热壁加氢反应器的无损检测技术

秦建秀

（江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院，江苏无锡 214071）

0 引言

热壁加氢反应器工作于高压、高温、临氢条件下，恶劣的使用条件使得热壁加氢反应器对成型、焊接、热处理温度有着较为苛刻的要求，且同时面临着蠕变脆化、回火脆化、氢腐蚀、氢脆、应力腐蚀、介质腐蚀等挑战。为保证热壁加氢反应器的安全稳定运行，无损检测技术的科学合理应用必须得到重视。

1 热壁加氢反应器常用无损检测技术

热壁加氢反应器无损检测采用的技术较为多样化，较为代表的有脉冲反射式超声检测技术、超声TOFD 检测技术、磁粉检测技术。

1.1 脉冲反射式超声检测技术

射线检测在很多时候会受到条件限制，使得超声检测往往被用于热壁加氢反应器。采用窄间隙焊的主焊缝垂直于检测面处很容易出现缺陷，因此可采用不同K 值探头和不同K 值的斜探头进行组合，以此从筒体外壁重复检测主焊缝。同时斜探头扫查母材区域需采用单晶直探头开展100%扫查，并严格遵循《承压设备无损检测第3 部分：超声检测》（NB/T 47013.3—2015）的相关要求。对于80～200 mm 厚度间的板焊结构热壁加氢反应器，检测灵敏度校准应采用试块CSKⅠA 或CSKⅡA；对于厚度在200 mm 以上的锻焊结构厚壁加氢反应器，检测灵敏度校准则应采用试块CSKⅣA[1]。

1.2 超声TOFD 检测技术

在检测垂直于表面的未融合缺陷和裂纹中，超声TOFD 检测技术的灵敏度较高，该技术的检测原理如图1 所示。

图1 超声TOFD 检测技术检测原理

基于一发一收的方式，TOFD检测技术对缺陷的定量需基于脉冲声波传播的时间差确定，信号幅值带来的影响相对较小。通过向试件内发射超声脉冲（发射探头），经试件上表面和底部的超声脉冲可最终被接收（接收探头），固有的参考信号由LW 和BW 组成，二者分别代表直通波（沿上表面传播）、底面回波（由底面反射）。对于存在缺陷的试件，接收探头将接收到位于LW 和BW 之间的缺陷衍射波（缺陷两尖端产生），如缺陷存在一定高度，在时间上两尖端衍射波可顺利分辩。深入分析可以发现，两尖端衍射波可提供判断缺陷性质的根据，且能够实现可靠性较高的未熔合缺陷、埋藏缺陷、面积型缺陷检测，但在横向裂纹、表面及近表面缺陷方面无法实现高可靠性检测，为避免横向缺陷的漏检，应配合开展横向扫查（常规脉冲反射式超声检测）。基于TOFD 检测技术应用生成的B 扫图像，缺陷的长度和类型可得到大致判断，热壁加氢反应器无损检测可基于该技术较好地满足需要[2]。

1.3 磁粉检测技术

热壁加氢反应器的主焊缝、管道对接焊缝外壁、接管焊缝均可采用磁粉检测技术进行无损检测，具体可选用磁轭法及旋转磁场复合磁化法作为磁化方法。在磁轭法的应用中，磁化需围绕相互垂直的两个方向进行，表面或近表面的不同取向缺陷可由此明确，缺陷检出的可靠性和效率均可大幅提升，该技术的应用需严格遵循相关标准要求。

2 无损检测技术在热壁加氢反应器中的应用

2.1 主焊缝内壁堆焊层

对于热壁加氢反应器主焊缝内壁堆焊层，无损检测需围绕氢制剥离缺陷、内部缺陷、层下缺陷、表面缺陷分别开展。

（1）堆焊层氢制剥离缺陷。氢制剥离缺陷的无损检测应采用超声检测技术，以此检测母材界面与堆焊层形成的碳化物析出脆化区，未结合缺陷可由此较好地得到检测。在使用热壁加氢反应器的过程中，钢中存在大量扩散的氢，高浓度氢的聚集会导致堆焊层的界面与母材处出现氢脆，结合面剥离的情况很容易随之出现。氢制剥离缺陷主要出现在母材金属和堆焊层的熔合面，热壁加氢反应器的承载能力受到的影响较小，但随着缺陷的不断扩大，腐蚀防护性能将受到直接影响，直接侵入母材的介质将最终导致热壁加氢反应器失效。在基于超声检测技术的氢制剥离缺陷检测中，需采用双晶直探头以检测堆焊层与基材的未结合缺陷（堆焊层侧），试块选择T1、T2 型（NB/T 47013.3—2015）10 mm 平底孔。堆焊层与基材未结合缺陷（基材侧）检测采用单直探头，试块选择T3 型10 mm 平底孔[3]。

