鐵素體與奧氏體異種鋼焊接接頭表面開(kāi)口裂紋的電磁檢測(cè)

李運(yùn)濤，石 坤，劉再斌, 韓紅偉

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

液氫在氣壓為101.32 kPa時(shí)的沸點(diǎn)為20.37 K(-252.78 ℃)，在使用時(shí)極易吸熱汽化，其存儲(chǔ)和運(yùn)輸必須采用真空絕熱儲(chǔ)罐及其管路系統(tǒng)。液氫儲(chǔ)罐一般采用奧氏體不銹鋼制內(nèi)容器和低合金鋼制外容器套合，夾層采用真空粉末絕熱或高真空多層絕熱方式進(jìn)行絕熱；進(jìn)液、出液、回氣等管路需穿過(guò)外殼與內(nèi)容器相連。為避免不耐低溫的外容器直接接觸低溫管路，管路與外容器多采用溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)(不銹鋼制橢圓形封頭或不銹鋼管道)進(jìn)行連接，以加長(zhǎng)溫變距離。溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)不銹鋼橢圓封頭與管道外觀如圖1，2所示(圖中虛線框部分為異種鋼對(duì)接接頭)，管路材料一般為奧氏體不銹鋼。

圖1 溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)不銹鋼橢圓形封頭外觀

圖2 溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)不銹鋼管道外觀

該結(jié)構(gòu)異種鋼角焊接接頭的化學(xué)成分和金相組織復(fù)雜，服役過(guò)程中溫度交變載荷易引起其應(yīng)力變化，導(dǎo)致焊接接頭可能產(chǎn)生表面裂紋[1-4]，引起夾層泄漏、真空度下降，故定期檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該部位。

文中的異種鋼焊縫接頭包括鐵磁性的鐵素體鋼母材和非鐵磁性的奧氏體不銹鋼焊縫及母材，其表面裂紋缺陷的檢測(cè)方法通常包括射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、超聲衍射時(shí)差檢測(cè)、相控陣超聲、目視檢測(cè)和滲透檢測(cè)[5-7]等，而較少使用電磁檢測(cè)技術(shù)。使用渦流檢測(cè)法檢測(cè)異種鋼焊縫時(shí)，當(dāng)掃查方向垂直于鐵素體與奧氏體異種鋼焊接接頭(F/A)熔合線時(shí)，突變的磁導(dǎo)率導(dǎo)致非相關(guān)信號(hào)非常大，缺陷信號(hào)難以識(shí)別[8]。

檢測(cè)方法和技術(shù)的選擇需要考慮具體工況和材料。由于設(shè)備結(jié)構(gòu)不規(guī)則，工作環(huán)境條件苛刻，許多常規(guī)表面裂紋檢測(cè)技術(shù)受到限制。對(duì)F/A的檢測(cè)分析如下：① 該結(jié)構(gòu)角焊接接頭距離外容器封頭較近，無(wú)法進(jìn)行射線檢測(cè)；② 異種鋼焊接一般采用壁厚為45 mm的不銹鋼焊接材料；③ 奧氏體焊接接頭晶粒粗大會(huì)造成超聲波出現(xiàn)草狀回波，降低超聲檢測(cè)的靈敏度，而且超聲檢測(cè)表面缺陷的檢出率不高；④ 異種鋼角焊接接頭包括非鐵磁性材料，無(wú)法采用磁粉檢測(cè)；⑤ 在役檢驗(yàn)時(shí)，如果進(jìn)行清罐排空介質(zhì)操作，檢驗(yàn)完成后要重新預(yù)冷而導(dǎo)致容器和管路承受大范圍的溫度變化，不利于設(shè)備安全，還會(huì)造成預(yù)冷介質(zhì)的浪費(fèi)，因此一般定期檢驗(yàn)都在不清空介質(zhì)的情況下進(jìn)行；⑥ 管路表面溫度<0 ℃時(shí)，滲透檢測(cè)難度較大。因此，宜采用電磁檢測(cè)方法檢測(cè)異種鋼表面裂紋類缺陷。

