基于全聚焦相控陣和電磁超聲的液氨儲罐母材帶狀組織檢測分析

錢盛杰，何通東，李斌彬，王 杜

(寧波市特種設(shè)備檢驗研究院，浙江 寧波 315048)

壓力容器母材常見的失效形態(tài)有腐蝕、分層、開裂、鼓包和夾渣物等。這些失效形態(tài)有的發(fā)生在設(shè)備的表面，如：腐蝕、表面裂紋等；有的發(fā)生在設(shè)備的內(nèi)部，如：分層、鼓包、內(nèi)部開裂等。母材表面缺陷往往可以通過宏觀檢驗以及表面無損檢測的方式檢出。母材埋藏缺陷的檢出則需要借助于專業(yè)的儀器設(shè)備。檢測埋藏缺陷的技術(shù)有超聲檢測、射線檢測、相控陣檢測和TOFD檢測等。本文采用了兩種目前比較新型的技術(shù)來開展對疑難缺陷的精確診斷，即：電磁超聲技術(shù)和全聚焦相控陣技術(shù)。電磁超聲(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)是一種非接觸的無損檢測技術(shù)。該技術(shù)利用電磁耦合方法激勵和接收超聲波【1-3】，與傳統(tǒng)的超聲檢測技術(shù)相比，具有精度高、不需要耦合劑、非接觸、適于高溫檢測以及容易激發(fā)各種超聲波形等優(yōu)點【4】。在工業(yè)領(lǐng)域，電磁超聲已應(yīng)用于測厚、無損檢測、材料晶格結(jié)構(gòu)檢測、材料應(yīng)力檢測等【5-8】。全聚焦成像算法(Total Focusing Method, TFM)相控陣是超聲檢測領(lǐng)域里的一項新技術(shù)，因其成像分辨率高、檢測覆蓋面廣、對細(xì)小缺陷的檢測靈敏度高等優(yōu)點，在航空航天、高鐵、石油管道、核電站等工業(yè)領(lǐng)域已有初步應(yīng)用【9-12】。

帶狀組織是鋼材內(nèi)部缺陷之一，出現(xiàn)在熱軋低碳結(jié)構(gòu)鋼顯微組織中，沿軋制方向平行排列，成層狀分布，為形同條帶的鐵素體晶粒與珠光體晶粒。帶狀組織的存在會使金屬的力學(xué)性能呈各向異性，沿帶狀組織的方向明顯優(yōu)于其垂直方向。壓力加工時易于從交界處開裂。若設(shè)備需要后續(xù)熱處理，帶狀組織輕則會導(dǎo)致熱變形過大，重者會造成應(yīng)力集中，甚至造成分層、開裂，對設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性造成不利影響【13-14】。

針對定期檢驗中發(fā)現(xiàn)的1臺壁厚異常的液氨儲罐，綜合利用全聚焦相控陣技術(shù)和電磁超聲技術(shù)對整臺設(shè)備進(jìn)行精確檢測。首先，通過容器內(nèi)表面的宏觀檢驗和磁粉檢測確定該設(shè)備內(nèi)壁完好，排除了該設(shè)備存在內(nèi)壁腐蝕以及氨應(yīng)力腐蝕的可能性。接著，在筒體和封頭的不同區(qū)域分別采用電磁超聲進(jìn)行測厚，快速確定異常區(qū)域，初步確定壁厚異常原因。進(jìn)而采用全聚焦相控陣垂直入射法以及斜入射法檢測缺陷的具體分布和形貌特點、回波大小等。最后，根據(jù)檢驗檢測結(jié)果，判定該缺陷為鋼板母材靠近底部一定范圍內(nèi)彌散分布的非金屬夾渣物在軋制過程中形成了斷續(xù)帶狀組織，尚未形成壁厚方向的開裂擴(kuò)展。

1 液氨儲罐檢驗情況

被檢容器為低壓液氨儲罐，制造日期為1995年10月1日，工作壓力1.48 MPa，工作溫度40 ℃，筒體名義壁厚14 mm，封頭名義壁厚16 mm，材料為20 g,介質(zhì)為液氨(NH3)。在定期檢驗過程中，利用超聲波測厚儀對該臺低壓液氨儲罐進(jìn)行厚度測試時發(fā)現(xiàn)：在容器的3個筒節(jié)處測厚示值異常，通過多點測厚發(fā)現(xiàn)超聲波測厚儀中顯示數(shù)據(jù)在9.8～13.9 mm之間波動；2個封頭處的測厚數(shù)據(jù)顯示正常。當(dāng)探頭固定安放在筒節(jié)處的某些測點時，測厚示值表現(xiàn)為3種情況：1)數(shù)據(jù)穩(wěn)定顯示在約10 mm；2)數(shù)據(jù)穩(wěn)定顯示在約14 mm(名義厚度)；3)數(shù)據(jù)快速跳動，時而顯示在約10 mm，時而顯示在約14 mm。