（2）堆焊层内部缺陷。堆焊层内部缺陷同样需采用超声检测技术进行检测。热壁加氢反应器多采用双层堆焊层，这就使得未结合、夹杂等缺陷很容易存在于两层中，扩展延伸的缺陷将带来极为负面的影响。在堆焊层内部缺陷（堆焊层侧）的检测中，应采用双晶直探头，试块选择T1 型上右侧的4 个3 mm 平底孔，以此完成距离—波幅曲线的绘制。堆焊层内部缺陷（堆焊层侧）采用纵波双晶斜探头进行检测，试块选择T2 型上右侧4 个1.5 mm 横孔，以此完成距离—波幅曲线绘制。堆焊层内部缺陷（基材侧）检测采用单直探头，调节采用试块为T3 型3 mm 平底孔。堆焊层内部缺陷（堆焊层侧）采用纵波斜探头进行检测，调节选择T3 型1.5 mm 横孔。

（3）堆焊层层下缺陷。在采用超声检测技术开展的堆焊层层下缺陷检测中，需认识到该缺陷源于热壁加氢反应器早期单层堆焊制造环节，如硬的渗碳层存在于CR-MO 钢母材与堆焊层交界面处，堆焊层层下裂纹便会随之产生，向母材延展的裂纹同时与结合面垂直。在热壁加氢反应器使用过程中，不断增加的母材脆性可能导致层下再热裂纹扩展，因此避开开展针对性的无损检测。堆焊层层下缺陷（堆焊层侧）检测应采用双晶直探头，调节采用试块为T1 型下3 mm 平底孔。堆焊层层下缺陷（堆焊层侧）检测应采用纵波双晶斜探头，调节采用试块为T2 型下1.5 mm 横孔。

（4）堆焊层表面缺陷。对于存在奥氏体不锈钢堆焊层的热壁加氢反应器内壁堆焊，为实现表面缺陷检测，需重点关注热壁加氢反应器的铁素体含量偏低或偏高部位、筒体与下封头连接的手工堆焊过渡带部位、内部支撑凸台等部位，并在轻微打磨（钢丝刷）与清洗后开展渗透检测，可采用超声检测技术用于较深的裂纹确定，以此完成安全性评价。

2.2 其他部位

（1）法兰密封槽堆焊层。对于热壁加氢反应器法兰密封槽堆焊层，表面裂纹很容易产生于接管和接管盖、人孔和人孔盖的法兰密封槽表面，密封槽底的表面裂纹相对较多，向密封面延伸的表面裂纹则存在径向或环向、树枝状等多种形态。结合实际检验可以了解到，如密封胶的Cl-含量过高，受螺栓预紧力作用影响，氯化物应力腐蚀开裂便会出现于堆焊层，制造质量不良、尺寸不合的密封槽结构也可能引发裂纹。法兰密封槽堆焊层应采用渗透检测和宏观检查进行无损检测，以此更好地保障热壁加氢反应器性能。

（2）筒体与外部构件焊接处。对于筒体与外部构件焊接处的保温支撑板、吊耳、裙座、接管、测温凸台等，在与筒体的连接部位很容易出现埋藏缺陷或表面缺陷，为实现这类缺陷的无损检测，一般采用宏观检查、渗透检测、磁粉检测、脉冲反射式超声检测等方式，具体检测对象应为可能产生缺陷的部位，图2 为某热壁加氢反应器裙座表面裂纹磁粉检测结果。

3 结论

热壁加氢反应器的无损检测技术的选用需关注多方面因素影响。在此基础上，脉冲反射式超声检测技术、超声TOFD 检测技术、磁粉检测技术、主焊缝内壁堆焊层无损检测等，提供了可行性较高的无损检测技术应用路径。为更好地保证热壁加氢反应器的安全及性能，无损检测方法的合理选择、相控阵检测等新型技术的积极应用同样需要得到重视。

图2 某热壁加氢反应器裙座表面裂纹磁粉检测结果