焊接接頭的磁記憶檢測(cè)

戈 浩

(1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院，杭州 310020；2.浙江省特種設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310020)

近幾年國(guó)內(nèi)發(fā)生了數(shù)起壓力管道爆裂的安全事故，推動(dòng)了壓力管道定期檢驗(yàn)工作的全面開(kāi)展。由于歷史原因，壓力管道的制造和安裝存在很多不足[1]，而定期檢驗(yàn)工期短、工作量大、要求高，存在很多困難。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TSG D 7005-2018 《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則-工業(yè)管道》，對(duì)壓力管道焊接接頭按照一定的抽查比例進(jìn)行檢測(cè)，抽查的比例不高，并且具有一定的盲目性和隨機(jī)性。現(xiàn)實(shí)中，定期檢驗(yàn)有效期內(nèi)的壓力管道出現(xiàn)失效的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，這往往是由于檢測(cè)工作量大、檢驗(yàn)工期短、現(xiàn)有的抽檢方式導(dǎo)致有缺陷的焊接接頭未被抽查造成的。

筆者開(kāi)展了壓力管道焊接接頭的磁記憶檢測(cè)技術(shù)研究，在進(jìn)行常規(guī)無(wú)損檢測(cè)之前，利用磁記憶技術(shù)不需要打磨、檢測(cè)快速、方便的特點(diǎn)，先對(duì)焊接接頭進(jìn)行磁記憶檢測(cè)，再對(duì)存在異常信號(hào)的焊接接頭進(jìn)行常規(guī)無(wú)損檢測(cè)，以提高檢測(cè)的針對(duì)性，提高缺陷的檢出率，減少打磨等輔助工作，獲得更好的檢測(cè)效果。

1 磁記憶檢測(cè)原理

磁記憶檢測(cè)原理為，處于地磁場(chǎng)環(huán)境下的鐵制構(gòu)件受工作載荷的作用，其內(nèi)部會(huì)發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向，并在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成最大的漏磁場(chǎng)Hp的變化，即磁場(chǎng)的切向分量Hp(x)具有最大值，而法向分量Hp(y)改變符號(hào)且具有零值點(diǎn)。這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作載荷消除后繼續(xù)保留。通過(guò)對(duì)漏磁場(chǎng)法向分量Hp(y)的測(cè)定，便可準(zhǔn)確推斷工件的應(yīng)力集中部位[2]。

2 試板檢測(cè)試驗(yàn)

設(shè)計(jì)了2塊焊接試板，每塊試板上制作3個(gè)典型焊接缺陷。1#試板制作條孔、縱向裂紋、根部未焊透缺陷；2#試板制作焊趾裂紋、內(nèi)凹、未熔合缺陷。

對(duì)2塊試板分別進(jìn)行了TOFD(超聲波衍射時(shí)差法)、射線(xiàn)、相控陣超聲、磁記憶檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖310所示。

在試板的正面和反面分別進(jìn)行了TOFD、磁記憶檢測(cè)，并在試板的正面進(jìn)行了相控陣超聲檢測(cè)。TOFD檢測(cè)采用的儀器型號(hào)為ISONIC 2008，探頭頻率為7.5 MHz，直徑為6 mm，入射角度為60°，PCS(探頭中心間距)為39 mm，探頭前沿為8.5 mm；相控陣超聲檢測(cè)采用的儀器型號(hào)為ISONIC 2009 DUET，探頭陣元數(shù)量n=16，頻率f=7.5 MHz，陣元間距p=0.5 mm，陣元寬度e=0.4 mm,陣元間隙g=0.1 mm,楔塊角度為39°，相控陣超聲檢測(cè)時(shí)采用CSK-IA和CSK-IIA-1試塊調(diào)節(jié)儀器和檢測(cè)靈敏度，耦合補(bǔ)償為4 dB；磁記憶檢測(cè)采用的儀器型號(hào)為T(mén)SC-1M-4。

2.1 試板

2.1.1 1#試板(UT04-T16-X)缺陷設(shè)計(jì)參數(shù)

1#試板(UT04-T16-X)中設(shè)計(jì)了3個(gè)典型缺陷(條孔、縱向裂紋、根部未焊透)，缺陷位置如圖1所示，試板尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為350 mm×350 mm×16 mm，焊接方法為手工電弧焊，材料為Q345R鋼，坡口型式為X型，焊縫寬度為12～14 mm，焊縫余高為0～2 mm。設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖1 1#試板焊縫截面缺陷位置示意

