魏榮帥， 陳 宇， 周鳳革， 楊 高， 冶金輝

1. 哈電集團(tuán)（秦皇島）重型裝備有限公司，河北 秦皇島 066206 2. 機(jī)械工業(yè)哈爾濱焊接技術(shù)培訓(xùn)中心，黑龍江 哈爾濱 150046 3. 一重集團(tuán)大連核電石化有限公司，遼寧 大連 116014

0 引言

加氫反應(yīng)器是石油化工中最重要的設(shè)備之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，是被稱(chēng)為“大國(guó)重器”的設(shè)備。它的作用是通過(guò)提煉提高石油的利用率和附加值。加氫反應(yīng)器的性能和質(zhì)量直接影響了煉油廠的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，也關(guān)系到國(guó)家的能源安全和環(huán)境保護(hù)。

針對(duì)加氫反應(yīng)器這種大壁厚壓力容器的窄間隙接管焊縫一直是無(wú)損檢測(cè)的難題，提高焊縫中裂紋、未熔合、夾渣等缺陷的檢出率，對(duì)安全運(yùn)行具有重要意義。目前常采用的射線檢測(cè)技術(shù)由于接管焊縫特殊結(jié)構(gòu)復(fù)雜和超大壁厚的影響，檢測(cè)難度大，檢測(cè)周期過(guò)長(zhǎng)；而常規(guī)的脈沖反射法超聲檢測(cè)，由于受到馬鞍狀焊縫結(jié)構(gòu)、壁厚、曲率和表面堆焊層的影響以及檢測(cè)位置的局限性，存在缺陷信號(hào)識(shí)別難、缺陷定性及定位難、焊縫全覆蓋難等問(wèn)題［1］。

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)作為目前超聲檢測(cè)的前沿技術(shù)，利用相控陣技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件來(lái)控制超聲波延時(shí)聚焦法則，結(jié)合扇形掃查，波束可以盡可能全覆蓋接管焊縫檢測(cè)區(qū)域，得到直觀的可記錄圖像結(jié)果［2］。其檢測(cè)效率、缺陷檢出率、定性及定量精度等方面都較常規(guī)超聲具有明顯優(yōu)勢(shì)。

一重集團(tuán)大連核電石化有限公司組織有關(guān)行業(yè)知名機(jī)構(gòu)和廠家成立聯(lián)合課題組，通過(guò)建立3D仿真模型，利用無(wú)損檢測(cè)專(zhuān)業(yè)仿真軟件CIVA，驗(yàn)證檢測(cè)工藝中探頭和前端距的選擇是否滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)中波束覆蓋的條件；建立有缺陷3D模型，對(duì)不同位置和尺寸的坡口未熔合、夾渣、橫向裂紋、縱向裂紋進(jìn)行模擬仿真分析，總結(jié)不同類(lèi)型缺陷響應(yīng)變化規(guī)律及特征，為實(shí)際檢測(cè)提供理論依據(jù)［3］。

1 仿真基本理論

1.1 檢測(cè)仿真理論

CIVA 聲場(chǎng)仿真是基于Pencil 法修正的瑞利積分模型，屬于半解析法中的一類(lèi)。瑞利積分將探頭離散成點(diǎn)源的形式，并假設(shè)每個(gè)點(diǎn)源在輻射面上分布。對(duì)于每個(gè)觀察點(diǎn)，利用彈性動(dòng)力學(xué)Pencil 法對(duì)每個(gè)點(diǎn)源在觀測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓幅值進(jìn)行計(jì)算［5］。

