304/Q345R不銹鋼復合板常壓儲罐對接焊縫TOFD檢測

摘要：對304/Q345R不銹鋼復合板常壓儲罐進行了超聲衍射時差法技術研究應用。采用帶有對接焊縫的表面盲區試塊進行直通波盲區測定，對復合板焊接模擬試塊進行檢測，分析比較了基于覆材側和基材側的檢測效果差異性，最后將制定的檢測工藝應用于現場一臺25 000 m3不銹鋼復合板常壓儲罐，檢出埋藏裂紋1條并進行了解剖驗證。結果表明：基于覆材側的TOFD檢測技術可應用于復合板常壓儲罐的開罐內檢測。

關鍵詞：不銹鋼復合板;常壓儲罐;TOFD檢測;工藝驗證

0? ? 前言

不銹鋼復合板制常壓儲罐的內表面為不銹鋼材質，一般稱為覆材，外表面為各種牌號的碳素鋼或低合金鋼，一般稱為基材，通常使用較多的材料組合為304和Q345R。不銹鋼復合板材料的性價比較高，既有不銹鋼的耐腐蝕性能，又有碳鋼良好的機械性能和經濟性[1]。與承壓設備相比，首先，使用單位對常壓儲罐的重視程度不夠，認為其不承壓，所受力很小，安全性較高，而實際上為了充分節約材料，在設計過程中儲罐壁板所受應力已十分接近材料的許用應力，使用過程中的地基沉降和交變疲勞應力等復雜載荷會導致儲罐發生泄漏或破裂;其次，儲罐在制造過程中的現場焊接質量合格率也明顯低于承壓設備，國家法律法規對常壓儲罐的定期檢驗也未作詳細要求。目前，國內儲罐檢驗主要參考標準為SY/T 6620-2014《油罐的檢驗、修理、改建及翻建》[2]和GB/T 30578-2014《常壓儲罐基于風險的檢驗及評價》[3]，均提及到罐壁板焊縫的檢測要求，其中SY/T6620-2014要求采用射線檢測和目視檢查，GB/T 30578-2014要求根據現場條件進行選擇。文中設計了304/Q345R復合板盲區試塊和模擬試塊，探討了復合板的TOFD檢測工藝，并在現場應用于不銹鋼復合板常壓儲罐，檢出埋藏裂紋1條，同時進行了解剖驗證。

1 不銹鋼復合板TOFD檢測技術

不銹鋼復合板在焊接時，由于不銹鋼覆材和低碳鋼基材的物理化學性能存在一定的差異性，屬于異種鋼焊接，焊接難度較大[4]。不銹鋼復合板的焊接接頭組成與普通碳鋼也存在明顯的差異性，其中焊縫金屬是由基層、過渡層、覆層3個區域組成，過渡層的作用是防止或減少焊接過程對焊縫金屬的稀釋作用，首先過渡層屬于異種金屬焊接區，極易產生裂紋，其次焊接殘余應力會使復層表面易產生微裂紋，所以這一部分是決定焊縫質量的關鍵。檢測技術方面：射線檢測不能評定埋藏缺陷的深度，無法得知缺陷是在基層上還是在復層上;普通超聲在復合板內會產生復雜的反射、折射和波形轉換，不易定量缺陷波;而TOFD衍射波對復合板焊接裂紋更為敏感，定位和定量較為準確，采用TOFD檢測具有較高的可行性。

針對不銹鋼復合板焊接接頭的TOFD檢測，NB/T 47013.10-2015《承壓設備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》有相關規定：可以分別從基材側和覆材側進行TOFD檢測，兩種檢測方法的差異性主要體現在綜合盲區大小不同，基材側檢測總體盲區由直通波盲區、過渡層結合信號、復層信號三部分構成;覆材側檢測總體盲區僅為直通波盲區，過渡層結合信號和復層信號淹沒在直通波盲區內[5]，不銹鋼復合板基于覆材側的檢測具有明顯的優勢，可為復合板常壓儲罐開罐內檢測提供一個較好的檢測思路。

2 對比試塊檢測

2.1 表面盲區試塊檢測

2.1.1 試塊設計加工

考慮到不銹鋼復合板對接焊縫處的粗晶不銹鋼組織對聲速的影響，進而會影響直通波盲區大小，若采用NB/T 47013.10-2015的盲區試塊測定會造成誤差偏大，因此設計帶有對接焊縫的復合板表面盲區試塊，包含10個寬度1 mm的矩形槽缺陷，其中焊縫坡口形式選取GB/T 13148-2008《不銹鋼復合鋼板焊接技術要求》中的對接2號X型坡口，試塊原材料來源于某企業不銹鋼復合板在制儲罐，規格為S30408+Q345R（3+22 mm），試塊設計如圖1所示，實物如圖2所示。

由圖1可知，深度為3～10 mm的矩形槽在覆材側，用于測定直通波盲區;深度為1 mm、2 mm的矩形槽在基材側，用于測定焊縫底部中心部位盲區。

2.1.2 表面盲區試塊TOFD檢測

檢測儀器為南通友聯PXUT-920 TOFD檢測儀，頻率5.0 MHz，楔塊角度60.0°，晶片尺寸6.0 mm，PCS=57.0 mm，分別從基材側和覆材側進行非平行掃查，制定的檢測工藝符合NB/T 47013.10-2015關于平板對接接頭的探頭參數推薦值，檢測結果見圖3。

