壓力容器焊接缺陷磁記憶信號特點

陳健飛，李克鵬，劉海波，王安泉，周先軍，徐忠文

（1.勝利油田技術(shù)檢測中心特檢所，東營 257000；2.中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，青島 266580）

金屬磁記憶檢測技術(shù)［1］是近年來興起的一種新的無損檢測方法，可檢測受載鐵磁構(gòu)件缺陷產(chǎn)生前的局部應(yīng)力集中，為缺陷的預(yù)診斷及壽命預(yù)測提供依據(jù)，進(jìn)而保障構(gòu)件的安全，能夠?qū)﹁F磁構(gòu)件進(jìn)行早期診斷的無損檢測方法［2－4］。鐵磁工件受工作載荷的作用，其殘余磁性會發(fā)生改變和重新分布，在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成最大的漏磁場（Hp）的變化，漏磁場切向分量Hp（x）具有最大值，法向分量Hp（y）改變符號且具有零值點。通過對漏磁場場強(qiáng)及其梯度的測定，可以確定工件的應(yīng)力集中區(qū)及應(yīng)力集中程度，有利于及時檢測與預(yù)防構(gòu)件缺陷［1，5］。目前，有關(guān)缺陷應(yīng)力集中磁記憶檢測方面的研究，大多集中在單向應(yīng)力狀態(tài)定性的研究上［6－9］，復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的磁記憶檢測特征信號的對比與缺陷的定性還有待于進(jìn)一步研究。筆者主要針對壓力容器未知缺陷進(jìn)行磁記憶檢測以分析確定缺陷類型，并采用X 射線檢測加以驗證；然后，對壓力容器進(jìn)行壓力試驗，分析對比破壞后缺陷處的磁記憶檢測信號，以確定缺陷處磁記憶檢測信號特點及復(fù)合應(yīng)力作用下缺陷磁場變化規(guī)律。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

基于壓力容器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB150.1～GB150.4－2011，材料選擇20g鋼（20g材質(zhì)的鋼材屬優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，是鍋爐用材質(zhì)，抗拉強(qiáng)度為410 MPa，屈服極限230～250MPa），設(shè)計長度1200mm、直徑400mm、厚度4mm 的含兩道縱焊縫、三道環(huán)焊縫橢圓封頭壓力容器；其在罐體與橢圓封頭上含有未知缺陷。

1.2 檢測方法

壓力容器設(shè)計加工完成后，采用X 射線檢測確定未知缺陷類型與分布，壓力容器上缺陷分布如圖1所示；采用俄羅斯動力診斷公司生產(chǎn)的TSC－4M－16型應(yīng)力集中磁記憶檢測儀進(jìn)行檢測，該議器采用金屬磁記憶法檢測結(jié)構(gòu)應(yīng)力－變形狀態(tài)，配有專用16通道鐵磁探測式傳感器，能夠根據(jù)檢測得到的磁場法向分量強(qiáng)度值和變化特性，對結(jié)構(gòu)應(yīng)力－變形狀態(tài)進(jìn)行評價［10］。

圖1 容器開裂位置

2 試驗數(shù)據(jù)分析

分析容器上缺陷位置處磁記憶信號特點，以確定缺陷類型，并利用X 射線檢測驗證通過磁記憶檢測確定的缺陷類型的準(zhǔn)確性。水壓試驗后利用磁記憶檢測技術(shù)分析缺陷在復(fù)合應(yīng)力下的磁記憶信號特點與擴(kuò)展?fàn)顩r，容器開裂位置如圖1所示。