1.2 缺陷散射模型理論

CIVA 根據(jù)缺陷的性質(zhì)集成了3 種缺陷散射模型：基爾霍夫（Kirchhoff）近似缺陷散射模型特定面向于面積狀（可以包含多個(gè)平面）裂紋缺陷和體積空腔缺陷來(lái)進(jìn)行處理［6］；幾何衍射理論（geometrical theory of diffraction，GTD）模型依據(jù)幾何射線理論，特定面向于模擬裂紋邊緣衍射回波；Kirchhoff and GTD 模型特定面向于模擬仿真裂紋缺陷的反射和衍射回波［7］。GTD 模型來(lái)進(jìn)行修正基爾霍夫邊緣衍射場(chǎng)，同時(shí)采用物理衍射理論（physical theory of diffraction，PTD）將Kirchhoff 和GTD 模型間的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合。

通過(guò)3 種缺陷散射模型，分別模擬未熔合、夾渣、裂紋等不同尺寸，位置和深度的模擬缺陷（共48個(gè)）。仿真相控陣超聲波束在筒體外壁和接管內(nèi)壁檢測(cè)時(shí)模擬缺陷的響應(yīng)情況，進(jìn)而為相控陣超聲探頭和檢測(cè)工藝的制定提供理論依據(jù)。

2 仿真建模

2.1 仿真設(shè)置

窄間隙接管焊縫3D 模型采用CIVA 默認(rèn)接管模型，如圖1所示。該工件的材質(zhì)為20#鋼，壁厚為260 mm，接管直徑304 mm，橫波聲速3 230 mm/s，縱波聲速5 920 mm/s。

圖1 接管模型示意Fig.1 Nozzle model

為滿(mǎn)足不同深度位置缺陷的檢測(cè)靈敏度，在外壁檢測(cè)時(shí)選擇2.25 MHz 和5 MHz，內(nèi)壁檢測(cè)選用2.25L64-1*10 雙晶探頭，內(nèi)壁檢測(cè)和外壁檢測(cè)相結(jié)合以防止在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)漏檢情況［8］。外壁檢測(cè)時(shí)，第一分區(qū)選擇AL MHz 32晶片探頭，第二、三、四分區(qū)選擇AXL 2.25MHz 32晶片（近表面檢測(cè)探頭需要放置于打磨后的余高上，本次仿真暫未考慮）。探頭和楔塊實(shí)際參數(shù)如表1所示。

為保證波束覆蓋滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求和檢測(cè)不同深度缺陷的檢測(cè)靈敏度，需在外壁檢測(cè)時(shí)設(shè)置多個(gè)檢測(cè)通道以滿(mǎn)足檢測(cè)需求，如表2和圖2a所示。為避免缺陷因馬鞍型掃查路徑造成的波束偏轉(zhuǎn)而出現(xiàn)漏檢或檢測(cè)效果較差的情況［9］，在內(nèi)壁添加一組雙晶縱波直探頭檢測(cè)通道進(jìn)行對(duì)比，如圖2b所示。

表2 模擬掃查區(qū)分Table 2 Zonal scanning

圖2 內(nèi)壁和外壁覆蓋示意Fig.2 Inner/outside beam coverage

2.2 仿真缺陷

結(jié)合以往現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在仿真建模過(guò)程中針對(duì)不同角度、不同深度和不同坡口面添加模擬缺陷（共48個(gè)缺陷），同時(shí)為了歸一化對(duì)比和驗(yàn)證檢測(cè)工藝對(duì)缺陷的檢出、定位、定性的能力，故添加2橫孔進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。缺陷在工件中排布如圖3所示。

圖3 模擬缺陷示意Fig.3 Simulated artificial defects

2.3 CIVA模擬缺陷響應(yīng)仿真和實(shí)際檢測(cè)結(jié)果

2.3.1 外壁模擬仿真和實(shí)際檢測(cè)結(jié)果

信號(hào)模擬器根據(jù)不同的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景生成對(duì)應(yīng)的包含多普勒信息的微波信號(hào)，分別模擬了目標(biāo)勻速運(yùn)動(dòng)以及變速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景。