表1 1#試板(UT04-T16-X)缺陷設(shè)計(jì)參數(shù) mm

2.1.2 2#試板(UT03-T16-V)缺陷設(shè)計(jì)參數(shù)

2#(UT03-T16-V)中設(shè)計(jì)了3個(gè)典型缺陷(表面焊趾裂紋、內(nèi)凹、坡口未熔合)，缺陷位置如圖2所示，試板尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為350 mm×350 mm×16 mm，焊接方法為手工電弧焊，材料為Q345R鋼，坡口型式為V型，焊縫寬度為20～22 mm，焊縫余高為0～2 mm。設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

圖2 2#試板焊縫截面缺陷位置示意

表2 2#試板(UT03-T16-V)缺陷設(shè)計(jì)參數(shù) mm

2.2 檢測(cè)結(jié)果

對(duì)2塊試板分別進(jìn)行了TOFD、射線(xiàn)、相控陣超聲、磁記憶檢測(cè)，1#試板(UT04-T16-X)各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果如圖36所示。

圖4 1#試板(UT04-T16-X)射線(xiàn)檢測(cè)底片

圖5 1#試板(UT04-T16-X)相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果

圖6 1#試板(UT04-T16-X)磁記憶檢測(cè)結(jié)果

2#試板(UT03-T16-V)各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果如圖710所示。

圖7 2#試板(UT03-T16-V)TOFD檢測(cè)結(jié)果

各檢測(cè)方法結(jié)果對(duì)比如表35所示，其中*表示在試板反面檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)。

圖8 2#試板(UT03-T16-V)射線(xiàn)檢測(cè)底片

圖9 2#試板(UT03-T16-V)相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果

表3 缺陷1各方法檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖10 2#試板(UT03-T16-V)磁記憶檢測(cè)結(jié)果

表4 缺陷2 各方法檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

表5 缺陷3各方法檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

某電廠(chǎng)動(dòng)力管道定期檢驗(yàn)時(shí)，在射線(xiàn)檢測(cè)前對(duì)在役壓力管道焊接接頭進(jìn)行了磁記憶檢測(cè)，磁記憶檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有2個(gè)焊接接頭存在明顯異常信號(hào)。磁記憶和射線(xiàn)檢測(cè)的結(jié)果如圖11所示。其中焊接接頭CX-4材料為20G，設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力分別為175 ℃，3.8 MPa，焊接接頭HRM-5材料為20G，設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力分別為350 ℃，1.47 MPa。

圖11 在役壓力管道焊接接頭檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)果與分析

TOFD、射線(xiàn)、相控陣超聲的檢測(cè)結(jié)果和缺陷的設(shè)計(jì)參數(shù)保持了較好的一致性。

根據(jù)焊接試板的磁記憶檢測(cè)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。

(1)缺陷部位基本存在磁記憶異常信號(hào)特征。存在缺陷的位置(在試板正面檢測(cè)時(shí)內(nèi)凹缺陷未檢測(cè)出來(lái))都存在磁場(chǎng)法向分量“過(guò)零點(diǎn)”的現(xiàn)象，磁場(chǎng)梯度有的較大，有的較小；缺陷和磁記憶探頭之間的距離對(duì)檢測(cè)結(jié)果也有一定影響。#1試板中缺陷1(條孔)距離下表面較近，距離上表面較遠(yuǎn)，下表面的磁記憶檢測(cè)效果更；#2試板中缺陷1(表面焊趾裂紋)在試板正面的檢測(cè)結(jié)果比在試板反面的更明顯；#1試板缺陷3(未焊透)距離上下表面的距離相同，磁記憶檢測(cè)結(jié)果相差不大；磁記憶檢測(cè)時(shí)在缺陷位置并不是所有通道都會(huì)出現(xiàn)“過(guò)零點(diǎn)”和磁場(chǎng)梯度較大的現(xiàn)象，這是因?yàn)閭鞲衅鞑煌ǖ乐g是有間距的，缺陷的漏磁場(chǎng)只能被部分通道檢測(cè)到。

