(云南大為化工裝備制造有限公司，曲靖 655338)

偏析是均勻成分的液態(tài)合金凝固時(shí)，高熔點(diǎn)的組分先行結(jié)晶所造成合金組元的濃度和雜質(zhì)分布不均勻的現(xiàn)象[1]。鋼錠經(jīng)過(guò)熱加工變形后，由偏析衍生出來(lái)的缺陷有流線、鬼線及帶狀組織等。

流線是車削、磨光的表面經(jīng)過(guò)酸浸后顯示的纖維狀組織，是由局部存在的成分偏析和夾雜物沿變形方向被拉長(zhǎng)產(chǎn)生的。

鬼線是在經(jīng)車削、磨光，但未經(jīng)酸浸的鋼材表面上看到的稍微發(fā)亮的條紋，其由硫磷化物的嚴(yán)重宏觀偏析造成，該處硫磷的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)可高出其他部位幾倍到幾十倍。

帶狀組織由鋼材在熱軋后的冷卻過(guò)程中發(fā)生相變時(shí)，鐵素體優(yōu)先在由枝晶偏析和非金屬夾雜延伸而成的條帶中形成。必須將試樣拋光和腐蝕后在顯微鏡下才能看到這種顯微偏析。

由于部分鋼材中存在偏析，下面筆者結(jié)合所在單位正在制作安裝的1 000 m3氧氣球罐，分析鋼材偏析對(duì)球罐焊縫TOFD(超聲衍射時(shí)差法)檢測(cè)的影響。

1 1 000 m3氧氣球罐設(shè)備概況

容器類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)壓力為3.15 MPa，工作壓力為3.0 MPa，球殼板材料為Q370R(正火)，球殼板厚度為48 mm，A類焊縫檢測(cè)方法為TOFD，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 47013.10-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第10部分:衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》。圖1為1 000 m3氧氣球罐結(jié)構(gòu)示意，圖2為1 000 m3氧氣球罐焊接接頭示意。

圖2 1 000 m3氧氣球罐焊接接頭示意

對(duì)球殼板的檢測(cè)要求為：

(1) 按照標(biāo)準(zhǔn)GB 12337-2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》規(guī)定，球殼材料為碳素鋼及低合金鋼，應(yīng)由鋼板制造單位或球罐制造單位對(duì)其進(jìn)行超聲檢測(cè)。材料為Q370R，鋼板厚度大于25 mm，超聲質(zhì)量等級(jí)不低于Ⅱ級(jí)。按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》的規(guī)定對(duì)鋼板進(jìn)行超聲檢測(cè)和質(zhì)量分級(jí)。

(2) 球殼板制造時(shí)，球殼板邊緣周邊100 mm范圍內(nèi)應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3-2015的規(guī)定進(jìn)行超聲檢測(cè)，質(zhì)量等級(jí)不低于Ⅱ級(jí)。

(3) 球罐組焊前，應(yīng)對(duì)球殼板周邊100 mm范圍內(nèi)進(jìn)行超聲波抽查，抽查數(shù)量不得少于球殼板總數(shù)的20%,且每帶不少于2塊，上、下極不少于1塊，質(zhì)量等級(jí)不低于Ⅱ級(jí)。若發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，應(yīng)加倍抽查，若仍有超標(biāo)缺陷，則應(yīng)100%檢驗(yàn)。

2 球殼板超聲波檢測(cè)

由設(shè)備概況可知，需要對(duì)外購(gòu)的球殼板在組焊前按照NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)球殼板周邊100 mm范圍進(jìn)行超聲波抽查，質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí)合格。

2.1 設(shè)備器材

超聲波儀器型號(hào)為HS Q6，探頭型號(hào)為2.5Z14N，采用承壓設(shè)備用板材超聲檢測(cè)對(duì)比試塊(試塊編號(hào)為3#，適用板材厚度范圍為60～100 mm，檢測(cè)面到平底孔的距離為15，30，45，60，80 mm，試塊厚度為100 mm,試塊寬度為40 mm)。