2.1 缺陷磁記憶信號特征分析

分析壓力容器上不同缺陷位置處的磁記憶信號分布特點，以確定缺陷類型（圖2），前期拉伸試驗確定20g磁場梯度預(yù)警值Ky＝6.5A·m－1·mm－1。由圖2可見，夾渣未熔合處磁場強(qiáng)度波動不大，波寬較小，磁場強(qiáng)度峰值Hp＝40A·m－1、磁場強(qiáng)度波寬ΔX＝10mm；磁場梯度超過預(yù)警值并超過噪聲信號值Kz（0.5A·m－1·mm－1）的4倍，即K＝10.5A·m－1·mm－1。密孔未熔合處磁場強(qiáng)度呈現(xiàn)窄瘦尖銳型波峰，磁場強(qiáng)度峰值、梯度值較夾渣未熔合缺陷提升較大，磁場梯度超過預(yù)警值與噪聲信號值Kz（1.0A·m－1·mm－1）的4倍，即Hp＝126A·m－1、ΔX＝8mm、K＝10.5A·m－1·mm－1。未焊透缺陷處磁場強(qiáng)度出現(xiàn)明顯波動伴有零星過零點，波寬較大，波寬范圍內(nèi)磁場梯度值較大超過磁場強(qiáng)度預(yù)警值6倍與噪聲信號值Kz（2.0A·m－1·mm－1）的4倍，即Hp＝120 A·m－1、ΔX＝80 mm、K＝42A·m－1·mm－1，說明未焊透缺陷應(yīng)力集中較明顯。局部減薄缺陷處磁場強(qiáng)度呈現(xiàn)波峰，波峰寬度與缺陷尺寸幾乎相同，Hp＝120A·m－1、ΔX＝10mm（約等于壓力容器內(nèi)壁預(yù)制減薄缺陷的直徑），缺陷邊緣位置出現(xiàn)過零點，磁場梯度在缺陷范圍內(nèi)出現(xiàn)極值，超過預(yù)警值與噪聲信號值Kz（2.0 A·m－1·mm－1）的4 倍，K＝18A·m－1·mm－1。

圖2 水壓試驗前不同缺陷位置處的磁記憶信號特征

利用X 射線檢測結(jié)果驗證磁記憶方法確定缺陷類型的有效性，磁記憶檢測儀檢測位置的X 射線檢測結(jié)果如圖3所示。由圖可知，X 射線結(jié)果與磁記憶信號分析焊縫缺陷類型基本相符，說明磁記憶檢測結(jié)果具有一定的有效性。

圖3 水壓試驗前不同缺陷的X 射線檢測結(jié)果

2.2 水壓試驗后缺陷特征分析

水壓試驗過程中壓力容器沿A2縱焊縫開裂，開裂后對其它焊縫缺陷位置進(jìn)行磁記憶檢測，分析復(fù)合應(yīng)力作用下，缺陷位置的磁記憶特征變化。

圖4 水壓試驗后容器（開裂）不同缺陷位置處的磁記憶信號特征

焊接過程中焊縫上產(chǎn)生殘余應(yīng)力而導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，缺陷位置處應(yīng)力集中更為明顯，所以焊縫上磁記憶信號明顯，噪聲信號值較高，缺陷位置磁記憶特征明顯；水壓試驗壓力容器開裂，部分焊縫在復(fù)合應(yīng)力作用下達(dá)到屈服極限，焊縫上殘余應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力集中程度相對降低，噪聲信號值減小。對比水壓試驗前后壓力容器缺陷位置磁記憶特征分布圖可發(fā)現(xiàn)，水壓試驗后焊縫上磁記憶特征信號較為平緩，磁場強(qiáng)度與磁場梯度都有所減小，磁場梯度值出現(xiàn)峰值部分缺陷處未超過預(yù)警值，但磁場強(qiáng)度特征表象同樣明顯。如圖4（a）所示，夾渣未熔合處磁場強(qiáng)度與磁場梯度出現(xiàn)峰值，峰值強(qiáng)度HPf＝24A·mm－1＞4HPp（普通強(qiáng)度）、ΔX＝20mm＝2ΔXp（普通磁場強(qiáng)度波形寬度），K＝2.5 A·m－1·mm－1＞4Kz（Kz＝0.5A·m－1·mm－1）。如圖4（b）所示，密孔未熔合處仍然為窄瘦型波峰，＝75 A·mm－1＞3，ΔX＝8mm＝ΔXp，磁場強(qiáng)度大于預(yù)警值與噪聲值的10倍，K＝13.5A·m－1·mm－1＞Ky＞10Kz（Kz＝0.5A·m－1·mm－1），出現(xiàn)此種現(xiàn)象可能是密孔未熔合處在復(fù)合應(yīng)力作用下內(nèi)部發(fā)生撕裂形成微觀裂紋，故推測可能出現(xiàn)局部裂紋缺陷。如圖4（c）所示，未焊透區(qū)域磁場強(qiáng)度出現(xiàn)平整型波峰，強(qiáng)度峰值高于普通信號的9倍，波寬明顯大于其它類型缺陷，HPf＝100 A·mm－1＞10HPp，ΔX＝100mm＝10ΔXp；復(fù)合應(yīng)力作用下可能使未焊透位置材料達(dá)到強(qiáng)度極限從而出現(xiàn)明顯裂縫，使應(yīng)力集中得到釋放，所以此位置的磁場梯度值較小，與噪聲信號幾乎相同，K＝Kz＝1A·m－1·mm－1，打磨此焊縫位置發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋。如圖4（d）所示，局部減薄缺陷位置處信號出現(xiàn)光滑波峰，由于局部減薄位置出現(xiàn)變形使應(yīng)力集中釋放，所以磁場強(qiáng)度峰值大幅度降低，波峰寬度仍然與減薄尺寸相同，缺陷區(qū)域內(nèi)磁場梯度值低于預(yù)警值但仍高于噪聲信號值Kz的4倍，HP＝5A·mm－1、ΔX＝10mm（約等于壓力容器內(nèi)壁預(yù)制減薄缺陷的直徑）、K＝2A·m－1·mm－1＞4Kz（Kz＝0.4A·m－1·mm－1）。

