換熱管與管板角焊縫的棒陽極射線檢測缺陷成像特點

劉 泉，金彥楓，張 崢，侯彥華，劉 川，張向英，程旺富

(1.上海藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518；2.中石化第五建設(shè)有限公司，廣州 510145)

列管式換熱器或反應(yīng)器的換熱管與管板連接通常采用焊接或脹接加焊接的結(jié)構(gòu)，該連接部位是設(shè)備運行的薄弱環(huán)節(jié)。焊縫中如存在氣孔、未熔合等缺陷，設(shè)備在腐蝕、應(yīng)力的作用下，服役期間易發(fā)生泄漏，造成重大經(jīng)濟損失和環(huán)境污染[1]。國內(nèi)自2003年起，引進了管板角焊縫射線檢測技術(shù)，該技術(shù)一經(jīng)推廣應(yīng)用就取得了顯著成效，換熱器產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高，在用換熱器意外泄漏大幅減少，有力地保障了相關(guān)裝置的長周期運行[2-5]。標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.2-2015 《承壓設(shè)備無損檢測》的發(fā)布及實施，為設(shè)備的換熱管與管板角焊縫結(jié)構(gòu)進行棒陽極射線檢測也提供了操作依據(jù)。盡管國內(nèi)現(xiàn)在很多檢測公司也在進行棒陽極射線檢測，但是很少有人系統(tǒng)地進行缺陷實際解剖和對比，對缺陷的定性和定量缺乏相關(guān)依據(jù)。筆者簡要描述了此類結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生的原因，著重分析了換熱管與管板角焊縫結(jié)構(gòu)棒陽極檢測的成像特點，并結(jié)合底片影像針對典型缺陷進行剖析、對比和驗證。

1 換熱管與管板角焊縫典型缺陷及其成因分析

換熱管與板管角焊縫受結(jié)構(gòu)及焊接工藝等因素影響，焊縫內(nèi)部容易產(chǎn)生缺陷，典型缺陷有氣孔、夾渣、夾鎢、未熔合、未焊透、裂紋、換熱管內(nèi)壁燒穿及表面缺陷等[6-8]。

1.1 氣孔缺陷及其成因

氣孔是指焊接時，熔池中的氣泡在凝固時未能逸出而殘留下來形成的空穴。按形狀分為球形氣孔、線狀氣孔和其他不規(guī)則的氣孔。換熱管與管板角焊縫氣孔的分布可分為單個氣孔、密集型氣孔、根部鏈狀氣孔等。換熱管與管板角焊縫產(chǎn)生氣孔的原因主要是坡口形式特殊、換熱管清理不干凈、焊絲使用過程中攜帶雜質(zhì)、氬氣流量控制不當(dāng)、氬氣純度不足、焊接速度過快、操作不當(dāng)?shù)取?/p>

1.2 夾渣和夾鎢缺陷及其成因

夾渣是指焊后熔渣殘存在焊縫中的現(xiàn)象：換熱管與管板角焊縫焊接時，坡口、焊絲焊前清理不徹底，焊后殘留在焊縫金屬中的非金屬雜質(zhì)如氧化物、硫化物等，形成夾渣；鎢極電流過大或與焊絲及坡口碰撞而使端頭熔化落入熔池中，產(chǎn)生夾鎢，此類結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生夾鎢缺陷。按其形狀可分為點狀(塊狀)和條狀。

1.3 未熔合和未焊透缺陷及其成因

未熔合是熔敷金屬與管板坡口、熔敷金屬與換熱管管壁、熔敷金屬層間未熔化結(jié)合在一起的缺陷；未焊透是指管頭坡口根部換熱管與管板之間未熔化，焊縫金屬沒有進入接頭部位造成的缺陷。換熱管與管板角焊縫未熔合缺陷可分為根部未熔合、坡口未熔合、層間未熔合；未焊透主要是根部未焊透。未熔合和未焊透產(chǎn)生的主要原因有：① 坡口、焊道清理不干凈，存在油污或鐵銹；② 坡口設(shè)計加工不合理，液態(tài)金屬流動有死角；③ 焊接電流過小、速度過快，金屬之間未完全熔化熔合；④ 焊接時焊槍擺動不均勻。

