某Q345R鋼制壓力容器超聲測厚異常原因

馬 江, 王 峰, 薛永盛, 李 勇

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院, 鄭州 450016)

低合金高強(qiáng)度鋼壓力容器廣泛用于煉油，化工，能源等行業(yè)。受服役環(huán)境溫度、壓力、介質(zhì)等因素影響，壓力容器存在泄漏和爆炸風(fēng)險(xiǎn)。壓力容器一旦出現(xiàn)上述風(fēng)險(xiǎn)，會造成火災(zāi)、中毒、環(huán)境污染等事故，嚴(yán)重影響人的生命安全[1-3]。國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對該類鋼制壓力容器的制造和使用都有嚴(yán)格的要求。

在低合金高強(qiáng)度鋼壓力容器制造過程中，通常采用超聲、射線及磁粉等檢測方法對鋼板及焊縫進(jìn)行無損探傷，并對鋼板表面及內(nèi)部缺陷進(jìn)行修復(fù)。在實(shí)際檢測過程中會存在缺陷漏檢的問題[4]，這會對壓力容器的安全使用造成不利影響。

依據(jù)GB 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)，某公司采用26 mm厚Q345R鋼板來制壓力容器，在產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)過程中，采用CTS-30A型超聲波測厚儀測得其筒節(jié)及球形封頭等位置處鋼板的厚度僅為13 mm左右，推測該批鋼板存在內(nèi)部缺陷。采用友聯(lián)PXUT-350型全數(shù)字智能超聲波探傷儀和2.5P14-D型單晶直探頭對鋼板厚度異常部位進(jìn)行缺陷檢測，未發(fā)現(xiàn)明顯內(nèi)部缺陷，其厚度均與千分尺測得的厚度一致為26 mm。采用5P14F10型超聲波探傷儀配合雙晶直探頭對Q345R鋼板厚度異常位置進(jìn)行復(fù)測，發(fā)現(xiàn)在鋼板1/2厚度處存在明顯缺陷回波。

為了確保壓力容器的安全使用，筆者通過化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)和顯微組織觀察等方法，對壓力容器超聲測厚異常部位進(jìn)行檢測，以期為提高鋼板類似內(nèi)部缺陷的檢出率提供參考依據(jù)。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

在壓力容器超聲測厚異常部位截取試樣，采用牛津火花臺式直讀光譜分析儀測量其化學(xué)成分。由表1可見，各元素含量均符合GB 713-2014標(biāo)準(zhǔn)對Q345R鋼的技術(shù)要求。

表1 壓力容器超聲測厚異常部位的化學(xué)成分

1.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

壓力容器厚度為26 mm，滿足GB 713-2014標(biāo)準(zhǔn)要求(大于16～36 mm)。在壓力容器厚度異常位置處截取拉伸、沖擊及彎曲試樣，進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。表2中D為彎心直徑，a為試樣厚度。由表2可見，該壓力容器超聲測厚異常位置處的力學(xué)性能均符合GB 713-2014標(biāo)準(zhǔn)對Q345R鋼的技術(shù)要求。

表2 壓力容器超聲測厚異常部位的力學(xué)性能

1.3 顯微組織觀察

在壓力容器超聲測厚異常部位截取試樣，經(jīng)打磨、拋光后，用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精浸蝕，采用蔡司臺式光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。由圖1可見：壁1/4厚度處的顯微組織為鐵素體+珠光體，晶粒度為9級，無異常；壁1/2厚度處的顯微組織主要為鐵素體+珠光體，晶粒度為9級，可見多條與珠光體不同的灰色過冷組織，過冷組織中可見片狀MnS夾雜物；壁1/2厚度處的灰色過冷組織內(nèi)部及其與鐵素體邊界處可見多條超過100 μm的微裂紋。

圖1 壓力容器超聲測厚異常部位不同位置處的顯微組織

2 分析與討論

通常情況下，Q345R鋼板中錳元素含量控制在GB 713-2014標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值，材料的力學(xué)性能即可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。過高的錳含量能使材料的強(qiáng)度提高、塑性降低，同時,鑄坯在凝固過程中，錳元素極易向心部富集，導(dǎo)致鋼板厚度方向中心位置處出現(xiàn)大量MnS夾雜物，以及貝氏體、馬氏體等異常過冷組織，這種硬而脆的過冷組織會破壞鋼板的組織連續(xù)性，當(dāng)受到外力或熱加工過程中的溫度應(yīng)力作用時，在MnS夾雜物或過冷組織與鐵素體界面處會產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而形成微裂紋。因此，對于低合金高強(qiáng)度鋼中的錳含量，在保證材料強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，適當(dāng)控制加入量，減少鋼板內(nèi)部錳偏析造成的組織異常及內(nèi)部缺陷。

