厚壁高強鋼球罐埋藏裂紋的TOFD檢測及其成因分析

王 杜，陳定岳，陳 虎，黃 輝

（寧波市特種設(shè)備檢驗研究院，寧波 315048）

近期筆者對某公司的一臺1 000m3氧氣球罐進行首次全面檢驗。在采用常規(guī)檢測手段的基礎(chǔ)上，應(yīng)用TOFD技術(shù)進行內(nèi)部埋藏缺陷抽檢、對超聲波檢測發(fā)現(xiàn)的焊縫內(nèi)部埋藏缺陷進行復(fù)驗，并精確測量缺陷自身高度。TOFD檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)該球罐上溫帶大環(huán)縫將近有半圈存在54處超標埋藏缺陷顯示，初步判讀為未熔合、夾渣甚至可能存在裂紋等危害性缺陷。返修后證明這些埋藏缺陷絕大部分為裂紋。通過分析TOFD檢測圖譜，發(fā)現(xiàn)大部分裂紋圖譜存在典型特征，但是也有一些裂紋的圖譜與未熔合、夾渣等缺陷的圖譜十分相似，需要結(jié)合檢測對象的材料、焊接工藝、焊接環(huán)境等綜合評判，為TOFD檢測圖譜判讀積累了一定經(jīng)驗。

該球罐為混合式四帶結(jié)構(gòu)，由上下混合帶及上下溫帶構(gòu)成，無赤道帶。上下混合帶每帶7塊板，上下溫帶每帶20塊板，共有10個支柱，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 球罐主要技術(shù)參數(shù)

1 TOFD檢測設(shè)置

根據(jù)NB/T 47013.10－2010《承壓設(shè)備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測》標準進行TOFD檢測設(shè)置。按照檢驗方案對球罐上溫帶大環(huán)縫外表面對接焊縫進行TOFD檢測。將該環(huán)縫上所有丁字口部位焊縫余高打磨平整，以使檢測時探頭掃查架能夠順利通過；對超聲波檢測發(fā)現(xiàn)的39處超標埋藏缺陷進行復(fù)檢，總共檢測焊縫長度為98m。TOFD檢測部位見圖1所示，檢測設(shè)置參數(shù)見表2。TOFO檢測靈敏度為：①第1通道：找到對比試塊上8，20mm深度側(cè)孔，將其中較弱衍射波波幅設(shè)置為滿屏的40%～80%。② 第2通道：找到對比試塊上30，50mm深度側(cè)孔，將其中較弱衍射波波幅設(shè)置為滿屏的40%～80%。其檢測分區(qū)為：① 通道1：0～24mm深處。② 通道2：24～58mm（18～58mm）。

圖1 TOFD檢測部位

表2 TOFD檢測參數(shù)設(shè)置

通道1采用5MHz，6mm晶片探頭，楔塊63°，探頭中心距75mm，為非平行掃查。通道2采用3.5MHz，10mm 晶片探頭，楔塊55°，探頭中心距133mm，為非平行掃查。

2 TOFD檢測結(jié)果

檢測后確定需對54處超標缺陷（包括對UT檢出缺陷復(fù)檢后確定需返修的15處超標缺陷）進行返修。圖2為其中兩處裂紋缺陷TOFD圖譜。圖3為返修時滲透檢測所得2張裂紋缺陷照片。從返修情況來看，54處返修部位有48處為內(nèi)部埋藏裂紋，6處為未熔合＋條形夾渣缺陷。這些裂紋長短不一，最短的10mm左右，最長的將近300mm，主要位于上溫帶大環(huán)縫上，呈縱向分布，埋藏深度大多位于33～46mm之間，自身高度2～9mm。

