不锈钢承压设备的应力腐蚀开裂通常发生在材料与腐蚀介质接触的表面，这种开裂往往没有明显的变形征兆，危害性极大，严重威胁到设备的安全运行。GB/T 30579-2014标准中对这类开裂给出了相应的检测和监测方法：

1.对材料表面进行目视检测和对可疑部位进行渗透检测；

2.对管道、热交换器管束和设备表面进行涡流检测。

阵列涡流检测技术采用电子方式驱动同一个探头中的多个相邻检测线圈，并借助涡流仪器强大的分析、计算及处理功能，实现对材料的快速有效检测。GB/T 34362-2017标准指出了阵列涡流技术可以用于检测材料表面的裂纹，相比于传统的渗透检测，阵列涡流检测具有单次扫查覆盖面积大、检测效率高、对不同方向的缺陷具有相同的灵敏度、无需打磨处理、柔性探头耦合性好、数据可实时保存、可测量裂纹深度等优点。
对于承压设备应力腐蚀裂纹的在线检测，相控阵超声全聚焦成像(TFM)技术是一种有效的方法，其对微小裂纹具有较高的分辨力，能基本还原缺陷的形貌，有利于缺陷的定性，能极大地提高测量精度。
基于此，宁波市劳动安全技术服务有限公司和宁波市特种设备检验研究院的检测人员以一家化工企业的材料为S31603的立式反应釜为研究对象，对其内表面采用阵列涡流技术，外表面采用基于TFM的相控阵超声技术进行检测，并与渗透检测结果进行比对，希望能为奥氏体不锈钢承压设备的氯化物应力腐蚀开裂检测提供了一种新思路。

01 检测对象

立式反应釜的设计压力为0.6MPa，设计温度为85℃，工作压力为0.32MPa，工作温度为85℃，工作介质为盐酸和氧气，容积为24.7m3，内径为2800mm，筒体设计壁厚为10mm，封头设计厚度为14mm。
该容器在2017年12月首次定期检验时，经射线和相控阵超声检测发现其下封头与筒体的环焊缝上有1处条形缺陷，长10mm，高1.0mm，根据《固定式压力容器安全技术监察规程》第8.5.10款规定，其安全状况等级定为3级，该企业未进行返修，并计划于2020年12月进行开罐检验。
该不锈钢立式反应釜的损伤模式为氯化物应力腐蚀开裂。主要原因是介质存在氯化物并含有溶解氧，且焊缝存在一定的焊接残余应力。
02 检测设备

阵列涡流检测采用OmniScan MX型设备，如图1所示，其最多支持64个线圈检测，频率为20Hz~6MHz，可实现多频扫查。检测探头为一种基于柔性印制电路板技术的正交阵列涡流探头，可将其贴在焊缝和热影响区上进行检测。采用特制的MagnaFORM型扫查器，采用手动或半自动模式，通过单次扫查实现对包含热影响区域在内的整个焊缝表面的覆盖检测，从而提高了检测效率。

图1 阵列涡流检测系统

全聚焦相控阵检测采用的设备为GEKKO型便携式相控阵探伤仪，如图2所示，其有128个通道，具有高分辨率成像功能和强大的矩阵数据处理能力。试验采用64晶片，频率为10 MHz的线阵探头。

图2 GEKKO型便携式相控阵探伤仪外观

03 检测工艺

阵列涡流检测
检测前需进行探头校准，主要包括灵敏度补偿和缺陷定量校准。灵敏度补偿的主要操作过程为：首先在标准试块上平衡探头；然后扫查整个标准试块进行数据采集，选定缺陷后进行自动补偿操作。缺陷定量校准过程为：首先对标准试板进行扫查；然后对深度分别为0.5，1，2，3，4mm的缺陷进行标定。阵列涡流检测频率为300kHz，探头的驱动电压为1.0V，增益为35dB，扫查速度为295mm/s，一次扫查宽度为70mm。在该参数下对立式反应釜的下封头环焊缝与热影响区可疑部位进行C扫描成像。
全聚焦相控阵检测
全聚焦相控阵检测只需设置全聚焦范围、分辨率和波型模式，试验设置模型为平板模型，主要参数设置如下：全聚焦区域宽度为40mm，高度为16mm；分辨率为8.5采样点/mm；波型模式为LL(纵波-纵波)。

04 检测结果

阵列涡流检测

图3 焊缝的阵列涡流C扫描成像结果

由图3可以看出，阵列涡流技术对于焊缝和热影响区应力腐蚀裂纹具有较高的检出率。很多应力腐蚀裂纹横跨焊缝与热影响区，阵列涡流检测只能显示裂纹的所在位置、大小和深度，无法呈现出应力腐蚀裂纹的扩展形貌，这是因为阵列涡流检测的分辨力和检测线圈的直径有关，无法达到渗透检测的微米级精度，很难表现局部细节。后期还可以利用软件进行设置，进一步增大缺陷的显示对比度，通过缺陷显示颜色、幅值和相位进行应力腐蚀裂纹的深度评价。

表1 焊缝的阵列涡流检测结果

全聚焦相控阵检测全聚焦相控阵检测

全聚焦相控阵检测

图4 焊缝全聚焦相控阵检测成像结果

由图4可以看出，采用全聚焦相控阵法从立式反应釜外侧检测应力腐蚀裂纹具有较高的检出率和分辨率，因为全聚焦相控阵采用单个晶片产生入射波，多晶片采集不同角度信号，所以倾斜的底波信号清晰可见，能较真实地反映出裂纹的形貌和特征，可发现裂纹间相关联的信号，受缺陷取向影响较小，对于裂纹的定位定量具有较高的准确性。同时可以注意到，全聚焦相控阵具有较小的表面盲区，仅为0.5mm左右，有利于近表面缺陷的检测。

表2 焊缝全聚焦相控阵检测裂纹参数
 

渗透检测结果
采用溶剂去除型渗透检测法对焊缝进行检测，渗透时间为10min，显像时间为10min。

图5 焊缝的渗透检测结果
 

由图5可知，缺陷2为裂纹，横跨焊缝与热影响区，起源于热影响区，有明显的应力腐蚀开裂特征，呈树枝状分叉形貌。由此可见，渗透检测在一定程度上可以对缺陷进行定性分析，其检测结果与阵列涡流检测和全聚焦相控阵检测结果具有较高的吻合性。

结语

采用阵列涡流技术从承压设备内表面对应力腐蚀裂纹进行检测，可检出近表面埋藏较浅的缺陷，且可以进行数据保存和分析。

采用全聚焦相控阵技术从承压设备外表面检测应力腐蚀裂纹，具有较高的检出率和分辨力，对应力腐蚀微小裂纹的定量和定性都具有较高的准确性。

作者：胡健1，张子健1，沈建民2，柴军辉1,2，许波2，吴家喜1，张小龙1
工作单位：1.宁波市劳动安全技术服务有限公司
2.宁波市特种设备检验研究院
第一作者：胡健，工程师，主要从事承压类特种设备无损检测研究工作。
通信作者：张子健，硕士，工程师，主要从事无损检测新技术研究与应用工作。
来源：《无损检测》2021年5期