2.2 靈敏度設(shè)置

按所用探頭和儀器在φ5 mm平底孔試塊上繪制距離-波幅曲線(見(jiàn)圖3)，并以此曲線作為基準(zhǔn)靈敏度。

圖3 繪制的距離-波幅曲線

2.3 不允許的超標(biāo)缺陷

不允許的超標(biāo)缺陷主要包括：白點(diǎn)、裂紋等缺陷；單個(gè)缺陷當(dāng)量平底孔直徑D>φ5 mm+14 dB;在任意1 m檢測(cè)長(zhǎng)度內(nèi)，φ5 mm+8 dB

2.4 抽檢結(jié)論

按照NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)球殼板上、下極板周邊100 mm范圍(包括與凸緣對(duì)接的球殼板邊緣部位)進(jìn)行超聲波檢測(cè)抽查，質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ級(jí)，符合標(biāo)準(zhǔn)GB 12337-2014中對(duì)球殼板的要求。

3 球殼板的TOFD檢測(cè)

因?yàn)橹岸啻斡龅戒摪迤鰧?dǎo)致焊縫的TOFD圖譜無(wú)法評(píng)定的情況，所以在球殼板入廠后，對(duì)需要使用超聲波抽查的球殼板坡口邊緣100 mm范圍內(nèi)(包括與凸緣對(duì)接的球殼板邊緣)又進(jìn)行了TOFD檢測(cè)，用以區(qū)別無(wú)法評(píng)定的TOFD圖譜的顯示是由板材內(nèi)部缺陷(按照NB/T 47013.3—2015標(biāo)準(zhǔn)，此缺陷在合格范圍內(nèi))引起還是由焊接缺陷所引起，為此按照球罐焊縫的TOFD檢測(cè)工藝對(duì)球殼板進(jìn)行TOFD檢測(cè)。

3.1 設(shè)備器材

TOFD儀器型號(hào)為Omniscan-MX，掃查裝置為HS-19，探頭標(biāo)稱頻率為3.5 MHz，聲束角度為60°，晶片直徑為6 mm。試塊為掃查面盲區(qū)高度測(cè)定試塊(見(jiàn)圖4)、聲束擴(kuò)散角測(cè)定試塊(見(jiàn)圖5)、TOFD-C對(duì)比試塊(見(jiàn)圖6)。

圖4 掃查面盲區(qū)高度測(cè)定試塊結(jié)構(gòu)示意

圖5 聲束擴(kuò)散角測(cè)定試塊結(jié)構(gòu)示意

3.2 -12 dB聲束擴(kuò)散角的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

3.2.1 計(jì)算值

探頭標(biāo)稱頻率f=3.5 MHz，聲束角度θ=60°，晶片直徑D=6 mm，工件中縱波聲速cL=5.89 mm·μs-1，楔塊中縱波聲速cP=2.4 mm·μs-1，擴(kuò)散因子F-12=0.7。

(1) 由折射角公式計(jì)算出楔塊中縱波入射角θP。

(1)

得θP=20.66°。

(2) 計(jì)算楔塊中縱波的聲束擴(kuò)散角γP。

(2)

得γP=4.59°。

(3) 計(jì)算楔塊中縱波的聲束上下邊界角。

γP上=θP+γP=25.25°

(3)

γP下=θP-γP=16.07°

(4)

(4) 計(jì)算鋼中縱波的聲束上下邊界角。

(5)

得γL上=90°。

(6)

得γL下=42.79°。

由此可知，-12 dB聲束擴(kuò)散角的計(jì)算值范圍為42.79°～90°。

3.2.2 實(shí)測(cè)值

根據(jù)NB/T 47013.10-2015標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，每次檢測(cè)前應(yīng)測(cè)定儀器和探頭(3.5 MHz,60°)的-12 dB聲束擴(kuò)散角，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 儀器和探頭的-12 dB聲束擴(kuò)散角

3.3 探頭中心間距及時(shí)間窗口設(shè)置

3.3.1 探頭中心間距(P)的計(jì)算

NB/T 47013.10-2015標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)工件厚度T≤50 mm時(shí)，可采用一組探頭檢測(cè)，推薦將探頭中心間距設(shè)置為能使探頭對(duì)的聲束交點(diǎn)位于2T/3深度處的距離。工件厚度T=48 mm，聲束角度θ=60°，則

(7)

