爆炸復(fù)合板壓力容器徑向裂紋的檢測及安全性分析

侯仰博

（菏澤市產(chǎn)品檢驗檢測研究院，山東菏澤 274032）

1 無損檢測

復(fù)合板采取爆炸焊接的方式焊接后，其焊縫的結(jié)合位置容易產(chǎn)生裂紋、空洞等問題，而長期的使用則會致使上述問題不斷發(fā)展，進而導(dǎo)致材料斷裂，因此對于復(fù)合板壓力容器開展無損檢測非常重要。通過運用直探頭、斜探頭和超聲波衍射時差法開展對復(fù)合板壓力容器的檢測，并使用切割的方法來對比上述方法的檢出能力。

1.1 直探頭

利用直探頭開展無損檢測顯示，波底的回波旁邊顯示振幅低下的一個回波，而此現(xiàn)象容易被忽視，是因為檢測時的直探頭發(fā)射聲束和徑向裂紋呈現(xiàn)平行的狀態(tài)，導(dǎo)致回波面小，容易被漏檢。

1.2 超聲波衍射時差法

超聲波衍射時差法檢測復(fù)合板的交界位置顯示有明顯的回波，因此也無法有效檢測出復(fù)合板交界位置面的徑向裂紋，此是因為不銹鋼的粗晶粒有回波出現(xiàn)而對徑向裂紋的回波加以覆蓋，進而導(dǎo)致超聲波衍射時差法無法檢測出徑向裂紋。另外，不銹鋼的焊縫超聲波衍射時差法檢測時，其信號強烈地衰減、散射和扭曲，由此容易導(dǎo)致超聲波衍射時差法檢測徑向裂紋不靈敏，進而容易漏檢。

1.3 斜探頭

運用斜探頭無損檢測時的結(jié)果顯示，能夠清晰顯出復(fù)合板存在的裂紋，并且裂紋表現(xiàn)的回波面大，較為容易檢測出裂紋，此多是因為斜探頭檢測時的發(fā)射聲束和裂紋有一定的角度，進而產(chǎn)生回波面較大。

2 理化分析

2.1 化學(xué)成分

通過對復(fù)合板容器基層和覆層開展采集試樣，然后對其成分進行分析。表1 為S31603、Q345R 的化學(xué)成分，顯示各種元素均達到GB/T 24511—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》和GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》的技術(shù)標(biāo)準要求。

表1 S31603 和Q345R 的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） %

2.2 力學(xué)性能分析

為分析爆炸焊接的復(fù)合板失效的相關(guān)機理而對其開展力學(xué)測試，通過采取復(fù)合板的試樣開展拉伸、0 ℃沖擊吸收功、布氏硬度的試驗，最終得出表2 的結(jié)果，并確定各項力學(xué)性能達到標(biāo)準。

表2 S31603 和Q345R 的力學(xué)性能

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

2.3.1 結(jié)合界面形貌

利用掃描電鏡對復(fù)合板的結(jié)合界面檢測顯示，在不銹鋼和低合金鋼的交界位置產(chǎn)生特有正弦波紋，并且波狀結(jié)合的界面十分明顯，波形長500 μm、高200 μm，并且位于界面結(jié)合位置的周邊金屬晶粒呈現(xiàn)細小的扁平狀。表明爆炸焊接時，兩側(cè)金屬受到周期性波及切向力的共同作用，界面周圍金屬層產(chǎn)生較大的塑性變化，致使晶粒細化且呈扁平狀。

2.3.2 界面擴散

為分析復(fù)合板界面位置元素擴散的實際情況，選定圖1 的A點、B 點和C 點，針對結(jié)合面的微區(qū)開展能譜分析，進而掌握結(jié)合界面位置Fe、C、Cr、Ni、Mo 分布的實際情況。結(jié)果顯示不銹鋼至低合金鋼的方向（即圖1中A 點至B 點），F(xiàn)e、C、Cr、Ni、Mo 的含量均出現(xiàn)較大的變化，Cr、Ni、Mo 從不銹鋼向低合金鋼進一步擴散，而Fe、C 則從低合金鋼向不銹鋼進一步擴散。即在焊接時，界面位置的不銹鋼側(cè)元素逐步擴散至低合金鋼側(cè)，而S31603 冷軋?zhí)幚頃r容易誘發(fā)α′馬氏體，并且在爆炸焊接復(fù)合時的結(jié)合界面出現(xiàn)α′馬氏體轉(zhuǎn)變和增加，進而對結(jié)合界面硬度和沖擊韌性和抗拉等性能造成不利的影響。再加上爆炸沖擊波的作用容易造成空洞和裂紋等缺陷問題，進一步對復(fù)合板強度造成嚴重影響。