壓力容器超聲測厚異常部位的顯微組織異常，且沿鋼板軋制方向板厚1/2處存在微裂紋，但使用超聲波探傷儀并未發(fā)現(xiàn)有缺陷回波顯示。根據(jù)NB/T 47013.3《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于承壓設(shè)備用鋼板超聲檢測直探頭的選用要求，對于厚度為20～60 mm的鋼板，可選用單晶直探頭或雙晶直探頭進(jìn)行檢測。

根據(jù)GB 150-2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)，在介質(zhì)毒性為極度或高度危害以及濕H2S環(huán)境中，殼體用鋼板厚度不小于12 mm的壓力容器，需按JB/T 4730.3《JB/T4730.3》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法進(jìn)行超聲檢測，且質(zhì)量等級不低于Ⅱ級。對于該壓力容器厚度異常部位，使用超聲波探傷儀和單晶直探頭進(jìn)行超聲探傷，符合NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，但并未發(fā)現(xiàn)鋼板中心部位的裂紋缺陷。

超聲波探頭(波源)發(fā)射的超聲場具有特殊的結(jié)構(gòu)，只有當(dāng)缺陷位于超聲場內(nèi)時，才有可能被儀器發(fā)現(xiàn)。由于波的干涉，波源附近會出現(xiàn)聲壓極大值和極小值區(qū)域，一般稱為近場區(qū)。由于處于聲壓極小值處的較大缺陷回波可能較低，而處于聲壓極大值處的較小缺陷回波可能較高，這就容易引起誤判，甚至漏檢。波源近場區(qū)長度可用式式(1)計(jì)算得出。在試驗(yàn)中，2.5P14-D型單晶直探頭的近場區(qū)長度約為20.8 mm，鋼板內(nèi)部缺陷位于距聲源13.3 mm的近場區(qū)范圍內(nèi)，當(dāng)掃查速率較快時，易導(dǎo)致該處缺陷漏檢。

(1)

式中：N為近場區(qū)長度；Fs為波源面積，F(xiàn)s=πD2/4(D為波源直徑)；λ為波長。

改用5P14F10型雙晶直探頭對缺陷部位進(jìn)行復(fù)測，該探頭的上盲區(qū)長度為5 mm，檢測出了26 mm厚鋼板厚度1/2處的內(nèi)部缺陷。

根據(jù)NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于承壓特種設(shè)備用20～60 mm厚鋼板，可以選擇標(biāo)稱頻率為2～5 MHz、圓形晶片直徑為φ(10～30 mm)的雙晶直探頭或單晶直探頭進(jìn)行超聲波探傷。對于20～40 mm厚鋼板，其內(nèi)部缺陷主要集中在厚度中心區(qū)域，此厚度范圍處于單晶直探頭的近場區(qū)，易出現(xiàn)內(nèi)部缺陷漏檢情況。

建議對于厚度為20～40 mm的承壓特種設(shè)備用鋼，在NB/T 47013.3-2015超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量采用雙晶直探頭進(jìn)行內(nèi)部缺陷的超聲檢測。

3 結(jié)論及建議

(1) 壓力容器超聲測厚異常部位的錳含量偏高，導(dǎo)致其厚度中心位置出現(xiàn)大量MnS夾雜物和貝氏體、馬氏體等異常過冷組織，在制造過程中，由于受到外力或熱加工過程中溫度應(yīng)力作用時，在過冷組織內(nèi)部夾雜物位置處和過冷組織與鐵素體界面處會產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致微裂紋的形成,使得超聲測厚存在異常。

(2) 采用2.5P14-D型單晶直探頭對26 mm厚Q345R鋼制壓力容器進(jìn)行超聲檢測時，鋼板內(nèi)部中心缺陷位于距聲源13 mm的近場區(qū)范圍內(nèi)，當(dāng)掃查速率較快時，易導(dǎo)致內(nèi)部中心缺陷漏檢。改用5P14F10型雙晶直探頭則能夠檢測出內(nèi)部缺陷。

(3) 對于厚度為20～40 mm的承壓特種設(shè)備用鋼，在NB/T 47013.3-2015超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，建議采用雙晶直探頭進(jìn)行內(nèi)部缺陷的超聲檢測，以提高缺陷的檢出率。