王長(zhǎng)蕾,徐海亮,胡修坤
(1.淄博市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院,山東 淄博 255086;2.泰山學(xué)院,山東 泰安 271000)
分層缺陷出現(xiàn)在壓力容器與壓力管道的生命周期中的各個(gè)環(huán)節(jié),分層缺陷屬于內(nèi)部缺陷,在制造過程中,由于鋼坯或鋼錠的質(zhì)量問題,比如板坯中存在縮孔、夾渣等缺陷,在軋制鋼板時(shí)未能很好地焊合,有可能會(huì)將鋼板從中間分離成兩層或者很多層,尤其是在復(fù)合材料的壓力容器制造過程中,基層為合金鋼,內(nèi)襯不銹鋼,加工貼合不緊密,存在分層,焊接過程中,不銹鋼復(fù)層邊緣離焊縫中心較近,在焊接時(shí)高溫?zé)嵫h(huán)過程中,焊接溫度過高,況且熱膨脹系數(shù)差別較大,在焊基層時(shí)復(fù)層反復(fù)受熱膨脹,而引起復(fù)層張口,導(dǎo)致分層的缺陷出現(xiàn)。分層具有多種危害,一是,分層缺陷降低了承壓件的有效厚度,惡化材料的力學(xué)性能,特別是沿厚度方向的強(qiáng)度、韌性、抗沖擊能力和抗疲勞能力顯著降低。二是,分層缺陷的邊緣形狀不規(guī)則,易形成尖角,容易引起應(yīng)力集中,特別是在交變載荷作用下,比如吸附塔或者焦炭塔等設(shè)備,在應(yīng)力集區(qū)形成交變應(yīng)力,以致造成應(yīng)力疲勞。三是,在長(zhǎng)時(shí)間的濕硫化氫環(huán)境,H2S 與碳鋼或者合金鋼反應(yīng)生成的氫原子向材料內(nèi)部擴(kuò)散,在分層處易聚集形成氫分子,形成孔穴結(jié)構(gòu)由于很難逸出,從而形成強(qiáng)大內(nèi)壓導(dǎo)致其周圍組織屈服,導(dǎo)致氫鼓包,這種現(xiàn)象在液化石油氣儲(chǔ)罐等設(shè)備中常見。
當(dāng)分層缺陷延伸到鋼板表面時(shí),宏觀檢查時(shí),打磨無法消除,可初步判定為分層缺陷。這種判斷大多依據(jù)經(jīng)驗(yàn),無法定量。
(1)當(dāng)用超聲波測(cè)厚儀測(cè)厚時(shí),如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)圖樣標(biāo)注筒體公稱厚度或與其他部位厚度相差較大且有一定面積,可初步判定為分層缺陷。
這種辦法大致可以判斷分層后的有效厚度和大約面積。具體不是很準(zhǔn)確。
(2)用超聲波探傷儀對(duì)壓力容器檢測(cè)時(shí),當(dāng)發(fā)現(xiàn)表面與底波之間的回波波形陡直,底波明顯下降或安全消失,可判定為分層缺陷的存在。采用單晶直探頭或者雙晶直探頭可以確定分層的內(nèi)外兩面的厚度,以及缺陷的有效面積,但是需要反復(fù)測(cè)量,反復(fù)計(jì)算,不易在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。
(3)用相控陣檢測(cè)時(shí),利用相控陣多種掃查方式對(duì)某在用壓力容器筒體進(jìn)行掃查和分析,由于掃描盲區(qū)小、精度高、連續(xù)成像的特點(diǎn)對(duì)在用設(shè)備進(jìn)行檢測(cè),可以準(zhǔn)確對(duì)分層缺陷的定位、定量,可以克服超聲檢測(cè)的局限性,可以檢測(cè)小徑薄壁管、PE 管、奧氏體不銹鋼等埋藏的缺陷。
