兩種檢測方法在分層缺陷中的檢測分析與比較

王長蕾，徐海亮，胡修坤

（1.淄博市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東 淄博 255086；2.泰山學(xué)院，山東 泰安 271000）

分層缺陷出現(xiàn)在壓力容器與壓力管道的生命周期中的各個(gè)環(huán)節(jié)，分層缺陷屬于內(nèi)部缺陷，在制造過程中，由于鋼坯或鋼錠的質(zhì)量問題，比如板坯中存在縮孔、夾渣等缺陷，在軋制鋼板時(shí)未能很好地焊合，有可能會(huì)將鋼板從中間分離成兩層或者很多層，尤其是在復(fù)合材料的壓力容器制造過程中，基層為合金鋼，內(nèi)襯不銹鋼，加工貼合不緊密，存在分層，焊接過程中，不銹鋼復(fù)層邊緣離焊縫中心較近，在焊接時(shí)高溫?zé)嵫h(huán)過程中，焊接溫度過高，況且熱膨脹系數(shù)差別較大，在焊基層時(shí)復(fù)層反復(fù)受熱膨脹，而引起復(fù)層張口，導(dǎo)致分層的缺陷出現(xiàn)。分層具有多種危害，一是，分層缺陷降低了承壓件的有效厚度，惡化材料的力學(xué)性能，特別是沿厚度方向的強(qiáng)度、韌性、抗沖擊能力和抗疲勞能力顯著降低。二是，分層缺陷的邊緣形狀不規(guī)則，易形成尖角，容易引起應(yīng)力集中，特別是在交變載荷作用下，比如吸附塔或者焦炭塔等設(shè)備，在應(yīng)力集區(qū)形成交變應(yīng)力，以致造成應(yīng)力疲勞。三是，在長時(shí)間的濕硫化氫環(huán)境，H2S 與碳鋼或者合金鋼反應(yīng)生成的氫原子向材料內(nèi)部擴(kuò)散，在分層處易聚集形成氫分子，形成孔穴結(jié)構(gòu)由于很難逸出，從而形成強(qiáng)大內(nèi)壓導(dǎo)致其周圍組織屈服，導(dǎo)致氫鼓包，這種現(xiàn)象在液化石油氣儲(chǔ)罐等設(shè)備中常見。

1 在定期檢驗(yàn)中分層缺陷存在的初步判斷

當(dāng)分層缺陷延伸到鋼板表面時(shí)，宏觀檢查時(shí)，打磨無法消除，可初步判定為分層缺陷。這種判斷大多依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，無法定量。

（1）當(dāng)用超聲波測厚儀測厚時(shí)，如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)圖樣標(biāo)注筒體公稱厚度或與其他部位厚度相差較大且有一定面積，可初步判定為分層缺陷。

這種辦法大致可以判斷分層后的有效厚度和大約面積。具體不是很準(zhǔn)確。

（2）用超聲波探傷儀對壓力容器檢測時(shí)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)表面與底波之間的回波波形陡直，底波明顯下降或安全消失，可判定為分層缺陷的存在。采用單晶直探頭或者雙晶直探頭可以確定分層的內(nèi)外兩面的厚度，以及缺陷的有效面積，但是需要反復(fù)測量，反復(fù)計(jì)算，不易在現(xiàn)場實(shí)施。

（3）用相控陣檢測時(shí)，利用相控陣多種掃查方式對某在用壓力容器筒體進(jìn)行掃查和分析,由于掃描盲區(qū)小、精度高、連續(xù)成像的特點(diǎn)對在用設(shè)備進(jìn)行檢測，可以準(zhǔn)確對分層缺陷的定位、定量，可以克服超聲檢測的局限性，可以檢測小徑薄壁管、PE 管、奧氏體不銹鋼等埋藏的缺陷。

