低溫絕熱容器異種鋼接頭交流電磁場檢測研究

胡 棟，李成良，孫志鵬

(泰安市特種設備檢驗研究院，山東 泰安 271000)

1 前 言

低溫絕熱壓力容器是儲存低溫液化氣體的重要設備，通常由儲液內容器和維持真空絕熱空間的外殼組成[1]，內容器通常采用低溫韌性良好的奧氏體不銹鋼或低溫合金鋼制成，外殼采用具有良好強度和焊接性的碳鋼低合金鋼，內外間采用多層真空或真空填充物實現(xiàn)絕熱。低溫絕熱壓力容器常見的儲存介質包括液化天然氣、液氫等清潔能源氣體及液氧、液氮、液氬等工業(yè)低溫液化氣體。由于低溫液化氣體介質遇熱急劇膨脹，造成壓力快速升高，因此此類容器一旦發(fā)生事故將產(chǎn)生巨大能量，為經(jīng)濟社會的發(fā)展埋下巨大隱患[2]。

造成低溫絕熱壓力容器失效的主要因素包括開裂失效、真空失效及焊縫泄漏失效[3]，其中內容器接管與外殼連接部位由于采用異種材料焊接，容易產(chǎn)生缺陷[4]。目前，針對部位通常采用滲透法進行檢測，滲透法基于毛細效應，僅對表面開口型缺陷有效，容易漏檢。交流電磁場(ACFM)檢測技術基于電磁感應原理，通過均勻感應電流在缺陷部位的磁場擾動，對缺陷進行定性與定量分析。本文針對低溫絕熱壓力容器異種鋼焊接接頭的結構特點，采用ACFM檢測技術進行檢測研究，并針對模擬試塊進行實驗，討論ACFM檢測技術的可行性。

2 低溫絕熱壓力容器ACFM檢測分析

2.1 低溫絕熱壓力容器異種鋼焊接結構特征

某LNG儲罐異種鋼焊接部位如圖1所示，其內筒接管采用堵板與杜瓦式絕熱套管連接，堵板與杜瓦式絕熱套管采用與內筒介質相同的S 30408材質，外殼為Q 345R，杜瓦式絕熱套管與外殼間采用角焊縫連接，自動焊焊絲牌號為H12 Cr24 Ni13，手工焊焊條采用A 302。由于該焊縫兩側的母材化學成分不同，焊接時會使焊接接頭各區(qū)域的化學成分發(fā)生改變[5]，在母材和焊縫間可能產(chǎn)生碳的擴散遷移，引起熔合線附近熱影響區(qū)的組織和性能變化，在焊接殘余應力的作用下，易產(chǎn)生裂紋及未融合缺陷[6]。

2.2 ACFM檢測原理

如圖1所示，根據(jù)電磁感應原理[7]，對交流電磁場激勵探頭施加交流電后，在工件表面感應出均勻交變電流，在無缺陷或遠離缺陷處，感應磁場未產(chǎn)生較大變化，當從缺陷位置經(jīng)過時，由于缺陷處空間不連續(xù)導致的電阻率變化，感應電流從缺陷的兩邊和底部(對開口型缺陷)或頂部(對近表面非開口型缺陷)繞過，引起表面磁場擾動。

將空間磁場在笛卡爾坐標系中分解，可以得到磁通密度在三個維度上的分量，其中平行于電流方向的分量為By，沿表面垂直于電流方向的分量為Bx，垂直于工件表面的分量為Bz，在缺陷部位，電流發(fā)生繞行，流經(jīng)缺陷的電流密度減小，感應磁場的磁通密度將出現(xiàn)極小(表面開口型)或極大值(非表面開口型)，故Bx會以單谷或單峰形式出現(xiàn)，而流經(jīng)缺陷兩端的電流密度增大，因此缺陷兩端的磁通密度將處于極大值，根據(jù)右手定則，缺陷兩端點的相位會發(fā)生180°的變化，因此Bz會以類似正弦信號的形式出現(xiàn)，By的數(shù)量級較小，在不需要特殊處理下，可不用于缺陷的判定。

