厚壁高強鋼球罐埋藏裂紋的TOFD檢測及其成因分析

王 杜，陳定岳，陳 虎，黃 輝

（寧波市特種設備檢驗研究院，寧波 315048）

近期筆者對某公司的一臺1 000m3氧氣球罐進行首次全面檢驗。在采用常規檢測手段的基礎上，應用TOFD技術進行內部埋藏缺陷抽檢、對超聲波檢測發現的焊縫內部埋藏缺陷進行復驗，并精確測量缺陷自身高度。TOFD檢測結果發現該球罐上溫帶大環縫將近有半圈存在54處超標埋藏缺陷顯示，初步判讀為未熔合、夾渣甚至可能存在裂紋等危害性缺陷。返修后證明這些埋藏缺陷絕大部分為裂紋。通過分析TOFD檢測圖譜，發現大部分裂紋圖譜存在典型特征，但是也有一些裂紋的圖譜與未熔合、夾渣等缺陷的圖譜十分相似，需要結合檢測對象的材料、焊接工藝、焊接環境等綜合評判，為TOFD檢測圖譜判讀積累了一定經驗。

該球罐為混合式四帶結構，由上下混合帶及上下溫帶構成，無赤道帶。上下混合帶每帶7塊板，上下溫帶每帶20塊板，共有10個支柱，其主要技術參數見表1。

表1 球罐主要技術參數

1 TOFD檢測設置

根據NB/T 47013.10－2010《承壓設備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測》標準進行TOFD檢測設置。按照檢驗方案對球罐上溫帶大環縫外表面對接焊縫進行TOFD檢測。將該環縫上所有丁字口部位焊縫余高打磨平整，以使檢測時探頭掃查架能夠順利通過；對超聲波檢測發現的39處超標埋藏缺陷進行復檢，總共檢測焊縫長度為98m。TOFD檢測部位見圖1所示，檢測設置參數見表2。TOFO檢測靈敏度為：①第1通道：找到對比試塊上8，20mm深度側孔，將其中較弱衍射波波幅設置為滿屏的40%～80%。② 第2通道：找到對比試塊上30，50mm深度側孔，將其中較弱衍射波波幅設置為滿屏的40%～80%。其檢測分區為：① 通道1：0～24mm深處。② 通道2：24～58mm（18～58mm）。

圖1 TOFD檢測部位

表2 TOFD檢測參數設置

通道1采用5MHz，6mm晶片探頭，楔塊63°，探頭中心距75mm，為非平行掃查。通道2采用3.5MHz，10mm 晶片探頭，楔塊55°，探頭中心距133mm，為非平行掃查。

2 TOFD檢測結果

檢測后確定需對54處超標缺陷（包括對UT檢出缺陷復檢后確定需返修的15處超標缺陷）進行返修。圖2為其中兩處裂紋缺陷TOFD圖譜。圖3為返修時滲透檢測所得2張裂紋缺陷照片。從返修情況來看，54處返修部位有48處為內部埋藏裂紋，6處為未熔合＋條形夾渣缺陷。這些裂紋長短不一，最短的10mm左右，最長的將近300mm，主要位于上溫帶大環縫上，呈縱向分布，埋藏深度大多位于33～46mm之間，自身高度2～9mm。

圖2 兩處裂紋缺陷的TOFD圖譜

圖3 滲透檢測所示缺陷

通過對圖2裂紋TOFD圖譜判讀可見，大部分裂紋TOFD圖譜成一條或上下兩條相位相反的不規則主線，兩端和主線不時伴有不規則的拋物線組。但是也有一些裂紋的圖譜與未熔合很相似，一條主線很平直，并在主線下側伴有相位相反的不規則狀線組（拋物線狀或不連續的小段）；還有少量較短的裂紋的圖譜與夾渣很相似，呈現出不規則的斷續小段，圖像黑白對比較為鮮明。因此僅憑教科書中判斷缺陷類型的規律來判讀TOFD圖譜是不夠的，需要對不同檢測對象的材料、焊接工藝、焊接環境等綜合考慮才能下結論判定缺陷是否需要返修。對于文中檢測的厚壁高強鋼制造的球罐，尤其需要慎重處理，缺陷性質的評定要從嚴，須嚴格按照 NB/T 47013.10－2010標準中關于缺陷評級及質量分級的要求進行圖譜判讀。對于檢測人員判讀為裂紋、未熔合等危害性缺陷的，評定為Ⅲ級，需返修處理。

3 裂紋成因分析及處理辦法

該球罐材質為15MnNbR，標準抗拉強度σb為550～630MPa，加上其公稱壁厚高達58mm，具有明顯的延遲裂紋及再熱裂紋傾向，屬于厚壁高強度鋼球罐，在安裝建造過程中其焊接及熱處理均存在很大難度。同時該球罐設計壓力為3.15MPa，球罐焊縫整體應力水平很高。通過查閱安裝資料顯示，該球罐建造時對接焊縫采用100%γ射線中心曝光檢測，加上20%超聲波檢測抽查。