3.3.2 時(shí)間窗口設(shè)置

NB/T 47013.10-2015標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)工件厚度T≤50 mm且采用單通道檢測(cè)時(shí)，其時(shí)間窗口的起始位置應(yīng)設(shè)置為直通波到達(dá)接收前的0.5 μs以上，時(shí)間窗口的終止位置應(yīng)設(shè)置為工件底面的一次波形轉(zhuǎn)換波后的0.5 μs以上?？v波聲速c1=5.89 mm·μs-1，橫波聲速c2=3.23 mm·μs-1，工件厚度T=48 mm，可得時(shí)間窗口t1，t2數(shù)值如下

(8)

0.5=34.99 μs

(9)

則該檢測(cè)區(qū)域的時(shí)間窗口是18.17 μs～34.99 μs。

3.4 初始掃查面盲區(qū)高度的測(cè)定

初始掃查面盲區(qū)高度應(yīng)采用如圖4所示的試塊進(jìn)行實(shí)際測(cè)定。

將設(shè)置好的掃查裝置分別對(duì)不同深度的側(cè)孔進(jìn)行掃查，能發(fā)現(xiàn)的最小深度橫孔上沿所對(duì)應(yīng)的深度即為初始掃查面盲區(qū)高度(見(jiàn)圖7)。

圖7 初始掃查面盲區(qū)高度示意

由圖7可知，初始掃查面盲區(qū)高度為8 mm， 對(duì)此可按NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)，采用脈沖反射超聲檢測(cè)法對(duì)初始掃查面進(jìn)行檢測(cè)。

3.5 初始底面盲區(qū)高度的測(cè)定

初始底面盲區(qū)按照式(10)計(jì)算

式中：工件厚度T為48 mm；x為偏離焊縫中心線的距離(此處為底面檢測(cè)區(qū)域?qū)挾鹊囊话?，最大值為20 mm(焊縫寬度的一半10 mm+熔合線一側(cè)10 mm)；s為探頭中心間距的一半55 mm。

NB/T 47013.10-2015標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：當(dāng)初始底面盲區(qū)高度h>1 mm時(shí)，宜采用偏置非平行掃查方式。偏置量確定為左右各偏置6 mm，按照式(8)計(jì)算，偏置后的底面盲區(qū)高度為0.891 mm。

3.6 橫向缺陷的檢測(cè)方法

按照NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)接接頭B級(jí)檢測(cè)的要求進(jìn)行橫向缺陷的超聲波檢測(cè)。

3.7 TOFD檢測(cè)結(jié)論

圖8為與凸緣焊接的球殼板邊緣100 mm范圍內(nèi)的TOFD檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。

圖8 TOFD檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

圖9，10為與凸緣焊接的球殼板邊緣100 mm范圍內(nèi)的TOFD檢測(cè)圖譜。

圖9 TOFD檢測(cè)圖譜一

圖10 TOFD檢測(cè)圖譜二

4 金相分析

針對(duì)球殼板的TOFD圖譜出現(xiàn)的顯示，對(duì)球殼板進(jìn)行TOFD檢測(cè)后，又對(duì)球殼板邊緣(包括與凸緣對(duì)接的球殼板邊緣)進(jìn)行了金相分析，發(fā)現(xiàn)鋼材上出現(xiàn)了偏析。圖11為球殼板打磨后經(jīng)硝酸腐蝕的宏觀圖，圖12為球殼板的100倍放大金相組織。

圖11 球殼板打磨后經(jīng)硝酸腐蝕的宏觀圖

圖12 球殼板的100倍放大金相檢驗(yàn)結(jié)果

5 球殼板與凸緣對(duì)接焊縫的射線檢測(cè)

原本是需要對(duì)所有無(wú)法判定的TOFD圖譜對(duì)應(yīng)的球罐焊縫(已經(jīng)按NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)采用超聲波檢測(cè)且不超標(biāo))進(jìn)行射線檢測(cè)，但由于現(xiàn)場(chǎng)射線檢測(cè)的輻射安全問(wèn)題，只對(duì)球殼板與凸緣對(duì)接焊縫進(jìn)行了射線檢測(cè)。由于球殼板與凸緣的外形結(jié)構(gòu)不適合進(jìn)行TOFD檢測(cè)，故采用射線檢測(cè)觀察焊縫內(nèi)部是否有超標(biāo)缺陷；對(duì)與凸緣對(duì)接的球殼板邊緣進(jìn)行射線檢測(cè)，以確認(rèn)采用超聲波檢測(cè)不超標(biāo)的球殼板邊緣部位(TOFD圖譜中出現(xiàn)非相關(guān)顯示)是否會(huì)在射線檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)缺陷影像。