1.4 裂紋缺陷及其成因

換熱管與管板焊縫熔池冷卻速度較快，焊縫結(jié)晶時易造成晶內(nèi)和晶間偏析，偏析物多為低熔點的共晶物及雜質(zhì)，其熔點低，再結(jié)晶過程中以液態(tài)存在的物質(zhì)受到拉應(yīng)力作用可能開裂產(chǎn)生熱裂紋。含氫量和拉應(yīng)力是冷裂紋(氫致裂紋)產(chǎn)生的主要因素，體現(xiàn)在以下方面：① 換熱管與管板角焊縫密集、數(shù)量多且受力不均勻易產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。② 管板及換熱管采用低合金高強度鋼時，焊接接頭具有冷裂傾向；焊接工藝控制不當(dāng)，冷卻速度快，焊縫中的氫未及時逸出，熱影響區(qū)易產(chǎn)生淬硬組織；管板與換熱管角焊縫受應(yīng)力不斷作用，氫原子向高應(yīng)力區(qū)擴散聚集，破壞焊縫金屬中原子的結(jié)合鍵，直至產(chǎn)生冷裂紋。

1.5 換熱管內(nèi)壁燒穿缺陷及其成因

熔敷金屬在換熱管內(nèi)壁流出后所形成的空洞，分為完全燒穿(背面可見洞穴)和不完全燒穿(背面僅能見凹坑)。換熱管管板連接結(jié)構(gòu)在焊接過程中，如果焊接電流過大，速度太小，電弧停留時間過久，則易在換熱管內(nèi)壁產(chǎn)生燒穿。

1.6 表面缺陷及其成因

換熱管與管板角焊縫底片中的表面缺陷主要有表面裂紋、表面氣孔、換熱管端部損傷燒損、焊縫外觀尺寸不符合要求、咬邊等缺陷。

(1) 表面裂紋：裂紋是指焊接完成后，在應(yīng)力作用下焊接位置的基材金屬原子間結(jié)合鍵斷裂而產(chǎn)生新界面，最后一遍焊接操作不當(dāng)就會表現(xiàn)為表面裂紋，另外管頭焊接接頭收弧處易產(chǎn)生表面弧坑裂紋。

(2) 換熱管端部損傷燒損：換熱管在組裝過程中，換熱管端部易變形損傷；焊接過程中，為保證焊縫焊腳高度造成的換熱管端部燒損。

(3) 焊縫外觀尺寸不符合要求：焊接過程中未按焊接工藝控制焊接層數(shù)、焊接速度及槍頭擺動幅度不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致管頭焊縫外觀凸起或產(chǎn)生凹坑。

(4) 咬邊：由于焊接參數(shù)選擇不當(dāng)，或操作工藝不正確，沿焊趾的換熱管或管板被電弧融化時所形成的溝槽或凹槽。

2 棒陽極X射線檢測技術(shù)及檢測底片成像特點

2.1 棒陽極X射線檢測技術(shù)

換熱管與管板角焊縫射線檢測采用微焦點棒陽極X射線機向后透照成像，換熱管與管板角焊縫在底片中一次成像。棒陽極射線檢測系統(tǒng)采用德國全進口技術(shù)，設(shè)備采用優(yōu)化的靶極冷卻，不需要任何冷卻系統(tǒng)；設(shè)備最大功率為320 W，最大電壓為130 kV；射線防護距離較小，并且運用計算機軟件進行操作控制，安全可靠。適用于管子內(nèi)徑為12.5～80 mm，厚度為1.5～5.0 mm的換熱管與管板角焊縫射線檢測。

2.2 棒陽極X射線檢測底片成像特點

主要針對管子伸出管板的角焊縫結(jié)構(gòu)的棒陽極X射線檢測底片成像特點進行研究，具體管頭形式如圖1所示。

圖1 換熱管與管板角焊縫底片理論成像

2.2.1 底片焊縫影像位置識別

換熱管端部內(nèi)徑投影至底片影像直徑為

D1≈φ-2T

(1)

式中：T為換熱管壁厚。

影像大小與管內(nèi)徑接近，適配器與管壁存在一定的間隙，在底片中形成的一圈較黑影像為換熱管端部內(nèi)邊緣；底片中心影像較淡處為射線束透過適配器的影像(見圖2)。

圖2 換熱管內(nèi)壁影像

焊腳端部投影至底片影像直徑為

(2)

影像大小比管外壁直徑略大，與焦距、管伸出長度、焊腳高度有關(guān)；換熱管伸出端部影像黑度較焊縫影像黑度淡，焊腳端部影像與換熱管端部外邊緣影像相連，形狀一般不規(guī)則(見圖3)。

圖3 焊腳端部影像

焊縫根部影像直徑為

(3)