對比水壓試驗前后焊縫缺陷磁記憶檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)未焊透區(qū)域?qū)μ卣鞑ㄐ螌挾让舾校@是由于未焊透屬面狀缺陷，對應(yīng)力集中敏感，對強(qiáng)度、疲勞等性能影響較大，而使波形寬度變化明顯；隨缺陷增大焊縫受損程度加大，當(dāng)達(dá)到材料強(qiáng)度極限時未焊透缺陷出現(xiàn)裂紋，使應(yīng)力集中釋放漏磁場梯度變化不明顯，而使波形寬度變化明顯。夾渣缺陷屬體積缺陷，焊縫表面受損甚小，由于沒有出現(xiàn)明顯縫隙，焊縫未熔合缺陷應(yīng)力集中更加強(qiáng)烈，使磁場梯度明顯增大，所以未熔合對磁場梯度較為敏感?；趦煞N焊縫缺陷對磁記憶信號特征敏感性不同，分析壓力容器上不同缺陷特點：未熔合缺陷對磁場梯度較為敏感，梯度值高于預(yù)警值與噪聲信號值的4倍，磁場強(qiáng)度曲線出現(xiàn)窄瘦型波峰，波峰寬度與普通信號相差不大；未焊透缺陷對磁場強(qiáng)度較為敏感，磁場強(qiáng)度波寬高于普通信號的3倍以上，大部分的磁場梯度值超過預(yù)警值與噪聲信號值的4倍；局部減薄缺陷處磁場強(qiáng)度出現(xiàn)明顯波峰，波寬與缺陷大小幾乎相同，磁場梯度超過預(yù)警值與噪聲信號值的4倍。

復(fù)合應(yīng)力作用后焊縫上的殘余應(yīng)力得到釋放，大部分焊縫磁場梯度低于預(yù)警值，無缺陷位置磁場強(qiáng)度相對平穩(wěn)，而缺陷位置磁場強(qiáng)度仍表象明顯；所以，缺陷位置仍存在相對應(yīng)力集中，復(fù)合應(yīng)力作用后不能只運用磁場梯度判斷應(yīng)力集中，而應(yīng)綜合磁場強(qiáng)度分布特點判斷壓力容器上的缺陷位置與類型。

3 結(jié)語

通過磁記憶檢測，分析壓力容器上未熔合、未焊透、局部減薄三種缺陷的磁記憶信號分布特點，并利用X射線檢測進(jìn)行驗證，表明通過分析磁記憶信號特征對三種缺陷類型進(jìn)行定性分析有一定的有效性。水壓壓裂試驗后，壓力容器焊縫殘余應(yīng)力得到釋放，焊縫及缺陷位置磁記憶檢測信號有所減弱，但通過分析水壓試驗后壓力容器缺陷位置磁記憶檢測信號，可判斷部分焊縫缺陷位置出現(xiàn)宏觀裂紋擴(kuò)展缺陷。

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