氨液會對碳鋼設(shè)備造成輕微的腐蝕，且該設(shè)備的使用年限較長，為了確定該測厚異常部位是否為氨液腐蝕引起，進(jìn)入到容器內(nèi)部進(jìn)行仔細(xì)的宏觀檢驗，未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。此外，液氨儲罐在使用工藝參數(shù)不當(dāng)?shù)那闆r下容易造成氨應(yīng)力腐蝕開裂，開裂的起點為內(nèi)表面，并往設(shè)備壁厚方向發(fā)展。因此，對該臺低壓液氨儲罐內(nèi)表面的焊縫、母材以及應(yīng)力集中處分別進(jìn)行了磁粉檢測。檢測結(jié)果顯示，該液氨儲罐內(nèi)表面未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。綜上所述，通過常規(guī)檢驗檢測手段，排除了腐蝕和氨應(yīng)力腐蝕開裂兩種可能性，但仍未能找到該臺低壓液氨儲罐測厚異常的原因。

2 電磁超聲檢測分析

電磁超聲檢測基本結(jié)構(gòu)主要由高頻線圈、外加磁場、試件本身3部分組成【15】。電磁超聲的產(chǎn)生有兩種效應(yīng)：洛倫茲力效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)【16】。高頻線圈通以高頻激勵電流時，在工件表面形成感應(yīng)渦流，感應(yīng)渦流在外加磁場的作用下會受到洛倫茲力的作用產(chǎn)生電磁超聲。同樣，強大的脈沖電流會向外輻射一個脈沖磁場，脈沖磁場和外加磁場的復(fù)合作用會產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，磁致伸縮力的作用也會產(chǎn)生不同波形的電磁超聲。洛倫茲力和磁致伸縮力兩種效應(yīng)具體是哪種起著主要作用，主要是由外加磁場的大小、激勵電流的頻率決定的。相反，由于此效應(yīng)呈現(xiàn)可逆性，返回聲壓使質(zhì)點產(chǎn)生的振動在磁場作用下也會使渦流線圈兩端的電壓發(fā)生變化，最后通過接收裝置進(jìn)行接收并放大顯示。電磁超聲只能在導(dǎo)電介質(zhì)上產(chǎn)生，因此電磁超聲只能在導(dǎo)電介質(zhì)上獲得應(yīng)用。

電磁超聲技術(shù)不需要打磨設(shè)備表面，不需要涂耦合劑，可對整臺低壓液氨儲罐進(jìn)行快速連續(xù)的厚度測試。采用電磁超聲單點測厚的A掃和D掃，分別對筒體和封頭處進(jìn)行了抽檢，在筒體處發(fā)現(xiàn)信號較小的缺陷回波，封頭處未發(fā)現(xiàn)缺陷回波信號。筒節(jié)的電磁超聲檢測缺陷如圖1所示。

圖1 低壓液氨儲罐筒節(jié)電磁超聲數(shù)據(jù)

在圖1中，上半部分顯示為A掃信號，下半部分顯示為D掃信號。由于缺陷的回波信號較小，為了更好地紀(jì)錄缺陷，采用探頭不移動的時間觸發(fā)的方式記錄D掃圖像。采用電磁超聲peak-to-peak 模式(通過底波之間的聲程差計算厚度)進(jìn)行厚度的精確測量，顯示數(shù)據(jù)為13.571 mm。但是，在一次底波和二次底波之間存在一個較小的缺陷波信號，該信號的深度值約為10 mm。稍微移動探頭，該處信號幅值則會迅速降低。不斷移動探頭，又能在附近區(qū)域找到類似的回波信號。由此判斷，該信號不是母材中的分層缺陷(分層缺陷的區(qū)域面積較大，缺陷回波較高或者底波減低較多)，更有可能是材料中的夾渣物。但電磁超聲檢測信噪比較差【17】，成像方式有限，因此在本文中比較適合缺陷邊界的快速掃查。

3 全聚焦相控陣檢測分析

常規(guī)相控陣超聲方法的聚焦點數(shù)目一定，焦點附近的成像分辨率高，其他位置成像質(zhì)量差。全聚焦成像算法的聲波發(fā)射、接收均采用多點聚焦的檢測方法，將成像區(qū)域分割成多個網(wǎng)格，并對每一網(wǎng)格進(jìn)行聚焦，因此，TFM相控陣成像結(jié)果更加均勻平滑。全聚焦相控陣?yán)萌劢钩上袼惴▽@得的相控陣超聲陣列的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，使全矩陣數(shù)據(jù)集有效地聚焦到成像平面的每一像素點，圖像分辨率得到極大提高。全聚焦成像算法基于接收信號后處理的思想，對檢測回波數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析成像，是一種非實時的檢測方法，具有比當(dāng)前常規(guī)相控陣超聲檢測技術(shù)更高的缺陷成像能力【9】。

