304/Q345R不銹鋼復(fù)合板常壓儲罐對接焊縫TOFD檢測

摘要：對304/Q345R不銹鋼復(fù)合板常壓儲罐進(jìn)行了超聲衍射時差法技術(shù)研究應(yīng)用。采用帶有對接焊縫的表面盲區(qū)試塊進(jìn)行直通波盲區(qū)測定，對復(fù)合板焊接模擬試塊進(jìn)行檢測，分析比較了基于覆材側(cè)和基材側(cè)的檢測效果差異性，最后將制定的檢測工藝應(yīng)用于現(xiàn)場一臺25 000 m3不銹鋼復(fù)合板常壓儲罐，檢出埋藏裂紋1條并進(jìn)行了解剖驗證。結(jié)果表明：基于覆材側(cè)的TOFD檢測技術(shù)可應(yīng)用于復(fù)合板常壓儲罐的開罐內(nèi)檢測。

關(guān)鍵詞：不銹鋼復(fù)合板;常壓儲罐;TOFD檢測;工藝驗證

0? ? 前言

不銹鋼復(fù)合板制常壓儲罐的內(nèi)表面為不銹鋼材質(zhì)，一般稱為覆材，外表面為各種牌號的碳素鋼或低合金鋼，一般稱為基材，通常使用較多的材料組合為304和Q345R。不銹鋼復(fù)合板材料的性價比較高，既有不銹鋼的耐腐蝕性能，又有碳鋼良好的機(jī)械性能和經(jīng)濟(jì)性[1]。與承壓設(shè)備相比，首先，使用單位對常壓儲罐的重視程度不夠，認(rèn)為其不承壓，所受力很小，安全性較高，而實際上為了充分節(jié)約材料，在設(shè)計過程中儲罐壁板所受應(yīng)力已十分接近材料的許用應(yīng)力，使用過程中的地基沉降和交變疲勞應(yīng)力等復(fù)雜載荷會導(dǎo)致儲罐發(fā)生泄漏或破裂;其次，儲罐在制造過程中的現(xiàn)場焊接質(zhì)量合格率也明顯低于承壓設(shè)備，國家法律法規(guī)對常壓儲罐的定期檢驗也未作詳細(xì)要求。目前，國內(nèi)儲罐檢驗主要參考標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 6620-2014《油罐的檢驗、修理、改建及翻建》[2]和GB/T 30578-2014《常壓儲罐基于風(fēng)險的檢驗及評價》[3]，均提及到罐壁板焊縫的檢測要求，其中SY/T6620-2014要求采用射線檢測和目視檢查，GB/T 30578-2014要求根據(jù)現(xiàn)場條件進(jìn)行選擇。文中設(shè)計了304/Q345R復(fù)合板盲區(qū)試塊和模擬試塊，探討了復(fù)合板的TOFD檢測工藝，并在現(xiàn)場應(yīng)用于不銹鋼復(fù)合板常壓儲罐，檢出埋藏裂紋1條，同時進(jìn)行了解剖驗證。

1 不銹鋼復(fù)合板TOFD檢測技術(shù)

不銹鋼復(fù)合板在焊接時，由于不銹鋼覆材和低碳鋼基材的物理化學(xué)性能存在一定的差異性，屬于異種鋼焊接，焊接難度較大[4]。不銹鋼復(fù)合板的焊接接頭組成與普通碳鋼也存在明顯的差異性，其中焊縫金屬是由基層、過渡層、覆層3個區(qū)域組成，過渡層的作用是防止或減少焊接過程對焊縫金屬的稀釋作用，首先過渡層屬于異種金屬焊接區(qū)，極易產(chǎn)生裂紋，其次焊接殘余應(yīng)力會使復(fù)層表面易產(chǎn)生微裂紋，所以這一部分是決定焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵。檢測技術(shù)方面：射線檢測不能評定埋藏缺陷的深度，無法得知缺陷是在基層上還是在復(fù)層上;普通超聲在復(fù)合板內(nèi)會產(chǎn)生復(fù)雜的反射、折射和波形轉(zhuǎn)換，不易定量缺陷波;而TOFD衍射波對復(fù)合板焊接裂紋更為敏感，定位和定量較為準(zhǔn)確，采用TOFD檢測具有較高的可行性。

