基于金屬磁記憶法的球罐支柱角焊縫缺陷檢測方法

蔡剛毅 虞雪芬 項 智 陳 長 楊建華

(浙江省特種設備檢驗研究院)

球罐是儲存各種氣體和液化氣體的常用壓力容器之一，廣泛應用于石油、化工、冶金及城市燃氣供應等領域。球罐由球殼和支座兩部分組成，球殼由許多塊球瓣組焊而成，球瓣的拼接方式一般有足球式分瓣和橙皮式分瓣兩種；常見的支座形式主要有支柱式，一般球罐采用赤道正切支柱式支座。

球罐在使用過程中，內部易受介質的影響，外部易受大氣環境的影響，某些情況下可產生應力腐蝕開裂。球罐支柱的角焊縫是應力集中最大的部位，一般是應力檢測的重點部位。常規檢測方法因支柱角焊縫的特殊結構形式可能會消耗大量檢驗時間或發生漏檢，因此筆者采用金屬磁記憶法和常規檢驗方法對支柱角焊縫處的應力狀況進行檢測，并利用有限元分析軟件對球罐進行應力計算。

1 金屬磁記憶檢測技術

金屬磁記憶檢測的原理是磁致伸縮效應及其逆效應。工件在運行時受工作載荷和地球磁場的共同作用會發生磁疇組織定向且不可逆的重新取向(即伸縮致磁)，但工作載荷去除后所產生的磁會被工件記憶下來，形成磁場。在應力集中的部位，磁場強度的法向分量會發生符號變化，并存在過零值點，即出現磁場強度Hp=0的點。利用金屬磁記憶檢測設備可以發現磁場強度Hp=0的點，從而確定應力集中區。

金屬磁記憶檢測技術是由俄羅斯學者Dubov A A于20世紀90年代后期首次提出的[1]。任吉林和林俊明于2000年首先向中國無損檢測界介紹了金屬磁記憶檢測技術的檢測原理和磁記憶儀器的構成原理[2]；黎連修利用磁致伸縮方程分析了磁記憶現象產生的條件和規律，對磁記憶原理做了十分詳細的補充[3]；劉昌奎等利用金屬磁記憶檢測技術定量評估了18CrNi4A材料的疲勞損傷，使金屬磁記憶檢測技術由定性評估階段發展到定量評估階段[4，5]。通過大量學者的試驗研究，金屬磁記憶的原理已得到初步完善，并已發展成較成熟的一種無損檢測技術[6～10]。

2 金屬磁記憶檢測

現對某在用的4 000m3C5球罐的支柱角焊縫進行金屬磁記憶檢測，球罐的主要參數如下：

設計壓力 0.6MPa

設計溫度 50℃

公稱壁厚 30mm

主體材料 Q345R(球罐、支柱)

支座形式 赤道正切

內徑 19 700mm

操作壓力 0.167MPa

容積 4 000m3

實際操作溫度 常溫

實際工作介質 C5

熱處理 焊后整體熱處理

將支柱角焊縫分成3段(1#檢測部位、2#檢測部位、3#檢測部位)進行檢測(圖1)。以銘牌所在支柱為1#柱，逆時針方向按順序對球罐支柱編號(圖2)。

圖1 支柱角焊縫右視圖與正視圖

圖2 球罐支柱編號

筆者所采用的儀器為TSC-1M-4應力集中磁檢測儀，利用該儀器測量被檢測對象表面磁場強度Hp的分布，不需要對被檢對象進行專門磁化，不要求對被檢測表面做任何準備工作，在檢測過程中確定金屬的應力集中和缺陷部位。儀器技術參數有：磁場強度Hp的測量范圍為-2 000～2 000A/m；最大采樣間距為128m，最小采樣間距為1m；最大掃描速度為0.5m/s。測量所用傳感器有4個通道，根據掃描面積大小，使用其中兩個通道。

檢測結果見表1，若表中的磁參數值大于3.000，則表示該段支柱角焊縫存在應力集中指示區。從表1可以發現：2#、3#、5#、6#、9#、11#和12#這6根支柱均有應力集中現象，其中2#支柱應力集中情況最嚴重。