1 檢測(cè)設(shè)備和對(duì)比試塊

1.1 檢測(cè)設(shè)備

渦流陣列(ECA)檢測(cè)技術(shù)是在常規(guī)表面渦流檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)。其檢測(cè)原理為：① 將若干個(gè)渦流線圈陣列式排布，并根據(jù)工作模式將這些線圈組成若干個(gè)陣列元;② 采用多路器分別對(duì)這些渦流線圈進(jìn)行分批分時(shí)激活以避免信號(hào)相互串?dāng)_，每批同時(shí)激活的線圈相距較遠(yuǎn)；③ 若干個(gè)陣元在編碼器觸發(fā)下保存具有位置信息的檢測(cè)數(shù)據(jù)；④ 將這些檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以直觀的C掃圖形式輸出[9]。從ECA的工作原理可以看出，ECA技術(shù)不但具有對(duì)工件表面要求低、無(wú)需耦合劑、掃查速度快、檢測(cè)數(shù)據(jù)可電子存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)，還克服了常規(guī)渦流掃查范圍小、檢測(cè)結(jié)果不直觀的缺點(diǎn)。試驗(yàn)選用OmniScan MX ECA型渦流陣列檢測(cè)儀和柔性ECA探頭(型號(hào)為FBB-500-051-032)。探頭具有32個(gè)陣列元件，工作模式是絕對(duì)橋式，探頭中央頻率為500 kHz，掃查寬度為51 mm。

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)(ACFM)技術(shù)先拾取平行電流在缺陷處產(chǎn)生擾動(dòng)而引起的磁場(chǎng)畸變信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)采集和處理裝置將這些與缺陷形狀有關(guān)的磁通信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)而分析判斷缺陷信息。ACFM技術(shù)能夠測(cè)量裂紋深度，檢測(cè)范圍寬，受材料磁性變化影響小[10-11]。設(shè)備選用Amigo 2型ACFM檢測(cè)儀和鐵磁性材料用筆式直探頭(頻率為5 kHz)。

1.2 對(duì)比試塊

由于異種鋼焊縫容易產(chǎn)生裂紋類缺陷，因此在對(duì)比試塊上采用電火花加工刻槽模擬表面開(kāi)口裂紋。對(duì)比試塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 對(duì)比試樣示意

對(duì)比試塊的母材材料分別是鐵磁性材料Q235R和奧氏體不銹鋼S30408;焊縫工藝為手工電弧焊，焊條材料為奧氏體不銹鋼，焊縫金屬也是奧氏體不銹鋼；焊后將余高磨平，采用電火花方法加工刻槽。對(duì)比試塊制作2塊，一塊是橫跨母材、熱影響區(qū)、熔合線、焊縫的橫向刻槽試塊(以下簡(jiǎn)稱橫槽試塊)，另一塊是在焊縫中心線、熔合線位置處加工的縱向刻槽試塊(以下簡(jiǎn)稱縱槽試塊)?？滩鄣膮?shù)如表1所示。

表1 對(duì)比試塊刻槽參數(shù) mm

2 檢測(cè)方法

ECA檢測(cè)試驗(yàn)采用ECA探頭沿著兩個(gè)對(duì)比試塊焊縫的長(zhǎng)度方向進(jìn)行掃查[見(jiàn)圖4(a)]，檢測(cè)頻率為500 kHz，探頭電壓為2.0 V，增益為68 dB，采用高通中值濾波。

ACFM檢測(cè)試驗(yàn)采用筆式探頭沿著縱向刻槽試塊上的縱向刻槽方向進(jìn)行掃查[見(jiàn)圖4(b)]，檢測(cè)頻率為5 kHz。

3 檢測(cè)結(jié)果

3.1 ECA的檢測(cè)結(jié)果

圖5為ECA技術(shù)檢測(cè)橫槽試塊和縱槽試塊的檢測(cè)結(jié)果(A為奧氏體，包括S30408母材和焊縫金屬；F為鐵素體，包括Q235R母材)，橢圓虛線為刻槽的相關(guān)顯示，方框虛線為F/A熔合線處的噪聲區(qū)域。