圖2 兩處裂紋缺陷的TOFD圖譜

圖3 滲透檢測所示缺陷

通過對圖2裂紋TOFD圖譜判讀可見，大部分裂紋TOFD圖譜成一條或上下兩條相位相反的不規(guī)則主線，兩端和主線不時伴有不規(guī)則的拋物線組。但是也有一些裂紋的圖譜與未熔合很相似，一條主線很平直，并在主線下側(cè)伴有相位相反的不規(guī)則狀線組（拋物線狀或不連續(xù)的小段）；還有少量較短的裂紋的圖譜與夾渣很相似，呈現(xiàn)出不規(guī)則的斷續(xù)小段，圖像黑白對比較為鮮明。因此僅憑教科書中判斷缺陷類型的規(guī)律來判讀TOFD圖譜是不夠的，需要對不同檢測對象的材料、焊接工藝、焊接環(huán)境等綜合考慮才能下結(jié)論判定缺陷是否需要返修。對于文中檢測的厚壁高強鋼制造的球罐，尤其需要慎重處理，缺陷性質(zhì)的評定要從嚴，須嚴格按照 NB/T 47013.10－2010標準中關(guān)于缺陷評級及質(zhì)量分級的要求進行圖譜判讀。對于檢測人員判讀為裂紋、未熔合等危害性缺陷的，評定為Ⅲ級，需返修處理。

3 裂紋成因分析及處理辦法

該球罐材質(zhì)為15MnNbR，標準抗拉強度σb為550～630MPa，加上其公稱壁厚高達58mm，具有明顯的延遲裂紋及再熱裂紋傾向，屬于厚壁高強度鋼球罐，在安裝建造過程中其焊接及熱處理均存在很大難度。同時該球罐設(shè)計壓力為3.15MPa，球罐焊縫整體應(yīng)力水平很高。通過查閱安裝資料顯示，該球罐建造時對接焊縫采用100%γ射線中心曝光檢測，加上20%超聲波檢測抽查。

TOFD檢測發(fā)現(xiàn)的54處超標缺陷圖譜顯示的缺陷類型大部分是條狀顯示和密集點狀顯示，根據(jù)經(jīng)驗判斷這些缺陷可能為未熔合、夾渣甚至裂紋等危害性缺陷。經(jīng)過返修后最終發(fā)現(xiàn)絕大部分缺陷為裂紋，少量缺陷為未熔合及條渣。大部分嚴重的缺陷位于上溫帶大環(huán)縫中，該球罐上溫帶大環(huán)縫大約1/2長度需要返修處理，這些超標缺陷埋藏深度約為33～46mm，有些嚴重的缺陷長度達到300mm，最大自身高度達9mm。TOFD采用雙通道同時檢測，第一通道（0～24mm）缺陷顯示很少，僅有少量點狀缺陷顯示；超標缺陷絕大部分為第二通道（24～58mm）發(fā)現(xiàn)的。

安裝記錄顯示，該球罐于2008年7月安裝完畢，現(xiàn)場組焊期間正值多雨季節(jié)，相對濕度較大。盡管焊條烘干、焊前預(yù)熱及焊后熱處理等焊接工藝執(zhí)行較好，但由于潮濕的天氣，焊縫中的氫不能完全逸出，易導(dǎo)致焊縫中氫含量偏高［1］。球罐現(xiàn)場組焊過程采用先焊縱縫后焊環(huán)縫的順序進行，在上下極環(huán)縫焊接時，不可避免存在局部強力組裝現(xiàn)象，造成環(huán)縫的局部組裝壓力過大［2］。該球罐對接焊縫采用X型坡口，從內(nèi)部焊接上環(huán)縫時采用仰焊，焊接難度最大，因此很容易產(chǎn)生裂紋、坡口未熔合、夾渣等缺陷。而從外部焊接時則相對容易，因此產(chǎn)生的缺陷也較少。TOFD進行外部檢測時發(fā)現(xiàn)的缺陷大多位于鈍邊以下部位，證實了這一點。該環(huán)縫另外1/2焊縫長度中發(fā)現(xiàn)的超標缺陷較少，尤其是其中1/4焊縫長度中沒有超標缺陷，僅有少量點狀缺陷顯示。說明對于這種大壁厚高強度鋼球罐難焊的上溫帶環(huán)縫部位，只要采用好的施焊工藝，選擇技術(shù)好的焊工，同時嚴格遵守焊接紀律，完全可以焊出合格的焊縫。