(2)有些沒(méi)有缺陷的部位，磁記憶檢測(cè)也存在異常信號(hào)。在#1試板正面檢測(cè)時(shí)，位于210 mm附近，通道1、通道3的檢測(cè)結(jié)果(Hp-1、Hp-3)出現(xiàn)“過(guò)零點(diǎn)”現(xiàn)象，磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度也較大，但是此區(qū)域沒(méi)有預(yù)制缺陷，其余檢測(cè)方法也未檢測(cè)到缺陷；在試板反面檢測(cè)時(shí)，位于215 mm附近，通道4的檢測(cè)結(jié)果(Hp-4)存在“過(guò)零點(diǎn)”現(xiàn)象，此處也沒(méi)有預(yù)制缺陷。在#2試板正面掃查時(shí)，在169～187 mm處，預(yù)制了內(nèi)凹缺陷，各通道的檢測(cè)結(jié)果沒(méi)有“過(guò)零點(diǎn)”現(xiàn)象；反面掃查時(shí)，位于210 mm附近，檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)“過(guò)零點(diǎn)”現(xiàn)象，但此區(qū)域并沒(méi)有缺陷。

無(wú)缺陷部位出現(xiàn)磁記憶異常信號(hào)，可能是由于焊接殘余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)不連續(xù)等原因產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)造成的。

(3)磁記憶檢測(cè)對(duì)缺陷的定位有一定的偏差，即磁記憶信號(hào)過(guò)零點(diǎn)以及磁場(chǎng)梯度較大的位置，與預(yù)制缺陷的位置有一定的偏差。這是由于漏磁最大值并不是在缺陷處，而是出現(xiàn)在缺陷引起的殘余應(yīng)力最大處附近。另外，目前的磁記憶只是定性檢測(cè)，對(duì)缺陷的大小和嚴(yán)重性難以定量。

對(duì)在役壓力管道焊接接頭進(jìn)行磁記憶檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示：焊接接頭CX-4在170～180 mm處，通道2、通道3、通道4的磁記憶檢測(cè)結(jié)果(Hp-2、Hp-3、Hp-4)存在“過(guò)零點(diǎn)”現(xiàn)象，同時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度值也較大，經(jīng)射線(xiàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該位置存在一個(gè)φ4 mm的圓形缺陷；焊接接頭HRM-5的磁記憶檢測(cè)信號(hào)存在多處“過(guò)零點(diǎn)”現(xiàn)象，其中有4處磁場(chǎng)梯度較大，經(jīng)射線(xiàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)焊接接頭中存在多處圓形缺陷，條形缺陷。另外，焊接接頭CX-4和HRM-5的磁記憶檢測(cè)結(jié)果中有些“過(guò)零點(diǎn)”的位置，射線(xiàn)檢測(cè)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷。

和焊接試板不同，工作溫度和工作壓力可能改變?cè)谝蹓毫艿篮附咏宇^的殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中狀態(tài)分布，進(jìn)而對(duì)磁記憶檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生影響。聞慶松等[3]研究了溫度對(duì)金屬磁記憶檢測(cè)的影響，發(fā)現(xiàn)達(dá)到試樣材料的居里點(diǎn)之前,溫度對(duì)磁記憶檢測(cè)的影響不大。徐濟(jì)進(jìn)等[4]研究了水壓試驗(yàn)(工作壓力的1.5倍，15 MPa)前后焊接殘余應(yīng)力的變化，發(fā)現(xiàn)水壓試驗(yàn)后，焊接接頭的平均殘余應(yīng)力有所降低，分布更均勻，但焊縫區(qū)依然有較高的殘余應(yīng)力。在役壓力管道的工作溫度比居里點(diǎn)的溫度低得多，工作壓力比水壓試驗(yàn)低得多，工作溫度和工作壓力對(duì)應(yīng)力集中狀態(tài)分布和磁記憶檢測(cè)信號(hào)的影響應(yīng)該是十分有限的。在用壓力管道焊接接頭中的缺陷仍然會(huì)引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生異常漏磁信號(hào)，所檢測(cè)的在用壓力管道和焊接試板磁記憶檢測(cè)表現(xiàn)出類(lèi)似的信號(hào)特征，也說(shuō)明了這一特點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

在役壓力管道和試板上的焊接缺陷(氣孔、裂紋、未熔合、未焊透等)均會(huì)引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生漏磁信號(hào)，漏磁信號(hào)能通過(guò)磁記憶的方法檢測(cè)出來(lái)。

磁記憶技術(shù)主要用于應(yīng)力集中部位和應(yīng)力集中程度的檢測(cè)。壓力管道定期檢驗(yàn)時(shí)，可以先使用磁記憶技術(shù)定位出焊接接頭的“薄弱區(qū)域”，再對(duì)存在“薄弱區(qū)域”的焊接接頭進(jìn)行針對(duì)性的常規(guī)無(wú)損檢測(cè)。在相同的抽查比例和檢測(cè)工作量下，可以提高缺陷的檢出率，減少打磨等輔助工作，獲得更好的檢測(cè)效果。