圖5 試塊的ECA檢測(cè)C掃圖

由圖5可知，奧氏體區(qū)域或鐵素體區(qū)域的材料比較均勻，高頻中值濾波后的刻槽相關(guān)顯示背景噪聲小，刻槽信號(hào)信噪比高，刻槽的相關(guān)顯示能夠清晰可見(jiàn)。在F/A熔合線附近，手工電弧焊的熔合線不規(guī)則，由于鐵素體的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于奧氏體材料的磁導(dǎo)率，所以該通道的渦流信號(hào)幅值和相位都不均勻，高頻中值濾波后該區(qū)域的噪聲信號(hào)比較大，寬度大致有3個(gè)通道寬(約4.8 mm)；橫向刻槽的相關(guān)顯示顏色有點(diǎn)異常，但還是連續(xù)的，噪聲對(duì)相關(guān)顯示的影響不大；縱向刻槽的相關(guān)顯示與不規(guī)則邊緣造成的非相關(guān)顯示難以分辨。

根據(jù)上述分析，對(duì)于ECA檢測(cè)技術(shù)，不規(guī)則的F/A熔合線會(huì)造成噪聲信號(hào)較大，影響該處縱向裂紋相關(guān)顯示的識(shí)別；其他部位縱向裂紋和橫向裂紋的相關(guān)顯示都可被檢出。因此，F(xiàn)/A焊接接頭的檢測(cè)難題是F/A熔合線處縱向裂紋的檢測(cè)。

3.2 ACFM的檢測(cè)結(jié)果

圖6為ACFM技術(shù)對(duì)縱槽試塊的檢測(cè)結(jié)果，虛線方框內(nèi)為縱向刻槽的信號(hào)。對(duì)比3個(gè)縱向刻槽的ACFM信號(hào)可知，越是靠近鐵磁性材料，縱向刻槽的信號(hào)強(qiáng)度越大，刻槽的信號(hào)特征越明顯，F(xiàn)/A熔合線處的縱向刻槽信號(hào)形成了典型的閉合蝶形圖；離鐵磁性材料越遠(yuǎn)，縱向刻槽的信號(hào)強(qiáng)度越小，信號(hào)特征越不明顯，甚至無(wú)法形成閉合蝶形圖。這種檢測(cè)結(jié)果與探頭的選擇有關(guān)。因此，異種鋼焊接接頭F/A熔合線處的縱向裂紋可以通過(guò)ACFM技術(shù)解決。

圖6 縱槽試塊的ACFM檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)以上分析可知，對(duì)于F/A焊接接頭的橫向裂紋和非F/A熔合線處的縱向裂紋，可以采用ECA技術(shù)檢出，而F/A熔合線處的縱向裂紋可由ACFM技術(shù)檢出。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) ECA技術(shù)檢測(cè)F/A異種鋼橫向和縱向刻槽對(duì)比試塊的試驗(yàn)結(jié)果表明：不規(guī)則的F/A熔合線會(huì)造成噪聲信號(hào)較大，影響該處縱向裂紋相關(guān)顯示的識(shí)別；其他部位的縱向裂紋和橫向裂紋的相關(guān)顯示都可被識(shí)別。

(2) ACFM技術(shù)檢測(cè)縱向刻槽對(duì)比試塊的試驗(yàn)結(jié)果表明，縱向刻槽越靠近鐵磁性材料，其信號(hào)幅值越大，因此ACFM技術(shù)可用于檢測(cè)F/A熔合線處的縱向刻槽。

(3) ECA技術(shù)與ACFM技術(shù)的組合可解決鐵素體與奧氏體異種鋼焊接接頭的表面開(kāi)口裂紋檢測(cè)問(wèn)題。

致謝感謝北京奧斯博科貿(mào)有限公司張憲誠(chéng)先生對(duì)試驗(yàn)部分的大力支持。