TOFD檢測發現的54處超標缺陷圖譜顯示的缺陷類型大部分是條狀顯示和密集點狀顯示，根據經驗判斷這些缺陷可能為未熔合、夾渣甚至裂紋等危害性缺陷。經過返修后最終發現絕大部分缺陷為裂紋，少量缺陷為未熔合及條渣。大部分嚴重的缺陷位于上溫帶大環縫中，該球罐上溫帶大環縫大約1/2長度需要返修處理，這些超標缺陷埋藏深度約為33～46mm，有些嚴重的缺陷長度達到300mm，最大自身高度達9mm。TOFD采用雙通道同時檢測，第一通道（0～24mm）缺陷顯示很少，僅有少量點狀缺陷顯示；超標缺陷絕大部分為第二通道（24～58mm）發現的。

安裝記錄顯示，該球罐于2008年7月安裝完畢，現場組焊期間正值多雨季節，相對濕度較大。盡管焊條烘干、焊前預熱及焊后熱處理等焊接工藝執行較好，但由于潮濕的天氣，焊縫中的氫不能完全逸出，易導致焊縫中氫含量偏高［1］。球罐現場組焊過程采用先焊縱縫后焊環縫的順序進行，在上下極環縫焊接時，不可避免存在局部強力組裝現象，造成環縫的局部組裝壓力過大［2］。該球罐對接焊縫采用X型坡口，從內部焊接上環縫時采用仰焊，焊接難度最大，因此很容易產生裂紋、坡口未熔合、夾渣等缺陷。而從外部焊接時則相對容易，因此產生的缺陷也較少。TOFD進行外部檢測時發現的缺陷大多位于鈍邊以下部位，證實了這一點。該環縫另外1/2焊縫長度中發現的超標缺陷較少，尤其是其中1/4焊縫長度中沒有超標缺陷，僅有少量點狀缺陷顯示。說明對于這種大壁厚高強度鋼球罐難焊的上溫帶環縫部位，只要采用好的施焊工藝，選擇技術好的焊工，同時嚴格遵守焊接紀律，完全可以焊出合格的焊縫。

資料中顯示該球罐建造時對接焊縫采用192Ir源γ射線100%中心曝光檢測，而發現的缺陷大多為氣孔、點渣等，很少發現裂紋、未熔合等危害性缺陷。58mm厚度的球罐，采用192Ir源γ射線中心曝光檢測，如果檢測工藝選擇不當，肯定會造成大量危害性缺陷漏檢。溯源查出，此處底片模糊不清，射線源偏離球罐中心過大等均會造成缺陷漏檢。綜上所述，球罐內埋藏缺陷大部分為制造安裝過程中遺留下來的，由于當時采用的無損檢測方法的局限性，無法及時發現并消除。

由于本臺球罐所用材料為高強鋼，且存在延遲裂紋及再熱裂紋傾向，所以在處理內部埋藏缺陷是否返修的問題上要十分謹慎，一般分散的點狀超標缺陷不宜進行返修，除非是嚴重超標的缺陷，且返修次數不宜超過兩次。使用單位已委托具有相關修理改造資質的單位對該球罐進行了返修。返修過程嚴格控制焊接工藝及熱處理工藝，焊縫返修之后采用MT，TOFD檢測附加UT復檢合格，最后要求水壓及氣密試驗合格方可投入使用。同時根據《壓力容器定期檢驗規則》標準規定對該球罐安全狀況等級進行降級處理并縮短檢驗周期。

4 結語

通過本臺球罐首次全面檢驗中發現的問題，結合近兩年來我院的30多臺球罐全面檢驗中發現的問題進行分析，發現采用TOFD技術后球罐焊縫內部缺陷檢出率大大提高，許多射線檢測甚至A超檢測未能發現的危險性缺陷都能被檢出，而且對于缺陷的埋深、自身高度等數據的測量十分方便，為檢驗人員根據《壓力容器定期檢驗規則》標準進行定級提供了依據。現就以后大型球罐檢驗提出如下對策：

（1）鑒于大型球罐定期檢驗中發現的大部分超標缺陷尤其是內部埋藏缺陷為制造安裝過程中遺留缺陷，建議加強制造安裝監檢。

（2）對于厚度大于38mm的大型容器進行安裝監檢時，宜采用TOFD進行100%對接焊縫檢測，外加20%超聲波或者射線檢測抽查。抽查部位應由監檢員指定，重點抽查上下環縫部位。

（3）定期檢驗時應采用TOFD技術抽查一定比例的焊縫，重點檢測上下溫帶環縫；超聲波檢測重點部位是上下溫帶尤其是上溫帶環縫，檢測上溫帶環縫時要重點檢測靠近球罐內表面的部位，而檢測下溫帶環縫時要重點檢測靠近球罐外表面的部位。

（4）要高度重視高強度大壁厚球罐的焊接及熱處理質量控制，要求安裝單位焊工嚴格遵守焊接紀律，盡量一次焊接合格，減少返修。定期檢驗時發現的分散單個超標缺陷也應以少返修為原則。

［1］任克華，董建明.壓力容器用鋼15MnNbR的焊接［J］.管道技術與設備，2009（2）：58－59.

［2］王宏君，劉文飛.15MnNbR大型球罐的定期檢驗［J］.廣東化工，2012，39（1）：123－124.