2 分層缺陷的定位與測量

在定期檢驗(yàn)中，不僅要考慮母材與自由表面的夾角，判斷設(shè)備安全等級，同時(shí)滿足承壓類用鋼要求也是重要的考慮項(xiàng)。當(dāng)判定為分層缺陷時(shí)，需測定分層的指示長度、面積、分層的缺陷高度，分層與母材自由表面的夾角等?，F(xiàn)提供兩種較為準(zhǔn)確的測量方式，第一種采用超聲波探傷儀直接接觸法，另一種采用相控陣線性掃查測量。

2.1 采用脈沖反射式超聲波探傷儀測量參數(shù)調(diào)節(jié)方法

脈沖反射式超聲波探傷儀其性能應(yīng)滿足NB/T47013.3 的規(guī)定。探頭選用：依據(jù)母材厚度，選用標(biāo)稱頻率；試塊選用：依據(jù)母材厚度，厚度小于20 mm 時(shí)，選用階梯平底試塊，厚度大于20 mm 時(shí)，板材對比試塊或者被容器檢板材無缺陷完好部位調(diào)節(jié)；基準(zhǔn)靈敏度確定：與工件等厚部位試塊或被檢板材的第一次底波調(diào)整到滿刻度的50%，再提高4.0 dB。當(dāng)板厚大于20 mm 時(shí)，按所用探頭和儀器在φ5 mm 平底孔試塊上繪制距離-波幅曲線。

2.2 采用相控陣測量儀檢測參數(shù)調(diào)節(jié)方法

當(dāng)采用相控陣測量儀檢測時(shí)，選擇工藝參數(shù)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：根據(jù)所檢測母材的厚度確定檢測范圍，設(shè)置輸入縱波、橫波在鋼中的聲速，為了提高檢測效率，如果耦合條件允許，可用多晶片探頭，檢測靈敏度與晶片數(shù)量無直接關(guān)系，只與合成聲束數(shù)量有關(guān)。為了更好地檢測缺陷，利用相控陣的聚焦功能，參考常規(guī)超聲波檢測設(shè)置靈敏度的方法，設(shè)置靈敏度為采用標(biāo)準(zhǔn)試塊，使相控陣探頭任一聲束對5 mm 平底孔第一次回波高度達(dá)50%作為基準(zhǔn)靈敏度。

3 分層指示長度及面積的測定以及夾角的測定

3.1 超聲波探傷儀測量分層長度和面積及夾角

在分層處，找到最高波，即為分層的最高點(diǎn)，并記錄厚度，以此為O 圓心，向X+、X-、 Y +、Y-、A +、A+、B+、B-八個(gè)方向移動(dòng)，移動(dòng)方向與探頭隔聲層相垂直，邊界點(diǎn)的確定：當(dāng)板材小于20 mm時(shí)，缺陷波下降到基準(zhǔn)靈敏度條件下顯示屏滿刻度的50%；此處為邊界點(diǎn)；當(dāng)檢測面厚度在20～60 mm 時(shí)，移動(dòng)探頭使缺陷波下降到距離-波幅曲線，探頭中心即為邊界點(diǎn)。底面第一次反射波波幅與之相反。缺陷邊界確定后，以距離O 點(diǎn)最遠(yuǎn)的邊界點(diǎn)為直徑，畫出缺陷的指示圓，指示圓的面積即缺陷的指示面積，同時(shí)記錄每個(gè)邊界點(diǎn)X+、X-、Y+、Y-、A+、A+、B+、B-的厚度，通過測量厚度與O 點(diǎn)到實(shí)際缺陷輪廓的距離，就可以測得缺陷與自由表面的夾角。此方法可以測量到8 個(gè)夾角，取其中的最大值作為判別方法，如圖1。

圖1 分層缺陷檢測示意圖

但此辦法較為粗糙，很難找到夾角的實(shí)際的最大值，另一種方法為制作一個(gè)10 度的鋼板試塊，只需要測出深度差，就可以直觀明了，便于操作。適合現(xiàn)場作業(yè)。難點(diǎn)在于需要制作專門的試塊，成本高。