在定期檢驗(yàn)中,不僅要考慮母材與自由表面的夾角,判斷設(shè)備安全等級(jí),同時(shí)滿足承壓類用鋼要求也是重要的考慮項(xiàng)。當(dāng)判定為分層缺陷時(shí),需測(cè)定分層的指示長(zhǎng)度、面積、分層的缺陷高度,分層與母材自由表面的夾角等。現(xiàn)提供兩種較為準(zhǔn)確的測(cè)量方式,第一種采用超聲波探傷儀直接接觸法,另一種采用相控陣線性掃查測(cè)量。
脈沖反射式超聲波探傷儀其性能應(yīng)滿足NB/T47013.3 的規(guī)定。探頭選用:依據(jù)母材厚度,選用標(biāo)稱頻率;試塊選用:依據(jù)母材厚度,厚度小于20 mm 時(shí),選用階梯平底試塊,厚度大于20 mm 時(shí),板材對(duì)比試塊或者被容器檢板材無缺陷完好部位調(diào)節(jié);基準(zhǔn)靈敏度確定:與工件等厚部位試塊或被檢板材的第一次底波調(diào)整到滿刻度的50%,再提高4.0 dB。當(dāng)板厚大于20 mm 時(shí),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。
當(dāng)采用相控陣測(cè)量?jī)x檢測(cè)時(shí),選擇工藝參數(shù),應(yīng)注意以下幾點(diǎn):根據(jù)所檢測(cè)母材的厚度確定檢測(cè)范圍,設(shè)置輸入縱波、橫波在鋼中的聲速,為了提高檢測(cè)效率,如果耦合條件允許,可用多晶片探頭,檢測(cè)靈敏度與晶片數(shù)量無直接關(guān)系,只與合成聲束數(shù)量有關(guān)。為了更好地檢測(cè)缺陷,利用相控陣的聚焦功能,參考常規(guī)超聲波檢測(cè)設(shè)置靈敏度的方法,設(shè)置靈敏度為采用標(biāo)準(zhǔn)試塊,使相控陣探頭任一聲束對(duì)5 mm 平底孔第一次回波高度達(dá)50%作為基準(zhǔn)靈敏度。
在分層處,找到最高波,即為分層的最高點(diǎn),并記錄厚度,以此為O 圓心,向X+、X-、 Y +、Y-、A +、A+、B+、B-八個(gè)方向移動(dòng),移動(dòng)方向與探頭隔聲層相垂直,邊界點(diǎn)的確定:當(dāng)板材小于20 mm時(shí),缺陷波下降到基準(zhǔn)靈敏度條件下顯示屏滿刻度的50%;此處為邊界點(diǎn);當(dāng)檢測(cè)面厚度在20~60 mm 時(shí),移動(dòng)探頭使缺陷波下降到距離-波幅曲線,探頭中心即為邊界點(diǎn)。底面第一次反射波波幅與之相反。缺陷邊界確定后,以距離O 點(diǎn)最遠(yuǎn)的邊界點(diǎn)為直徑,畫出缺陷的指示圓,指示圓的面積即缺陷的指示面積,同時(shí)記錄每個(gè)邊界點(diǎn)X+、X-、Y+、Y-、A+、A+、B+、B-的厚度,通過測(cè)量厚度與O 點(diǎn)到實(shí)際缺陷輪廓的距離,就可以測(cè)得缺陷與自由表面的夾角。此方法可以測(cè)量到8 個(gè)夾角,取其中的最大值作為判別方法,如圖1。
圖1 分層缺陷檢測(cè)示意圖
但此辦法較為粗糙,很難找到夾角的實(shí)際的最大值,另一種方法為制作一個(gè)10 度的鋼板試塊,只需要測(cè)出深度差,就可以直觀明了,便于操作。適合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。難點(diǎn)在于需要制作專門的試塊,成本高。
可以選擇多種掃描方式,綜合運(yùn)用線性掃描和扇形掃描,采用多種顯示,比如C 顯示,可以測(cè)得分層缺陷的面積和指示長(zhǎng)度,S 扇形掃描可以測(cè)定缺陷的高度,參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單,檢測(cè)面積大,缺陷直觀,可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件精確定位、定量缺陷,計(jì)算面積、深度、指示長(zhǎng)度、與表面夾角。