針對不銹鋼復(fù)合板焊接接頭的TOFD檢測，NB/T 47013.10-2015《承壓設(shè)備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》有相關(guān)規(guī)定：可以分別從基材側(cè)和覆材側(cè)進(jìn)行TOFD檢測，兩種檢測方法的差異性主要體現(xiàn)在綜合盲區(qū)大小不同，基材側(cè)檢測總體盲區(qū)由直通波盲區(qū)、過渡層結(jié)合信號、復(fù)層信號三部分構(gòu)成;覆材側(cè)檢測總體盲區(qū)僅為直通波盲區(qū)，過渡層結(jié)合信號和復(fù)層信號淹沒在直通波盲區(qū)內(nèi)[5]，不銹鋼復(fù)合板基于覆材側(cè)的檢測具有明顯的優(yōu)勢，可為復(fù)合板常壓儲罐開罐內(nèi)檢測提供一個較好的檢測思路。

2 對比試塊檢測

2.1 表面盲區(qū)試塊檢測

2.1.1 試塊設(shè)計加工

考慮到不銹鋼復(fù)合板對接焊縫處的粗晶不銹鋼組織對聲速的影響，進(jìn)而會影響直通波盲區(qū)大小，若采用NB/T 47013.10-2015的盲區(qū)試塊測定會造成誤差偏大，因此設(shè)計帶有對接焊縫的復(fù)合板表面盲區(qū)試塊，包含10個寬度1 mm的矩形槽缺陷，其中焊縫坡口形式選取GB/T 13148-2008《不銹鋼復(fù)合鋼板焊接技術(shù)要求》中的對接2號X型坡口，試塊原材料來源于某企業(yè)不銹鋼復(fù)合板在制儲罐，規(guī)格為S30408+Q345R（3+22 mm），試塊設(shè)計如圖1所示，實物如圖2所示。

由圖1可知，深度為3～10 mm的矩形槽在覆材側(cè)，用于測定直通波盲區(qū);深度為1 mm、2 mm的矩形槽在基材側(cè)，用于測定焊縫底部中心部位盲區(qū)。

2.1.2 表面盲區(qū)試塊TOFD檢測

檢測儀器為南通友聯(lián)PXUT-920 TOFD檢測儀，頻率5.0 MHz，楔塊角度60.0°，晶片尺寸6.0 mm，PCS=57.0 mm，分別從基材側(cè)和覆材側(cè)進(jìn)行非平行掃查，制定的檢測工藝符合NB/T 47013.10-2015關(guān)于平板對接接頭的探頭參數(shù)推薦值，檢測結(jié)果見圖3。

2.1.3 檢測結(jié)果分析

根據(jù)直通波盲區(qū)深度計算公式：

式中 c為材料中縱波聲速;s為探頭中心距的1/2;Tp為直通波脈沖持續(xù)時間，一般取1.5個直通波周期。帶入相關(guān)數(shù)據(jù)計算可得覆材側(cè)理論直通波盲區(qū)為7.13 mm，基材側(cè)理論直通波盲區(qū)為7.20 mm。

由圖3a可知，覆材側(cè)深度為3 mm的矩形槽有微弱的信號，深度4～10 mm的矩形槽信號清晰可見，有明顯的直通波下沉特征，符合上表面開口缺陷典型特征，基材側(cè)深度為1 mm、2 mm的矩形也有明顯的衍射波信號，因此在當(dāng)前工藝下，焊縫底面中心部位盲區(qū)≤1 mm，掃查面盲區(qū)≤3 mm。由圖3b可知，深度3 mm的矩形槽由于過渡層信號的影響，未檢出，深度4～10 mm矩形槽清晰可見，深度為1 mm、2 mm的矩形槽被直通波信號所淹沒，同樣未檢出，從D掃圖信噪比角度來分析，基于覆材側(cè)檢測信噪比明顯高于基材側(cè)，實測盲區(qū)明顯小于理論盲區(qū)。

2.2 焊縫模擬試塊檢測

2.2.1 試塊設(shè)計加工

針對不銹鋼復(fù)合板對接焊縫容易產(chǎn)生的常見焊接缺陷，設(shè)計并加工焊縫模擬試塊，缺陷種類包括根部未焊透、坡口未熔合、坡口夾渣、過渡層裂紋、氣孔，焊接過程參照GB/T 13148-2008《不銹鋼復(fù)合鋼板焊接技術(shù)要求》進(jìn)行。模擬試塊設(shè)計如圖4所示，實物如圖5所示。

2.2.2 TOFD檢測與結(jié)果分析

采用如下檢測工藝：頻率5.0 MHz，楔塊角度為60.0°，晶片尺寸6.0 mm，PCS=57.0 mm，分別基于覆材側(cè)和基于基材側(cè)進(jìn)行掃查，掃查結(jié)果如圖6所示。