2.1.3 檢測結果分析

根據直通波盲區深度計算公式：

式中 c為材料中縱波聲速;s為探頭中心距的1/2;Tp為直通波脈沖持續時間，一般取1.5個直通波周期。帶入相關數據計算可得覆材側理論直通波盲區為7.13 mm，基材側理論直通波盲區為7.20 mm。

由圖3a可知，覆材側深度為3 mm的矩形槽有微弱的信號，深度4～10 mm的矩形槽信號清晰可見，有明顯的直通波下沉特征，符合上表面開口缺陷典型特征，基材側深度為1 mm、2 mm的矩形也有明顯的衍射波信號，因此在當前工藝下，焊縫底面中心部位盲區≤1 mm，掃查面盲區≤3 mm。由圖3b可知，深度3 mm的矩形槽由于過渡層信號的影響，未檢出，深度4～10 mm矩形槽清晰可見，深度為1 mm、2 mm的矩形槽被直通波信號所淹沒，同樣未檢出，從D掃圖信噪比角度來分析，基于覆材側檢測信噪比明顯高于基材側，實測盲區明顯小于理論盲區。

2.2 焊縫模擬試塊檢測

2.2.1 試塊設計加工

針對不銹鋼復合板對接焊縫容易產生的常見焊接缺陷，設計并加工焊縫模擬試塊，缺陷種類包括根部未焊透、坡口未熔合、坡口夾渣、過渡層裂紋、氣孔，焊接過程參照GB/T 13148-2008《不銹鋼復合鋼板焊接技術要求》進行。模擬試塊設計如圖4所示，實物如圖5所示。

2.2.2 TOFD檢測與結果分析

采用如下檢測工藝：頻率5.0 MHz，楔塊角度為60.0°，晶片尺寸6.0 mm，PCS=57.0 mm，分別基于覆材側和基于基材側進行掃查，掃查結果如圖6所示。

統計并測量圖6a中的缺陷，結果如表1所示。由圖6a和表1可知，整塊試板含有5個缺陷，對于未焊透缺陷，由于所處位置在過渡層結合面處，有過渡層信號干擾，所以定量存在困難，但是TOFD-D掃圖中明顯存在過渡層信號斷裂的特征，其余4個缺陷圖譜清晰，定量準確，但是整個圖譜中雜波信號較多，主要是過渡層信號（圖中黑框位置），還有直通波盲區（圖中白框位置），有效可視區域較?。▓D中綠框位置），若是復合板現場焊接，焊接質量將明顯低于模擬試板，過渡層信號的影響效果會加大，信噪比會進一步下降。

由圖6b可知，5個缺陷均可以檢出（圖中5個紅框），由于試板在加工過程中過渡層焊接厚度較大，對缺陷定量造成了一定的影響，但圖中信噪比明顯高于圖6a，有效可視區域（圖中綠框位置）明顯大于圖6a，若焊接時嚴格控制過渡層厚度，則可進一步擴大有效可視區域，更有利于檢測。

2.2.3 射線檢測驗證

對該模擬試板進行射線檢測，驗證TOFD檢測結果的準確性，RT檢測工藝如表2所示。射線檢測底片結果如圖7所示。

RT檢測結果的統計與分析如表3所示?？梢钥闯觯琑T檢測檢出5個缺陷，缺陷性質較為明顯，缺陷長度與試板加工時設計的長度較為吻合，TOFD檢測長度略小于RT檢測長度，基于覆材側的TOFD測量結果具有較高的準確性。

3 現場應用案例

對1臺在制的25 000 m3不銹鋼復合板常壓儲罐進行TOFD檢測，材質為S30408+Q345R（3+28 mm），檢測部位為第一圈壁板的縱向焊縫，檢測工藝參數為：頻率5.0 MHz、楔塊角度70.0°、晶片尺寸6.0 mm，現場檢測情況見圖8，檢測結果見圖9。

由圖9a可知，基于覆材側檢測，發現典型缺陷兩處，分別為φ1.1 mm氣孔和長度20.4 mm的裂紋，過渡層信號淹沒在直通波信號中，未對整個檢測圖譜造成較大影響。反觀圖9b，檢測也發現典型缺陷兩處，但整個圖譜中存在過渡層信號，由于現場焊接的特殊性，過渡層信號存在上下波動，不是很平整，不利于整個檢測，從檢測圖譜的質量來講，覆材側檢測具有明顯的優勢。針對TOFD檢測所發現的裂紋缺陷進行解剖并做PT驗證，結果如圖10所示。

經打磨后，輔以滲透檢測確認，結果如下：裂紋長度18 mm，打磨深度6 mm，與TOFD檢測結果較為相近。因此，基于覆材側的TOFD檢測工藝具有較高的缺陷檢出率，缺陷定量也較為準確，可應用于不銹鋼復合板常壓儲罐的開罐內檢測。

4 結論

（1）TOFD檢測方法在不銹鋼復合板對接焊縫的檢測中具有較高的可行性，主要體現在衍射波對過渡層焊接裂紋較為敏感，缺陷定位和定量較為準確。

（2）基于覆材側的TOFD檢測方法相比于基材側檢測具有一定的優勢，主要體現在：信噪比高，雜波信號少，有效可視區域大。

（3）現場檢測過渡層和結合面信號由于焊接原因，會產生波浪形圖譜，容易對缺陷定量和定位產生干擾，但現場不銹鋼復合板設備過渡層的焊接厚度通常小于模擬試板，因此過渡層和結合面信號容易淹沒在直通波盲區內，更利于檢測，基于覆材側的檢測優勢更明顯。

參考文獻：

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