在定期檢驗(yàn)中,某企業(yè)一臺(tái)液氨球罐,容積為1 499 m3,直徑為14.2 m,工作壓力為1.92 Mpa,工作溫度為-17~50℃,材質(zhì)為Q345R,厚度為55 mm,在中部赤道焊縫下側(cè)球翹板處,發(fā)現(xiàn)測(cè)厚異常,從內(nèi)向外側(cè),最小厚度為19.8 mm,從外向里側(cè),最小厚度為34.7 mm,區(qū)域大約40 mm×40 mm 區(qū)域,初步判斷為分層缺陷。
采用普通超聲波探傷儀檢測(cè),根據(jù)被檢工件的母材厚度,確定采用2.5P20Z 探頭,試塊選用鋼板對(duì)比試塊-3 基準(zhǔn)靈敏度調(diào)節(jié):孔深15/30/45/60/80、Φ5 平底孔制作距離波幅曲線。依據(jù)上述方法測(cè)得數(shù)據(jù)如表1 所示:
表1 超聲波探傷儀測(cè)量各方向厚度與自由表面夾角表
采用相控陣探傷儀檢測(cè),選用主頻為5 MHZ,16 晶片標(biāo)準(zhǔn)探頭,采用相控陣檢測(cè)對(duì)比試塊-4(15/30/45/60/80),靈敏度確定,按所用探頭和儀器在力5 mm 平底孔上選用 TCG 或 DAC 進(jìn)行靈敏度設(shè)置,并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行耦合補(bǔ)償作為基準(zhǔn)靈敏度。掃查敏度跟基準(zhǔn)靈敏度相同。根據(jù)不同的掃查方式,選擇不同角度的試塊,線性掃查,選用0 度楔塊,扇形掃查選用30°楔塊。分別選用C 顯示,S 顯示。檢圖2 為扇形掃查S 型顯示示意圖。
圖2 分層缺陷相控陣扇掃圖
距離通過扇形掃查測(cè)得,如從X-方向向X+方向做扇形掃查,即可得到邊界點(diǎn)X+到O 點(diǎn)的厚度;反之,即可得到邊界點(diǎn)X-到O 點(diǎn)的厚度。測(cè)得結(jié)果如表2 所示。
表2 相控陣探傷儀測(cè)量各方向厚度與自由表面夾角表
從以上的檢測(cè)數(shù)據(jù)可以得出,相控陣檢測(cè)得出的夾角普遍比普通測(cè)厚儀得出的夾角大,其中X+、Y-、B+、B-檢測(cè)四組數(shù)據(jù)超過10%,甚至還有達(dá)到20%。普通超聲檢測(cè)時(shí),邊界點(diǎn)到O 的厚度可以通過測(cè)量得出,但是O 點(diǎn)到邊界點(diǎn)的距離,只能假設(shè)成指示長(zhǎng)度,無法準(zhǔn)確給出,相控陣檢測(cè),可以明確的確定O 點(diǎn)到邊界點(diǎn)的長(zhǎng)度,因此,相控陣檢測(cè)可以準(zhǔn)確計(jì)算出夾角,所以,對(duì)于普通超聲檢測(cè)來說,只能在假設(shè)理想化條件下進(jìn)行,檢測(cè)數(shù)據(jù)太缺乏,計(jì)算太粗糙,很難找到最大的夾角,極易引起誤判,對(duì)于一些單個(gè)分層、一二級(jí)壓力容器,可以確定安全等級(jí)。但對(duì)一些高溫、高壓設(shè)備危險(xiǎn)設(shè)備,并且存在大面積、多點(diǎn)分層缺陷時(shí),相控陣檢測(cè)可以發(fā)揮檢測(cè)面積大、檢測(cè)效率高、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì),可以幫助檢驗(yàn)人員準(zhǔn)確判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況,確保設(shè)備安全運(yùn)行。