5.1 設(shè)備器材

X射線探傷機(jī)型號(hào)為KMTXXGH3505Z(最高管電壓為350 kV、管電流為5 mA、錐靶周向陶瓷管、焦點(diǎn)尺寸為1 mm×3.5 mm、射線機(jī)的擴(kuò)散角為36°)；膠片牌號(hào)為愛(ài)克發(fā)CY7-2(膠片等級(jí)為C5、膠片長(zhǎng)×寬為360 mm×80 mm)；增感屏為Pb 0.03 mm(前/后)；像質(zhì)計(jì)型號(hào)為FeⅢ(6～12)。

5.2 球罐凸緣焊縫透照方式及焦距計(jì)算

因?yàn)榻咕郌小于球罐半徑R，所以采用內(nèi)透偏心法進(jìn)行透照(見(jiàn)圖13)。

圖13 球罐凸緣焊縫的內(nèi)透偏心法透照示意(F

假定凸緣的直徑為球罐的一次透照長(zhǎng)度L3=900(凸緣直徑為850 mm，考慮焊縫及熱影響區(qū)，球罐外徑D0=123 90)，即可求得球罐的透照次數(shù)N,由透照次數(shù)N可求得射線源至工件表面的距離L1,焦距F=L1+T。由于射線機(jī)的擴(kuò)散角問(wèn)題，焦距計(jì)算值需要滿足擴(kuò)散角能覆蓋凸緣所有膠片，計(jì)算過(guò)程如下所述。

(1) 不考慮射線機(jī)擴(kuò)散角影響的計(jì)算

L3=πD0/N

(11)

則N=44 次。

N=180°/a

(12)

則a=4.09°。

(13)

式中：K為透照厚度比1.1；SD為球罐內(nèi)徑12 300 mm；T為板厚48 mm。

由式(10)，(11)可得c=a+b=28.79°。

(14)

式中：L1為射線源至工件表面的距離。

得L1=813 mm,焦距F1>861 mm。

5.3 射線檢測(cè)結(jié)論

球罐射線檢測(cè)實(shí)物如圖14所示，球罐射線檢測(cè)圖像如圖15所示，由圖15可知，焊縫及焊縫邊緣的母材部分都無(wú)缺陷影像。

圖14 球罐射線檢測(cè)實(shí)物

圖15 球罐射線檢測(cè)圖像

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)在制的1 000 m3氧氣球罐的球殼板進(jìn)行超聲波檢測(cè)、TOFD檢測(cè)和金相分析，以及對(duì)球殼板與凸緣的對(duì)接焊縫進(jìn)行射線檢測(cè)，得知部分鋼材在焊接后，檢測(cè)得到的無(wú)法評(píng)定的TOFD圖譜顯示不是由焊接產(chǎn)生的缺陷，而是由鋼材偏析產(chǎn)生的顯示。偏析會(huì)對(duì)TOFD圖譜評(píng)定造成干擾，因此如需對(duì)球罐進(jìn)行TOFD檢測(cè)，除了按照標(biāo)準(zhǔn)GB 12337—2014規(guī)定對(duì)球殼板進(jìn)行超聲檢測(cè)外，還應(yīng)增加在球殼板壓制后，對(duì)逐片球殼板的坡口邊緣100 mm范圍進(jìn)行TOFD檢測(cè)的要求，對(duì)坡口邊緣無(wú)法評(píng)定的TOFD圖譜進(jìn)行記錄，待焊接完成后，對(duì)記錄部位的焊縫進(jìn)行超聲波或射線輔助檢測(cè)(如果無(wú)法識(shí)別的TOFD圖譜數(shù)量較多且顯示基本類似，可抽查部分進(jìn)行射線檢測(cè)，剩余部分進(jìn)行超聲波檢測(cè))。