統(tǒng)計并測量圖6a中的缺陷，結(jié)果如表1所示。由圖6a和表1可知，整塊試板含有5個缺陷，對于未焊透缺陷，由于所處位置在過渡層結(jié)合面處，有過渡層信號干擾，所以定量存在困難，但是TOFD-D掃圖中明顯存在過渡層信號斷裂的特征，其余4個缺陷圖譜清晰，定量準(zhǔn)確，但是整個圖譜中雜波信號較多，主要是過渡層信號（圖中黑框位置），還有直通波盲區(qū)（圖中白框位置），有效可視區(qū)域較小（圖中綠框位置），若是復(fù)合板現(xiàn)場焊接，焊接質(zhì)量將明顯低于模擬試板，過渡層信號的影響效果會加大，信噪比會進(jìn)一步下降。

由圖6b可知，5個缺陷均可以檢出（圖中5個紅框），由于試板在加工過程中過渡層焊接厚度較大，對缺陷定量造成了一定的影響，但圖中信噪比明顯高于圖6a，有效可視區(qū)域（圖中綠框位置）明顯大于圖6a，若焊接時嚴(yán)格控制過渡層厚度，則可進(jìn)一步擴(kuò)大有效可視區(qū)域，更有利于檢測。

2.2.3 射線檢測驗證

對該模擬試板進(jìn)行射線檢測，驗證TOFD檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，RT檢測工藝如表2所示。射線檢測底片結(jié)果如圖7所示。

RT檢測結(jié)果的統(tǒng)計與分析如表3所示?？梢钥闯觯琑T檢測檢出5個缺陷，缺陷性質(zhì)較為明顯，缺陷長度與試板加工時設(shè)計的長度較為吻合，TOFD檢測長度略小于RT檢測長度，基于覆材側(cè)的TOFD測量結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

3 現(xiàn)場應(yīng)用案例

對1臺在制的25 000 m3不銹鋼復(fù)合板常壓儲罐進(jìn)行TOFD檢測，材質(zhì)為S30408+Q345R（3+28 mm），檢測部位為第一圈壁板的縱向焊縫，檢測工藝參數(shù)為：頻率5.0 MHz、楔塊角度70.0°、晶片尺寸6.0 mm，現(xiàn)場檢測情況見圖8，檢測結(jié)果見圖9。

由圖9a可知，基于覆材側(cè)檢測，發(fā)現(xiàn)典型缺陷兩處，分別為φ1.1 mm氣孔和長度20.4 mm的裂紋，過渡層信號淹沒在直通波信號中，未對整個檢測圖譜造成較大影響。反觀圖9b，檢測也發(fā)現(xiàn)典型缺陷兩處，但整個圖譜中存在過渡層信號，由于現(xiàn)場焊接的特殊性，過渡層信號存在上下波動，不是很平整，不利于整個檢測，從檢測圖譜的質(zhì)量來講，覆材側(cè)檢測具有明顯的優(yōu)勢。針對TOFD檢測所發(fā)現(xiàn)的裂紋缺陷進(jìn)行解剖并做PT驗證，結(jié)果如圖10所示。

經(jīng)打磨后，輔以滲透檢測確認(rèn)，結(jié)果如下：裂紋長度18 mm，打磨深度6 mm，與TOFD檢測結(jié)果較為相近。因此，基于覆材側(cè)的TOFD檢測工藝具有較高的缺陷檢出率，缺陷定量也較為準(zhǔn)確，可應(yīng)用于不銹鋼復(fù)合板常壓儲罐的開罐內(nèi)檢測。

4 結(jié)論

（1）TOFD檢測方法在不銹鋼復(fù)合板對接焊縫的檢測中具有較高的可行性，主要體現(xiàn)在衍射波對過渡層焊接裂紋較為敏感，缺陷定位和定量較為準(zhǔn)確。

（2）基于覆材側(cè)的TOFD檢測方法相比于基材側(cè)檢測具有一定的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：信噪比高，雜波信號少，有效可視區(qū)域大。

（3）現(xiàn)場檢測過渡層和結(jié)合面信號由于焊接原因，會產(chǎn)生波浪形圖譜，容易對缺陷定量和定位產(chǎn)生干擾，但現(xiàn)場不銹鋼復(fù)合板設(shè)備過渡層的焊接厚度通常小于模擬試板，因此過渡層和結(jié)合面信號容易淹沒在直通波盲區(qū)內(nèi)，更利于檢測，基于覆材側(cè)的檢測優(yōu)勢更明顯。

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