資料中顯示該球罐建造時對接焊縫采用192Ir源γ射線100%中心曝光檢測，而發(fā)現(xiàn)的缺陷大多為氣孔、點渣等，很少發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合等危害性缺陷。58mm厚度的球罐，采用192Ir源γ射線中心曝光檢測，如果檢測工藝選擇不當(dāng)，肯定會造成大量危害性缺陷漏檢。溯源查出，此處底片模糊不清，射線源偏離球罐中心過大等均會造成缺陷漏檢。綜上所述，球罐內(nèi)埋藏缺陷大部分為制造安裝過程中遺留下來的，由于當(dāng)時采用的無損檢測方法的局限性，無法及時發(fā)現(xiàn)并消除。

由于本臺球罐所用材料為高強鋼，且存在延遲裂紋及再熱裂紋傾向，所以在處理內(nèi)部埋藏缺陷是否返修的問題上要十分謹慎，一般分散的點狀超標缺陷不宜進行返修，除非是嚴重超標的缺陷，且返修次數(shù)不宜超過兩次。使用單位已委托具有相關(guān)修理改造資質(zhì)的單位對該球罐進行了返修。返修過程嚴格控制焊接工藝及熱處理工藝，焊縫返修之后采用MT，TOFD檢測附加UT復(fù)檢合格，最后要求水壓及氣密試驗合格方可投入使用。同時根據(jù)《壓力容器定期檢驗規(guī)則》標準規(guī)定對該球罐安全狀況等級進行降級處理并縮短檢驗周期。

4 結(jié)語

通過本臺球罐首次全面檢驗中發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合近兩年來我院的30多臺球罐全面檢驗中發(fā)現(xiàn)的問題進行分析，發(fā)現(xiàn)采用TOFD技術(shù)后球罐焊縫內(nèi)部缺陷檢出率大大提高，許多射線檢測甚至A超檢測未能發(fā)現(xiàn)的危險性缺陷都能被檢出，而且對于缺陷的埋深、自身高度等數(shù)據(jù)的測量十分方便，為檢驗人員根據(jù)《壓力容器定期檢驗規(guī)則》標準進行定級提供了依據(jù)?，F(xiàn)就以后大型球罐檢驗提出如下對策：

（1）鑒于大型球罐定期檢驗中發(fā)現(xiàn)的大部分超標缺陷尤其是內(nèi)部埋藏缺陷為制造安裝過程中遺留缺陷，建議加強制造安裝監(jiān)檢。

（2）對于厚度大于38mm的大型容器進行安裝監(jiān)檢時，宜采用TOFD進行100%對接焊縫檢測，外加20%超聲波或者射線檢測抽查。抽查部位應(yīng)由監(jiān)檢員指定，重點抽查上下環(huán)縫部位。

（3）定期檢驗時應(yīng)采用TOFD技術(shù)抽查一定比例的焊縫，重點檢測上下溫帶環(huán)縫；超聲波檢測重點部位是上下溫帶尤其是上溫帶環(huán)縫，檢測上溫帶環(huán)縫時要重點檢測靠近球罐內(nèi)表面的部位，而檢測下溫帶環(huán)縫時要重點檢測靠近球罐外表面的部位。

（4）要高度重視高強度大壁厚球罐的焊接及熱處理質(zhì)量控制，要求安裝單位焊工嚴格遵守焊接紀律，盡量一次焊接合格，減少返修。定期檢驗時發(fā)現(xiàn)的分散單個超標缺陷也應(yīng)以少返修為原則。

［1］任克華，董建明.壓力容器用鋼15MnNbR的焊接［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2009（2）：58－59.

［2］王宏君，劉文飛.15MnNbR大型球罐的定期檢驗［J］.廣東化工，2012，39（1）：123－124.