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三員無損檢測大將 完美保障焊接質量

發布時間：2020-02-08

圖片來源：網絡

隨著我國液化天然氣（LNG）工業的發展，對液化天然氣儲罐的應用越來越廣泛，這就在一定程度上增加了潛在的危險性。為了保證液化天然氣儲罐的安全使用，對其熱交換保護壁板需要進行超聲檢測。
 
某液化天然氣儲罐的母體材料為06Ni9DR（9Ni鋼），焊接材料是ENiCrMoG6，板厚為6mm。根據《16萬平米液化天然氣儲罐內罐制造、焊接、安裝和檢驗技術條件》，應對壁板對接焊縫進行20%抽檢，超聲檢測執行標準為JB/T 4730-2005《承壓設備無損檢測》。
 
液化天然氣儲存罐罐體內溫度為零下162℃。焊接工藝評定顯示，06Ni9DR鋼焊接接頭的屈服強度為515MPa，抗拉強度為695MPa，具有足夠的低溫力學性能，抗拉強度大于540MPa，屬于高強鋼。高強鋼在焊接后容易產生裂紋等缺陷，故對接焊縫的無損檢測非常重要。
 
超聲檢測方法

標準JB/T 4730.3-2005《承壓設備無損檢測 第３部分 超聲檢測》規定，對于6~8mm的對接焊接接頭超聲檢測，執行該標準的附錄G：《6~8mm鋼制承壓設備對接焊接接頭超聲檢測和質量分級》。該附錄為規范性附錄，對檢測人員的資質、薄板超聲檢測特性以及試塊做出了規定。
 
根據現場情況，筆者加工了06Ni9DR鋼CSKGⅡA m對比試塊，該試塊的壁厚和現場板厚一致。
 
6Ni9DR鋼材的縱波聲速為5680m/s，為普通鋼的96%，橫波聲速為3080m/s。考慮到06Ni9DR鋼焊接接頭組織為粗大奧氏體，粗大晶體會對超聲波散射造成衰減和晶噪回波，給超聲檢測帶來困難，又加工了06Ni9DR鋼的CSKGⅠA對比試塊。
 
針對9Ni鋼奧氏體焊縫，壁厚僅為6mm，在檢測前對儀器、探頭、頻率等條件做出了選擇，制定了檢測工藝卡。并采用9Ni鋼對比試塊進行必要的試驗和儀器靈敏度的調節。
 
試驗儀器選用武漢中科公司的HS610e數字超聲波檢測儀，考慮到06Ni9DR鋼粗大晶粒對超聲波的衰減作用，故選擇探頭頻率為5MHz；由于板厚很薄，僅有6mm，超聲探頭在檢測中其邊緣聲束會產生散射，而且晶片尺寸越大，散射會越嚴重，選擇了5P5mm×5mm K3和5P6 mm×6 mm K3型兩種短前沿探頭以保證直射波檢測范圍。
 
考慮到超聲波在金屬材料中傳播時，聲速與材料及晶粒度有關。在斜探頭檢測中，如以普通碳鋼CSKGⅠA標準試塊進行刻度定位及調節，對9Ni鋼材料檢測時，缺陷的定位會產生誤差。因此加工了CSKGⅠA和CSKGⅡAm9Ni鋼對比試塊。應用5P5mm×5 mm K3探頭CSKGⅠA9Ni鋼對比試塊，在R50和R100的圓弧上調節水平線性，測出探頭前沿為5mm；還選用了CSKGⅠA9Ni鋼對比試塊上的?1.5mm的橫通孔，測得探頭實際K值為3.02。前沿和K值的測量均是3次以上取平均值，以保證檢測數值的準確。
 

CSKGⅡAm9Ni鋼對比試塊的結構示意圖

采用直射波制成的距離-波幅曲線的3個點dB值不成線性，當采用一次反射波對上述3點測量，曲線呈線性排列；同樣，做出二次波的距離-波幅曲線上3點測量的dB值也呈線性排列，評定線處為?2mm×40mm-18dB，定量線處為?2mm×40mm-12dB，判度線處為?2mm×40mm-4dB。
 
偽缺陷波的波形分析
 
(1)一種偽缺陷波的特點為孤立波形，波形dB值較高，出現位置無規律，在檢測前用手觸摸檢測表面，該波形消失，則可確認為表面雜波。分析認為主要是大K值的原因造成的。
 
(2)另一種偽缺陷波在超聲波水平、聲程、深度顯示上，在焊接接頭上，而一次波在深度方向上顯示已經超出焊縫，波幅較高，用手拍打焊接接頭表面，該波形出現跳動，可以認定為檢測面上表面的反射波。
 
缺陷定位偏差分析
 
由于壁厚過薄，焊接時采用V型坡口加墊板的焊接工藝。該工藝在焊接電流過大和過小時都將造成焊接接頭和墊板不能熔為一體，易形成焊接接頭的根部和墊板之間的未焊透或未熔合，該缺陷一般位于焊縫的中心。
 
在檢測中發現，儀器顯示發射波的具體位置不在焊縫中心，可是打磨出來的缺陷卻在焊縫的中心。因此需要分析超聲檢測儀器顯示缺陷的位置和實際缺陷的位置出現差別的原因。
 
檢測前制作9Ni鋼的對比試塊，就是最大限度地減少試塊和檢測現場材料不一致造成缺陷定位的不準。由于橫波在對側表面反射時，發生全反射。聲波實際上在鋼/空氣界面有部分能量穿過界面，并在界面處進行重新分布。由于兩側聲阻抗的差異，透過的能量立即返回工件，并以反射的角度繼續前進，此時能量在界面上將發生前進方向的微小位移。在厚壁的時候，這種微小的差異不能顯示，但薄件的時候，本身檢測聲程較短，微小的差異將引起定位的不準確。
 
另外，由于焊接接頭和母材內合金元素含量不同，造成超聲波在焊接接頭處傳播速度的變化，也會造成定位差異。
 
未焊透缺陷波分析
 
根部未焊透產生的原因是焊接速度過快，熔融金屬沒有填充滿焊接間隙。
 
檢測中，未焊透缺陷會產生很強的端角反射，波幅較高；探頭垂直于焊接接頭移動時，波形較穩定；當轉動和擺動探頭時，波形消失的很快；從焊接接頭兩側檢測時，其水平位置脈沖寬度有一定距離，約等于焊接接頭的間隙；顯示不在焊縫中心，而是略微靠前。
 
區別根部未焊透的最好方法是采用5P6mm×6mm K1探頭進行檢測，其波幅會顯著提高。
 

焊接接頭中未焊透超聲檢測示意圖

 
未熔合缺陷波分析
 
墊板處和焊接接頭底部的未熔合缺陷的產生，主要是由于焊接時有墊板，焊工在焊接時怕燒穿，往往焊接速度很快，導致墊板沒有完全熔化而和焊接接頭形成一體。
 
未熔合缺陷波較強，且波幅較高，其位置在焊縫中心線附近有一定偏移，從另一側探傷，一般波幅變化不大。
 

未熔合缺陷超聲檢測模擬波形

典型缺陷統計結果
 

節選自《無損檢測》2015年第7期

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