表1 各支柱角焊縫金屬磁記憶檢測磁參數

現對2#支柱磁記憶檢測數據進行分析，圖3為2#支柱3個檢測部位的數據分析和檢測信號圖。由圖3和表1分析得出：2#支柱的2#檢測部位有很明顯的應力集中現象，1#檢測部位有較明顯的應力集中現象，3#檢測部位應力變化較平穩，不劃定應力集中指示區。

圖3 2#支柱數據分析和檢測信號圖

綜合分析表1發現：球罐支柱應力集中區普遍分布于1#、2#檢測部位，3#檢測部位的應力集中區分布相對較為不明顯。

3 常規檢測驗證

對球罐所有支柱進行常規檢測，發現2#、9#、10#支柱角焊縫處存在超標裂紋。這表明，金屬磁記憶法可用于常規檢測之前以確定重點檢測部位，使檢測更具針對性，提高檢測效率。

4 球罐應力校核

根據球罐實際尺寸建立支腿式球罐的整體幾何模型，使用ANSYS14.0軟件建立其有限元模型(圖4)。其中，對支柱和球殼模型采用SHELL281單元進行網格劃分，對拉桿模型采用LINK 180單元進行網格劃分。單元總數為34 080個，節點總數為100 130個。

圖4 球罐有限元模型圖

根據球罐的實際工作情況，在結構支柱底板施加全約束。將工作壓力0.167MPa施加在整個球殼上，將雪壓250Pa施加在球罐上半球，將風壓650Pa施加在2#支柱所在的西半球方向。球罐使用期間，該地區未發生地震，因此暫不考慮地震載荷。在工作壓力、風壓和雪壓的共同作用下，球罐的最大von mises等效應力為32.04MPa，位于2#支柱角焊縫處。球罐的設計資料表明，2#支柱角焊縫處的應力滿足球罐結構的強度要求。因此，檢測所發現的超標裂紋不是應力集中造成的。根據焊接工藝和焊接條件判定該超標裂紋有可能是焊接時產生的。

5 結論

5.1利用金屬磁記憶法對在用球罐支柱角焊縫進行檢測，發現部分支柱角焊縫處存在應力集中指示區，且普遍分布于1#、2#檢測部位。

5.2通過常規檢測方法發現，在部分金屬磁記憶方法檢測得到的應力集中指示區存在超標裂紋，這表明金屬磁記憶法檢測得到的應力集中指示區可作為常規檢測時的重點檢測部位，使檢測工作更具針對性，提高檢測效率。

5.3對球罐進行有限元計算，發現最大von mises等效應力位于球罐2#支柱角焊縫處，但該處的應力滿足球罐結構強度要求，因此檢驗發現的超標裂紋可能是由焊接所致。

[1] Dubov A A.A Rapid Method of Inspecting Welded Joints Utilizing the Magnetic Memory of Metal[J]. Welding International, 1997, 11(5):410～413.

[2] 任吉林，林俊明.金屬磁記憶檢測技術[M].北京：中國電力出版社，2000：2～4.

[3] 黎連修.磁致伸縮和磁記憶問題研究[J].無損檢測，2004，26(3)：109～112.

[4] 劉昌奎，陶春虎，陳星，等.金屬磁記憶檢測技術定量評估構件疲勞損傷研究[J].材料工程，2009，(8)：33～37.

[5] 劉昌奎，陶春虎，陳星，等.基于金屬磁記憶技術的18CrNi4A鋼缺口試件疲勞損傷模型[J].模型航空學報，2009，30(9)：1641～1647.

[6] 張衛民，董韶平，張之敬.金屬磁記憶檢測技術的現狀與發展[J].中國機械工程，2003，14(10)：892～896.

[7] 張軍，陳茂龍，劉興斌，等.金屬磁記憶檢測井下套管應力集中的研究[J].測井技術，2006，30(3)：198～201.

[8] 李紹杰，田福成，撖文廣，等.基于金屬磁記憶的智能清管器技術可行性研究[J].管道技術與設備，2009，(6)：20～23.

[9] 李光霧，孫國豪，潘家禎.用金屬磁記憶方法進行缺陷檢測[J].華東理工大學學報(自然科學版)，2006，32(8)：1007～1011.

[10] 徐金龍，華斌，馮浚漢，等.金屬磁記憶檢測的研究與進展[J].檢驗檢疫學刊，2009，19(4)：64～66.