3.2 相控陣超聲檢測分層缺陷

可以選擇多種掃描方式，綜合運(yùn)用線性掃描和扇形掃描，采用多種顯示，比如C 顯示，可以測得分層缺陷的面積和指示長度，S 扇形掃描可以測定缺陷的高度，參數(shù)設(shè)置簡單，檢測面積大，缺陷直觀，可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件精確定位、定量缺陷，計(jì)算面積、深度、指示長度、與表面夾角。

4 兩種檢測方法在特種設(shè)備定期檢驗(yàn)中分層缺陷檢測的實(shí)例應(yīng)用

在定期檢驗(yàn)中，某企業(yè)一臺液氨球罐，容積為1 499 m3，直徑為14.2 m，工作壓力為1.92 Mpa,工作溫度為-17～50℃,材質(zhì)為Q345R，厚度為55 mm,在中部赤道焊縫下側(cè)球翹板處，發(fā)現(xiàn)測厚異常，從內(nèi)向外側(cè)，最小厚度為19.8 mm,從外向里側(cè)，最小厚度為34.7 mm，區(qū)域大約40 mm×40 mm 區(qū)域，初步判斷為分層缺陷。

采用普通超聲波探傷儀檢測，根據(jù)被檢工件的母材厚度，確定采用2.5P20Z 探頭，試塊選用鋼板對比試塊-3 基準(zhǔn)靈敏度調(diào)節(jié)：孔深15/30/45/60/80、Φ5 平底孔制作距離波幅曲線。依據(jù)上述方法測得數(shù)據(jù)如表1 所示：

表1 超聲波探傷儀測量各方向厚度與自由表面夾角表

采用相控陣探傷儀檢測，選用主頻為5 MHZ，16 晶片標(biāo)準(zhǔn)探頭，采用相控陣檢測對比試塊-4（15/30/45/60/80），靈敏度確定，按所用探頭和儀器在力5 mm 平底孔上選用 TCG 或 DAC 進(jìn)行靈敏度設(shè)置，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行耦合補(bǔ)償作為基準(zhǔn)靈敏度。掃查敏度跟基準(zhǔn)靈敏度相同。根據(jù)不同的掃查方式，選擇不同角度的試塊，線性掃查，選用0 度楔塊，扇形掃查選用30°楔塊。分別選用C 顯示，S 顯示。檢圖2 為扇形掃查S 型顯示示意圖。

圖2 分層缺陷相控陣扇掃圖

距離通過扇形掃查測得，如從X-方向向X+方向做扇形掃查，即可得到邊界點(diǎn)X+到O 點(diǎn)的厚度；反之，即可得到邊界點(diǎn)X-到O 點(diǎn)的厚度。測得結(jié)果如表2 所示。

表2 相控陣探傷儀測量各方向厚度與自由表面夾角表

5 結(jié)論

從以上的檢測數(shù)據(jù)可以得出，相控陣檢測得出的夾角普遍比普通測厚儀得出的夾角大，其中X+、Y-、B+、B-檢測四組數(shù)據(jù)超過10%，甚至還有達(dá)到20%。普通超聲檢測時(shí)，邊界點(diǎn)到O 的厚度可以通過測量得出，但是O 點(diǎn)到邊界點(diǎn)的距離，只能假設(shè)成指示長度，無法準(zhǔn)確給出，相控陣檢測，可以明確的確定O 點(diǎn)到邊界點(diǎn)的長度，因此，相控陣檢測可以準(zhǔn)確計(jì)算出夾角，所以，對于普通超聲檢測來說，只能在假設(shè)理想化條件下進(jìn)行，檢測數(shù)據(jù)太缺乏，計(jì)算太粗糙，很難找到最大的夾角，極易引起誤判，對于一些單個(gè)分層、一二級壓力容器，可以確定安全等級。但對一些高溫、高壓設(shè)備危險(xiǎn)設(shè)備，并且存在大面積、多點(diǎn)分層缺陷時(shí)，相控陣檢測可以發(fā)揮檢測面積大、檢測效率高、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的優(yōu)勢，可以幫助檢驗(yàn)人員準(zhǔn)確判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況，確保設(shè)備安全運(yùn)行。