胡 棟,李成良,孫志鵬
(泰安市特種設備檢驗研究院,山東 泰安 271000)
低溫絕熱壓力容器是儲存低溫液化氣體的重要設備,通常由儲液內容器和維持真空絕熱空間的外殼組成[1],內容器通常采用低溫韌性良好的奧氏體不銹鋼或低溫合金鋼制成,外殼采用具有良好強度和焊接性的碳鋼低合金鋼,內外間采用多層真空或真空填充物實現(xiàn)絕熱。低溫絕熱壓力容器常見的儲存介質包括液化天然氣、液氫等清潔能源氣體及液氧、液氮、液氬等工業(yè)低溫液化氣體。由于低溫液化氣體介質遇熱急劇膨脹,造成壓力快速升高,因此此類容器一旦發(fā)生事故將產生巨大能量,為經濟社會的發(fā)展埋下巨大隱患[2]。
造成低溫絕熱壓力容器失效的主要因素包括開裂失效、真空失效及焊縫泄漏失效[3],其中內容器接管與外殼連接部位由于采用異種材料焊接,容易產生缺陷[4]。目前,針對部位通常采用滲透法進行檢測,滲透法基于毛細效應,僅對表面開口型缺陷有效,容易漏檢。交流電磁場(ACFM)檢測技術基于電磁感應原理,通過均勻感應電流在缺陷部位的磁場擾動,對缺陷進行定性與定量分析。本文針對低溫絕熱壓力容器異種鋼焊接接頭的結構特點,采用ACFM檢測技術進行檢測研究,并針對模擬試塊進行實驗,討論ACFM檢測技術的可行性。
某LNG儲罐異種鋼焊接部位如圖1所示,其內筒接管采用堵板與杜瓦式絕熱套管連接,堵板與杜瓦式絕熱套管采用與內筒介質相同的S 30408材質,外殼為Q 345R,杜瓦式絕熱套管與外殼間采用角焊縫連接,自動焊焊絲牌號為H12 Cr24 Ni13,手工焊焊條采用A 302。由于該焊縫兩側的母材化學成分不同,焊接時會使焊接接頭各區(qū)域的化學成分發(fā)生改變[5],在母材和焊縫間可能產生碳的擴散遷移,引起熔合線附近熱影響區(qū)的組織和性能變化,在焊接殘余應力的作用下,易產生裂紋及未融合缺陷[6]。
如圖1所示,根據電磁感應原理[7],對交流電磁場激勵探頭施加交流電后,在工件表面感應出均勻交變電流,在無缺陷或遠離缺陷處,感應磁場未產生較大變化,當從缺陷位置經過時,由于缺陷處空間不連續(xù)導致的電阻率變化,感應電流從缺陷的兩邊和底部(對開口型缺陷)或頂部(對近表面非開口型缺陷)繞過,引起表面磁場擾動。
將空間磁場在笛卡爾坐標系中分解,可以得到磁通密度在三個維度上的分量,其中平行于電流方向的分量為By,沿表面垂直于電流方向的分量為Bx,垂直于工件表面的分量為Bz,在缺陷部位,電流發(fā)生繞行,流經缺陷的電流密度減小,感應磁場的磁通密度將出現(xiàn)極小(表面開口型)或極大值(非表面開口型),故Bx會以單谷或單峰形式出現(xiàn),而流經缺陷兩端的電流密度增大,因此缺陷兩端的磁通密度將處于極大值,根據右手定則,缺陷兩端點的相位會發(fā)生180°的變化,因此Bz會以類似正弦信號的形式出現(xiàn),By的數量級較小,在不需要特殊處理下,可不用于缺陷的判定。
缺陷引起的電磁場擾動包含檢測電流感應的矢量勢函數A0(X,Y,Z)和缺陷引起的電場擾動感應的矢量勢函數AP(X,Y,Z)兩部分:
A(X,Y,Z)=A0(X,Y,Z)+AP(X,Y,Z)
(1)
A0(X,Y,Z)和AP(X,Y,Z)均滿足Laplace方程[8]:
(2)
式中,A0(X,Y,Z)滿足無缺陷時的邊界條件:
(3)
式中,AP(X,Y,Z)滿足含缺陷狀態(tài)的邊界條件:
(4)
式中,c為缺陷寬度。
實驗設備采用LKACFM-X1型智能交流電磁場檢測儀,該設備基于Windows系統(tǒng)設計,支持16通道檢測,檢測靈敏度可達3 mm,涂層穿透厚度可達10 mm。探頭采用角焊縫定制探頭,探頭激勵頻率為1 kHz,橫向分辨率可達1 mm。
參照圖1加工含不同類型缺陷的異種鋼接頭模擬試塊,接管公稱直徑為DN 100,材質為S 30408,殼體采用Q 345R,厚度為6 mm,接頭采用A302焊條手工焊焊接,焊縫寬度為8 mm,在熔合區(qū)附近背面加工兩處刻槽,模擬未融合及裂紋缺陷,刻槽深度為1 mm,寬度為0.5 mm,長度分別為3 mm和5 mm,在焊縫表面沿中心線加工3處鉆孔,模擬氣孔缺陷,孔徑為Φ3 mm,孔深分別為0.5 mm,1 mm和2 mm。
采用時基掃描方式對模擬進行檢測實驗,分別沿焊縫融合線及中心進行檢測,結果見圖2、3。
圖2為沿融合線掃查時的檢測結果,其中a為Bx檢測分量,b為Bz檢測分量,圖中橫坐標為距離,單位為mm;縱坐標為磁感應強度,單位為T。無缺陷擾動時,Bx基值約3540 T,Bz基值約11 950 T,Bx分量中3 mm缺陷引起的磁感應強度畸變量約為30 T,5 mm缺陷引起的畸變量約為90 T,Bz分量中3 mm缺陷引起的磁感應強度畸變量約為50 T,5 mm缺陷引起的畸變量約為225 T。根據Bx檢測分量特征可知,當檢測表面非開口型缺陷時,Bx不隨缺陷深度增加而降低,反而呈現(xiàn)升高特征,原因是缺陷引起電流從缺陷上方繞過,造成缺陷部位的磁感應強度增大。
a.Bx分量
圖3為沿焊縫中心掃查時的檢測結果,a為Bx檢測分量,b為Bz檢測分量,Bx分量中0.5 mm和1 mm深鉆孔引起的畸變量特征不明顯,2 mm深鉆孔引起的畸變量約為17 T,Bz分量中0.5 mm、1 mm和2 mm深鉆孔引起的畸變量約20 T,60 T和80 T,且具有較高的信噪比。
對比圖2和圖3檢測結果,圓形缺陷引起的磁感應強度變化低于條形缺陷,但由于電流的集膚效應,開口型缺陷的信噪比較高。
a.Bx分量
理論分析及檢測實驗表明,ACFM檢測技術能夠適用于低溫絕熱壓力容器異種鋼焊接接頭檢測,針對圓形及裂紋、未融合等缺陷,都具有較高的靈敏度,且能夠有效檢出表面非開口型缺陷,對非導磁性材料具有較好的適應性,但隨非開口型缺陷埋藏深度的增加,ACFM的靈敏度及信噪比都會有所降低,所以針對厚壁接頭檢測時,應進行合理的靈敏度校驗并嚴格控制檢測工藝,當工藝不能滿足靈敏度要求時,應采用其他檢測技術如超聲相控陣等對根部或近根部進行檢測。