模擬仿真AL 5MHz，AXL 2.25MHz四個(gè)分區(qū)檢測(cè)結(jié)果，并通過(guò)橫通孔2 mm×50 mm進(jìn)行缺陷檢測(cè)靈敏度進(jìn)行歸一化處理，以此來(lái)判斷缺陷的檢測(cè)能力，為實(shí)際檢測(cè)提供一定的對(duì)比參考。焊縫裂紋、夾渣、坡口未熔合缺陷響應(yīng)扇掃圖像如圖4所示，與橫通孔回波幅值進(jìn)行歸一化對(duì)比如圖5所示。

圖4 接管缺陷外壁扇掃仿真Fig.4 Simulation result from outside of Nozzle

圖5 焊縫填充區(qū)夾渣和2橫孔回波幅值對(duì)比Fig.5 Comparing the amplitude of slag and 2 SDH

圖6 不同分區(qū)模擬缺陷的歸一化幅值Fig.6 Normalized amplitude of simulated defects in different zones

通過(guò)分析歸一化后各個(gè)模擬缺陷的幅值［10］，可以發(fā)現(xiàn)在外壁檢測(cè)時(shí)4個(gè)分區(qū)波束能夠滿(mǎn)足對(duì)接管焊縫的有效覆蓋（近表面缺陷除外）。在檢測(cè)過(guò)程中除橫向裂紋外，其余類(lèi)型缺陷檢測(cè)靈敏度均能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求；其中夾渣缺陷的檢測(cè)靈敏度要遠(yuǎn)高于其他缺陷，未熔合缺陷檢測(cè)靈敏度要較低。橫向裂紋幅值非常低，需要輔助平行掃查方式針對(duì)橫向裂紋進(jìn)行檢測(cè)。

根據(jù)仿真情況，在實(shí)際模擬試塊上采用外壁仿真探頭進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。實(shí)際檢測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果較為接近。

圖7 模擬試塊外壁檢測(cè)結(jié)果Fig.7 Qualification block testing result from outside

2.3.2 內(nèi)壁模擬仿真和實(shí)際檢測(cè)結(jié)果

采用雙晶縱波直探頭2.25L64-1*10，通過(guò)柵格掃查實(shí)現(xiàn)在接管內(nèi)壁的相控陣超聲檢測(cè)，并通過(guò)橫通孔2 mm×50 mm 進(jìn)行缺陷檢測(cè)靈敏度歸一化對(duì)比。內(nèi)壁模擬缺陷仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 內(nèi)壁部分模擬缺陷線掃仿真結(jié)果Fig.8 Simulation result from inner side of Nozzle

圖9 內(nèi)壁檢測(cè)歸一化幅值Fig.9 Inner side amplitude comparing

根據(jù)仿真情況，在實(shí)際模擬試塊上采用內(nèi)壁仿真探頭進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖10所示?？梢园l(fā)現(xiàn)所有未熔合，裂紋和夾渣缺陷。只是上表面和下表面橫向裂紋幅值較低。

圖10 模擬試塊內(nèi)壁檢測(cè)結(jié)果Fig.10 Qualification block testing result from inner side

3 結(jié)論

應(yīng)用CIVA 仿真軟件對(duì)接管焊縫進(jìn)行模擬仿真，內(nèi)、外壁檢測(cè)均可有效檢出所有缺陷。其中受到工件馬鞍形狀的影響，在筒體外壁檢測(cè)時(shí)部分缺陷響應(yīng)幅值低相對(duì)較差，而從接管內(nèi)壁檢測(cè)效果更佳。

綜上所述，借助于有限元模擬仿真，聯(lián)合課題組采用內(nèi)壁直入射法和外壁斜入射法的組合相控陣檢測(cè)方式，可有效檢測(cè)出模擬試塊中的全部缺陷，并能夠準(zhǔn)確地定性、定量，符合NB/T 47013.15-2021的要求。目前，這項(xiàng)研究成果已通過(guò)相關(guān)技術(shù)評(píng)審，將在以3000噸級(jí)漿態(tài)床反應(yīng)器為代表的壓力容器制造、在役檢測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用。