圖1 結(jié)合界面能譜分析特征點

2.3.3 結(jié)合界面裂紋、空洞和熔融組織

根據(jù)掃描電鏡對裂紋、空洞和熔融組織觀察的形貌顯示，結(jié)合界裂紋于結(jié)合界面順45°方向起裂，并逐步擴展至Q345R 方向，進而呈現(xiàn)出非常明顯的方向性。此主要受焊接工藝的影響而導(dǎo)致結(jié)合界面位置出現(xiàn)方向性裂紋，并且還可看到在界面和裂紋的位置存在金屬的顆粒和空洞，且不連續(xù)，并將其稱作松散的顆粒結(jié)晶組織。其主要是由于在復(fù)合板和覆層空隙中有氣體的存在，進而在焊接時被卷入，一部分分散于結(jié)晶顆粒中，抑制凝固金屬的生長，由此形成松散的結(jié)晶狀態(tài)，又或生成金屬顆粒。同時在結(jié)合界面位置還有微小的裂紋，并且和結(jié)合界面呈45°，此是在焊接后由絕熱剪切線發(fā)展而來的微裂紋，絕熱剪切線同樣是由爆炸焊接形成的。在裂紋位置存在較多的熔融的金屬組織，此是因為爆炸時導(dǎo)致基層與覆層產(chǎn)生激烈的碰撞而出現(xiàn)塑性變形，產(chǎn)生射流，射流運動的速度快，并且其還要受到基板和覆板的壓力作用，因此產(chǎn)生較大的摩擦力，進一步制造大量的熱，由此導(dǎo)致金屬局部的熔化，最終形成了熔融物。

而裂紋、空洞和熔融組織的存在，將對結(jié)合界面造成一定的影響，特別是強度，進而對質(zhì)量和安全造成嚴重的影響。

3 安全性能分析

3.1 有限元模型

通過使用ANSYS 有限元軟件構(gòu)建復(fù)合板壓力容器的模型。S31603 彈性模量E2=1.94×105MPa，泊松比μ2=0.3；Q34SR 彈性模量E1=1.94×105MPa，泊松比μ1=0.34。復(fù)合板的厚度為4 mm，基層的厚度為60 mm。為研究裂紋影響，在復(fù)合板的結(jié)合界面中心位置預(yù)制4 mm×0.3 mm×20 mm 大小的徑向裂紋。本次采取模型1/4 作為研究對象，圖2 為有限元模型。

圖2 復(fù)合板有限元模型

3.2 結(jié)果分析

當(dāng)容器內(nèi)壓為1 MPa時，含裂紋和不含裂紋受到內(nèi)壓作用，其內(nèi)壁應(yīng)力高出外壁，而含裂紋的容器在同一內(nèi)壓下，其最大應(yīng)力是不含裂紋容器的2.62 倍。并且，含裂紋的容器應(yīng)力最大值在裂紋的尖端位置，測值為39.66 MPa。為計算裂紋導(dǎo)致的應(yīng)力集中系數(shù)，通過選擇不含裂紋的容器在同位置取一節(jié)點（等效應(yīng)力值=15.03 MPa），得出含裂紋容器應(yīng)力的集中系數(shù)2.64，表明在裂紋尖端出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，即容器存在裂紋則會影響復(fù)合板壓力容器的安全使用。

4 結(jié)論

通過運用不同的無損檢測方法對S31603+Q345R 爆炸焊接的復(fù)合板壓力容器檢測，其中直探頭和斜探頭容易漏檢，而超聲波衍射時差法則能更準確地對缺陷檢測。通過掃描電鏡的觀察表明，復(fù)合板存在裂紋及空洞等缺陷，容易導(dǎo)致復(fù)合板的強度下降，進而促使復(fù)合板壓力容器存在一定的安全隱患，所以需要加強對其的檢測力度，進一步確保使用的安全。