2.3 ACFM缺陷檢測模型

缺陷引起的電磁場擾動包含檢測電流感應的矢量勢函數(shù)A0(X,Y,Z)和缺陷引起的電場擾動感應的矢量勢函數(shù)AP(X,Y,Z)兩部分：

A(X,Y,Z)=A0(X,Y,Z)+AP(X,Y,Z)

(1)

A0(X,Y,Z)和AP(X,Y,Z)均滿足Laplace方程[8]：

(2)

式中，A0(X,Y,Z)滿足無缺陷時的邊界條件：

(3)

式中，AP(X,Y,Z)滿足含缺陷狀態(tài)的邊界條件：

(4)

式中，c為缺陷寬度。

3 實驗與分析

3.1 ACFM檢測設備

實驗設備采用LKACFM-X1型智能交流電磁場檢測儀，該設備基于Windows系統(tǒng)設計，支持16通道檢測，檢測靈敏度可達3 mm，涂層穿透厚度可達10 mm。探頭采用角焊縫定制探頭，探頭激勵頻率為1 kHz，橫向分辨率可達1 mm。

3.2 低溫絕熱壓力容器異種鋼接頭模擬試塊

參照圖1加工含不同類型缺陷的異種鋼接頭模擬試塊，接管公稱直徑為DN 100，材質為S 30408，殼體采用Q 345R，厚度為6 mm，接頭采用A302焊條手工焊焊接，焊縫寬度為8 mm，在熔合區(qū)附近背面加工兩處刻槽，模擬未融合及裂紋缺陷，刻槽深度為1 mm，寬度為0.5 mm，長度分別為3 mm和5 mm，在焊縫表面沿中心線加工3處鉆孔，模擬氣孔缺陷，孔徑為Φ3 mm，孔深分別為0.5 mm，1 mm和2 mm。

3.3 檢測實驗及分析

采用時基掃描方式對模擬進行檢測實驗，分別沿焊縫融合線及中心進行檢測，結果見圖2、3。

圖2為沿融合線掃查時的檢測結果，其中a為Bx檢測分量，b為Bz檢測分量，圖中橫坐標為距離，單位為mm；縱坐標為磁感應強度，單位為T。無缺陷擾動時，Bx基值約3540 T，Bz基值約11 950 T，Bx分量中3 mm缺陷引起的磁感應強度畸變量約為30 T，5 mm缺陷引起的畸變量約為90 T，Bz分量中3 mm缺陷引起的磁感應強度畸變量約為50 T，5 mm缺陷引起的畸變量約為225 T。根據(jù)Bx檢測分量特征可知，當檢測表面非開口型缺陷時，Bx不隨缺陷深度增加而降低，反而呈現(xiàn)升高特征，原因是缺陷引起電流從缺陷上方繞過，造成缺陷部位的磁感應強度增大。

a.Bx分量

圖3為沿焊縫中心掃查時的檢測結果，a為Bx檢測分量，b為Bz檢測分量，Bx分量中0.5 mm和1 mm深鉆孔引起的畸變量特征不明顯，2 mm深鉆孔引起的畸變量約為17 T，Bz分量中0.5 mm、1 mm和2 mm深鉆孔引起的畸變量約20 T，60 T和80 T，且具有較高的信噪比。

對比圖2和圖3檢測結果，圓形缺陷引起的磁感應強度變化低于條形缺陷，但由于電流的集膚效應，開口型缺陷的信噪比較高。

a.Bx分量

4 結束語

理論分析及檢測實驗表明，ACFM檢測技術能夠適用于低溫絕熱壓力容器異種鋼焊接接頭檢測，針對圓形及裂紋、未融合等缺陷，都具有較高的靈敏度，且能夠有效檢出表面非開口型缺陷，對非導磁性材料具有較好的適應性，但隨非開口型缺陷埋藏深度的增加，ACFM的靈敏度及信噪比都會有所降低，所以針對厚壁接頭檢測時，應進行合理的靈敏度校驗并嚴格控制檢測工藝，當工藝不能滿足靈敏度要求時，應采用其他檢測技術如超聲相控陣等對根部或近根部進行檢測。