三员无损检测大将 完美保障焊接质量

发布时间：2020-02-08

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随着我国液化天然气（LNG）工业的发展，对液化天然气储罐的应用越来越广泛，这就在一定程度上增加了潜在的危险性。为了保证液化天然气储罐的安全使用，对其热交换保护壁板需要进行超声检测。
 
某液化天然气储罐的母体材料为06Ni9DR（9Ni钢），焊接材料是ENiCrMoG6，板厚为6mm。根据《16万平米液化天然气储罐内罐制造、焊接、安装和检验技术条件》，应对壁板对接焊缝进行20%抽检，超声检测执行标准为JB/T 4730-2005《承压设备无损检测》。
 
液化天然气储存罐罐体内温度为零下162℃。焊接工艺评定显示，06Ni9DR钢焊接接头的屈服强度为515MPa，抗拉强度为695MPa，具有足够的低温力学性能，抗拉强度大于540MPa，属于高强钢。高强钢在焊接后容易产生裂纹等缺陷，故对接焊缝的无损检测非常重要。
 
超声检测方法

标准JB/T 4730.3-2005《承压设备无损检测 第３部分 超声检测》规定，对于6~8mm的对接焊接接头超声检测，执行该标准的附录G：《6~8mm钢制承压设备对接焊接接头超声检测和质量分级》。该附录为规范性附录，对检测人员的资质、薄板超声检测特性以及试块做出了规定。
 
根据现场情况，笔者加工了06Ni9DR钢CSKGⅡA m对比试块，该试块的壁厚和现场板厚一致。
 
6Ni9DR钢材的纵波声速为5680m/s，为普通钢的96%，横波声速为3080m/s。考虑到06Ni9DR钢焊接接头组织为粗大奥氏体，粗大晶体会对超声波散射造成衰减和晶噪回波，给超声检测带来困难，又加工了06Ni9DR钢的CSKGⅠA对比试块。
 
针对9Ni钢奥氏体焊缝，壁厚仅为6mm，在检测前对仪器、探头、频率等条件做出了选择，制定了检测工艺卡。并采用9Ni钢对比试块进行必要的试验和仪器灵敏度的调节。
 
试验仪器选用武汉中科公司的HS610e数字超声波检测仪，考虑到06Ni9DR钢粗大晶粒对超声波的衰减作用，故选择探头频率为5MHz；由于板厚很薄，仅有6mm，超声探头在检测中其边缘声束会产生散射，而且晶片尺寸越大，散射会越严重，选择了5P5mm×5mm K3和5P6 mm×6 mm K3型两种短前沿探头以保证直射波检测范围。
 
考虑到超声波在金属材料中传播时，声速与材料及晶粒度有关。在斜探头检测中，如以普通碳钢CSKGⅠA标准试块进行刻度定位及调节，对9Ni钢材料检测时，缺陷的定位会产生误差。因此加工了CSKGⅠA和CSKGⅡAm9Ni钢对比试块。应用5P5mm×5 mm K3探头CSKGⅠA9Ni钢对比试块，在R50和R100的圆弧上调节水平线性，测出探头前沿为5mm；还选用了CSKGⅠA9Ni钢对比试块上的?1.5mm的横通孔，测得探头实际K值为3.02。前沿和K值的测量均是3次以上取平均值，以保证检测数值的准确。
 

CSKGⅡAm9Ni钢对比试块的结构示意图

采用直射波制成的距离-波幅曲线的3个点dB值不成线性，当采用一次反射波对上述3点测量，曲线呈线性排列；同样，做出二次波的距离-波幅曲线上3点测量的dB值也呈线性排列，评定线处为?2mm×40mm-18dB，定量线处为?2mm×40mm-12dB，判度线处为?2mm×40mm-4dB。
 
伪缺陷波的波形分析
 
(1)一种伪缺陷波的特点为孤立波形，波形dB值较高，出现位置无规律，在检测前用手触摸检测表面，该波形消失，则可确认为表面杂波。分析认为主要是大K值的原因造成的。
 
(2)另一种伪缺陷波在超声波水平、声程、深度显示上，在焊接接头上，而一次波在深度方向上显示已经超出焊缝，波幅较高，用手拍打焊接接头表面，该波形出现跳动，可以认定为检测面上表面的反射波。
 
缺陷定位偏差分析
 
由于壁厚过薄，焊接时采用V型坡口加垫板的焊接工艺。该工艺在焊接电流过大和过小时都将造成焊接接头和垫板不能熔为一体，易形成焊接接头的根部和垫板之间的未焊透或未熔合，该缺陷一般位于焊缝的中心。
 
在检测中发现，仪器显示发射波的具体位置不在焊缝中心，可是打磨出来的缺陷却在焊缝的中心。因此需要分析超声检测仪器显示缺陷的位置和实际缺陷的位置出现差别的原因。
 
检测前制作9Ni钢的对比试块，就是最大限度地减少试块和检测现场材料不一致造成缺陷定位的不准。由于横波在对侧表面反射时，发生全反射。声波实际上在钢/空气界面有部分能量穿过界面，并在界面处进行重新分布。由于两侧声阻抗的差异，透过的能量立即返回工件，并以反射的角度继续前进，此时能量在界面上将发生前进方向的微小位移。在厚壁的时候，这种微小的差异不能显示，但薄件的时候，本身检测声程较短，微小的差异将引起定位的不准确。
 
另外，由于焊接接头和母材内合金元素含量不同，造成超声波在焊接接头处传播速度的变化，也会造成定位差异。
 
未焊透缺陷波分析
 
根部未焊透产生的原因是焊接速度过快，熔融金属没有填充满焊接间隙。
 
检测中，未焊透缺陷会产生很强的端角反射，波幅较高；探头垂直于焊接接头移动时，波形较稳定；当转动和摆动探头时，波形消失的很快；从焊接接头两侧检测时，其水平位置脉冲宽度有一定距离，约等于焊接接头的间隙；显示不在焊缝中心，而是略微靠前。
 
区别根部未焊透的最好方法是采用5P6mm×6mm K1探头进行检测，其波幅会显著提高。
 

焊接接头中未焊透超声检测示意图

 
未熔合缺陷波分析
 
垫板处和焊接接头底部的未熔合缺陷的产生，主要是由于焊接时有垫板，焊工在焊接时怕烧穿，往往焊接速度很快，导致垫板没有完全熔化而和焊接接头形成一体。
 
未熔合缺陷波较强，且波幅较高，其位置在焊缝中心线附近有一定偏移，从另一侧探伤，一般波幅变化不大。
 

未熔合缺陷超声检测模拟波形

典型缺陷统计结果
 

节选自《无损检测》2015年第7期

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