影像大小與焦距、管伸出長度、坡口深度有關(guān),換熱管與管板間存在一定組裝間隙，影像中會顯示一圈黑度相對較黑、寬度較小的細線，當(dāng)焊縫根部熔合較完好時，底片中不會顯示該影像(見圖4)。

圖4 焊縫根部影像

焊縫焊趾影像直徑為

(4)

影像大小與焦距、管伸出長度、焊縫焊趾直徑尺寸有關(guān),影像在底片最外側(cè)，當(dāng)補償器設(shè)計不合理或透照參數(shù)選擇不正確時，底片中可能不會顯示影像或影像較淡不易識別(見圖5)。

圖5 焊縫外邊緣影像

2.2.2 缺陷影像尺寸計算分析

焊縫中的缺陷在底片中存在放大特性(見圖6)，對于自身高度較小的平面缺陷放大比例按照式(6)進行計算；缺陷影像放大因素僅與焦距及缺陷距管端面距離有關(guān)，與缺陷及換熱管規(guī)格等均無關(guān)。

圖6 平面缺陷底片成像放大圖

X1=F(d+s+L)/(F-h)

(5)

X2=F(d+s)/(F-h)

(6)

放大比例為

(7)

3 典型缺陷顯像對比分析

3.1 氣孔顯像

氣孔的影像特征輪廓比較圓滑，黑度中心大，邊緣稍淡。氣孔缺陷沿透照方向尺寸越大，氣孔影像黑度越大(易形成貫穿)，對于換熱管與管板危害性就越大。

(1) 單個氣孔缺陷：缺陷影像可以出現(xiàn)在棒陽極射線底片的任何位置。當(dāng)氣孔缺陷影像靠近底片焊腳頂部影像時，多數(shù)缺陷深度較淺，缺陷位置靠近管外壁(見圖7)；當(dāng)氣孔缺陷影像靠近底片根部熔合線影像時，多數(shù)缺陷深度較深、靠近焊縫根部(見圖8)。對在換熱管與管板角焊縫位置的單個氣孔缺陷進行初步判斷，不能夠完全準(zhǔn)確定位缺陷深度。

圖7 內(nèi)側(cè)氣孔缺陷影像

圖8 根部氣孔缺陷影像

(2) 密集型氣孔缺陷：缺陷影像在棒陽極射線底片中較為明顯，分布較為密集，數(shù)量較多，尺寸大小不等，多數(shù)尺寸較小。密集型氣孔分布主要有兩種：一種為單層焊接缺陷投影產(chǎn)生，一種為多層焊接缺陷疊加投影產(chǎn)生。剖析焊縫密集型氣孔缺陷：密集型氣孔分布較為復(fù)雜，每次剖析僅能發(fā)現(xiàn)幾個缺陷，無法顯示全部缺陷(見圖9)。

圖9 密集型氣孔影像

(3) 根部鏈狀氣孔缺陷：缺陷影像在棒陽極射線底片中主要分布在焊縫根部影像處，沿根部影像分布，伴有未焊透或未熔合。剖析鏈狀氣孔缺陷，多數(shù)氣孔影像實物為根部間斷的未焊透并伴有雜質(zhì)或氣孔，寬度為換熱管與管板間隙，尺寸較小，具有一定的自身高度(見圖10)。底片根部鏈狀氣孔缺陷在換熱管與管板角焊縫深度位置可以準(zhǔn)確判斷。

圖10 根部鏈狀氣孔影像

3.2 夾渣和夾鎢顯像

夾渣在底片中的影像可以出現(xiàn)在任何位置，其特征是黑塊和黑條，形狀不規(guī)則，黑度變化無規(guī)律，輪廓不圓滑，有的帶棱角；夾鎢在底片中的影像主要出現(xiàn)在坡口位置或起弧處，呈現(xiàn)白色亮點，形狀不規(guī)則，輪廓清晰，大多數(shù)以單個形式出現(xiàn)，少數(shù)以彌散狀態(tài)出現(xiàn)，焊縫夾鎢缺陷較難識別。