全聚焦相控陣成像的靈敏度和分辨率較常規(guī)相控陣成像有較大的提高。該技術(shù)能檢測出尺寸為半波長的缺陷信號，且相鄰的細(xì)小缺陷也能被較好地分辨出來。利用超高頻、微晶片的全聚焦相控陣技術(shù)，采用直探頭和斜探頭分別從容器外表面對該容器筒體鋼板中存在的細(xì)小缺陷進(jìn)行檢測。全聚焦相控陣探頭參數(shù)如表1所示。

表1 全聚焦相控陣探頭參數(shù)

全聚焦相控陣垂直入射法檢測得到的缺陷如圖2所示。該圖像中含全聚焦成像算法的成像圖(實時B掃圖)、A、C和D掃圖。經(jīng)全聚焦技術(shù)檢測出多個缺陷信號。缺陷回波高度比較小，斷續(xù)分布，位于鋼板靠近底部位置，深度位置集中分布在9.6～13.2 mm，單個缺陷長度約為2.0～18.0 mm。圖3是在圖2的基礎(chǔ)上濾掉始波和底波后的全聚焦成像圖。從圖3中的缺陷C掃中可以看出，這些細(xì)小的缺陷沿著鋼板平面方向延伸。若缺陷沿著壁厚方向生長，將會對容器的安全性造成重大的影響。故采用全聚焦相控陣斜入射法對測厚異常部位進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果成像如圖4所示。從圖4中可以看出，圖像缺陷回波高度非常微小，可見在壁厚方向上未有連續(xù)跡象。

圖2 低壓液氨儲罐筒節(jié)全聚焦相控陣垂直入射法成像結(jié)果(濾波前)

在低碳鋼材料中，夾渣物的含量較多，加工變形后，夾渣物呈流線分布，當(dāng)鋼從熱加工溫度冷卻時，這些夾渣物可作為先共析鐵素體成核的核心，使先共析鐵素體先在夾渣物周圍生成，最后剩余奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體，使先共析鐵素體和珠光體呈帶狀分布，形成帶狀組織。帶狀組織使鋼材的力學(xué)性能產(chǎn)生各向異性，即沿著帶狀縱向的強度高、韌性好，橫向的強度低、韌性差。

圖3 低壓液氨儲罐筒節(jié)全聚焦相控陣數(shù)據(jù)成像結(jié)果(濾波后)

圖4 低壓液氨儲罐筒節(jié)全聚焦相控陣斜入射數(shù)據(jù)成像結(jié)果

綜上所述，該臺低壓液氨儲罐筒節(jié)母材靠近內(nèi)表面一定范圍內(nèi)(深度分布范圍為9.6～13.2 mm)彌散分布的非金屬夾渣物在軋制過程中形成的斷續(xù)帶狀組織，尚未形成壁厚方向的開裂擴(kuò)展。由于該帶狀組織對整臺容器的損傷程度較為輕微，檢驗人員對該容器的安全狀況等級進(jìn)行了降級處理，可以繼續(xù)使用一段時間，并建議在運行期間采取有效措施(如電磁超聲技術(shù))進(jìn)行在役監(jiān)測。

4 結(jié)語

針對檢驗檢測現(xiàn)場的一個測厚異常的實際案例，重點采用電磁超聲技術(shù)和全聚焦相控陣技術(shù)對母材中的帶狀組織進(jìn)行檢測診斷。其中，電磁超聲技術(shù)用于大范圍篩選厚度異常部位，全聚焦相控陣用于精確檢測缺陷的具體回波信號。檢測結(jié)果的定量定位精度高，有助于檢驗人員判斷缺陷的性質(zhì)。結(jié)合現(xiàn)場檢驗檢測的實際經(jīng)驗，本文研究總結(jié)及展望如下：

1) 檢驗人員需要對測厚異常的設(shè)備引起高度重視，超聲波測厚儀示值異常處往往是缺陷所在部位。測厚異常包括數(shù)值跳動、無厚度顯示和數(shù)值嚴(yán)重偏離名義厚度等。

2) 電磁超聲檢測技術(shù)能快速高效地檢測出缺陷的具體區(qū)域，并可以通過成像結(jié)果初步判斷缺陷信號。

3) 全聚焦相控陣技術(shù)具有較高的精度，可以用于細(xì)微缺陷的檢測診斷，同時結(jié)合多種成像方式，極其有利于檢驗檢測人員對缺陷進(jìn)行定量、定位和定性。

4) 制造廠應(yīng)在鋼板軋制過程中嚴(yán)格遵循生產(chǎn)工藝，避免因成分偏析或熱加工溫度不當(dāng)引起帶狀組織。

5) 檢驗檢測過程中遇到異常的缺陷時， 應(yīng)結(jié)合設(shè)備的生產(chǎn)工藝、 損傷機(jī)理和使用工況等因素綜合分析整臺設(shè)備可能會出現(xiàn)的缺陷類型。通過有效的技術(shù)手段對異常部位進(jìn)行檢測與分析， 能極大地提高缺陷檢出率， 保障承壓設(shè)備的安全使用。