)罐檢驗(yàn)。裂紋是活性缺陷，在進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)，在兩次加壓循環(huán)過(guò)程中總會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)被探頭接收到，通過(guò)分析可確定其位置，然后利用TOFD 或者PAUT 就可以對(duì)其進(jìn)行定性、定量和定位。

介質(zhì)對(duì)母材的腐蝕，如果是活性缺陷，在進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)就可以對(duì)其定位，采用相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行腐蝕檢測(cè)。如果它不是一個(gè)活性缺陷，可根據(jù)對(duì)以往球罐易發(fā)生腐蝕的部位進(jìn)行預(yù)判，比如球罐底部、氣液相交界部位等，采用相控陣檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行腐蝕檢測(cè)。

根據(jù)球罐使用過(guò)程中不同的工況，分析腐蝕機(jī)理，判斷可能產(chǎn)生的失效模式，采用各種不同的檢測(cè)方法，在外部對(duì)球罐進(jìn)行檢測(cè)，就可實(shí)現(xiàn)球罐的不開(kāi)罐檢驗(yàn)。