3.3 未熔合和未焊透顯像

(1) 根部未熔合和根部未焊透：缺陷影像出現(xiàn)在棒陽極射線底片的焊縫根部影像處，根部未熔合與未焊透往往同時存在。兩者區(qū)別在于：未焊透影像的寬度相對較小，影像輪廓兩側(cè)或單側(cè)較為整齊，沿焊縫局部根部或整圈根部分布常伴有點狀缺陷；未熔合是一種面狀缺陷，缺陷影像起于焊縫根部影像處向內(nèi)圈延伸，有一定的寬度，形狀不規(guī)則，而且黑度邊緣較淡，其影像特征是不規(guī)則形狀的弧形黑片。實際剖析焊縫根部未熔合缺陷，起初缺陷較細小，類似裂紋，繼續(xù)剖析時，缺陷尺寸逐步變大，直至到達焊縫根部(見圖11)。

圖11 根部未熔合影像

(2) 坡口未熔合：分管板坡口未熔合和管壁未熔合。管板坡口未熔合缺陷位于底片焊縫根部影像與焊縫外邊緣影像之間，成不規(guī)則的片狀或弧狀條，黑度不均勻，在底片中相對難于辨別，需底片拍攝質(zhì)量較高；管壁未熔合缺陷位于焊縫根部影像與焊腳頂端影像之間，成不規(guī)則的片狀或弧狀條，黑度不均勻，在底片中與表面缺陷易混判，缺陷評定時需進行實物對照。剖析換熱管與管板角焊縫坡口未熔合缺陷，坡口未熔合具有一定的自身高度,且尺寸較大，相對較明顯，易發(fā)現(xiàn)，多數(shù)內(nèi)部伴有其他缺陷(見圖12)。

圖12 坡口未熔合影像

(3) 層間未熔合：影像特征是黑度不大的片狀影像，多含氣體，邊緣圓滑，有時伴有夾渣，形狀不規(guī)則，夾渣部位黑度較大。層間未熔合與分層缺陷相似，在射線透照方向上透照厚度差較小，一般在射線照相檢測中缺陷影像較難識別。這種缺陷在換熱管與管板角焊縫施焊中產(chǎn)生的幾率較小。

3.4 裂紋顯像

換熱管與管板角焊縫裂紋缺陷一般在制造過程中出現(xiàn)較少，多數(shù)在表面收弧部位產(chǎn)生表面裂紋。設(shè)備使用時，換熱管與管板焊縫結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，而且多數(shù)介質(zhì)具有腐蝕性，焊縫內(nèi)部缺陷有可能擴展為裂紋。底片上裂紋的典型影像是輪廓分明的黑線和黑絲，黑線有微小鋸齒，有分叉，端部尖細，有絲狀陰影延伸；裂紋方向多數(shù)與焊縫垂直或接近垂直，可能出現(xiàn)在底片任何位置。剖析焊縫裂紋缺陷，裂紋細如發(fā)絲,肉眼難以發(fā)現(xiàn)，方向大多數(shù)與焊縫近似垂直(見圖13)，有時伴有氣孔(見圖14)、未熔合等缺陷。

圖13 裂紋圖像

圖14 裂紋伴有氣孔圖像

3.5 換熱管內(nèi)壁燒穿顯像

換熱管內(nèi)壁燒穿的形貌多為不規(guī)則的圓形，中心黑度大而不均勻，輪廓欠清晰，尺寸較大，多數(shù)靠近底片焊角頂端影像，與焊縫中的圓形缺陷易混淆(見圖15)。

圖15 管內(nèi)壁燒穿缺陷影像

3.6 表面缺陷顯像

表面裂紋、氣孔的影像特征與內(nèi)部裂紋、氣孔影像相類似。換熱管端部損傷燒損缺陷影像形狀多為不規(guī)則，而且黑度較大。焊縫尺寸不符合要求，易在氬弧焊收弧區(qū)產(chǎn)生，局部凸起影像在底片焊縫影像中較淡，局部凹坑的影像較黑，形狀不規(guī)則而且面積較大。焊腳端部咬邊在底片焊腳端部影像中靠近管壁側(cè)，呈現(xiàn)出粗短半弧狀的黑色條狀影像(見圖16)。

圖16 焊腳端部咬邊影像

4 結(jié)語

不同于常規(guī)射線檢測的特點，棒陽極射線檢測采用向后透照，其影像大小與焦距、換熱管伸出長度、坡口深度及缺陷在焊縫中的位置等有關(guān)，且一般放大倍數(shù)較常規(guī)平板對接射線檢測的大；換熱管內(nèi)部燒損和端部形狀缺陷是此結(jié)構(gòu)焊縫的特有缺陷，其他如氣孔、未熔合、未焊透和裂紋等也有其不同于常規(guī)對接焊縫的特點，且針對此焊縫來說不易發(fā)現(xiàn)，有較大危害。