壓力容器焊接缺陷磁記憶信號特點

陳健飛，李克鵬，劉海波，王安泉，周先軍，徐忠文

（1.勝利油田技術檢測中心特檢所，東營 257000；2.中國石油大學（華東）機電工程學院，青島 266580）

金屬磁記憶檢測技術［1］是近年來興起的一種新的無損檢測方法，可檢測受載鐵磁構件缺陷產生前的局部應力集中，為缺陷的預診斷及壽命預測提供依據，進而保障構件的安全，能夠對鐵磁構件進行早期診斷的無損檢測方法［2－4］。鐵磁工件受工作載荷的作用，其殘余磁性會發生改變和重新分布，在應力與變形集中區形成最大的漏磁場（Hp）的變化，漏磁場切向分量Hp（x）具有最大值，法向分量Hp（y）改變符號且具有零值點。通過對漏磁場場強及其梯度的測定，可以確定工件的應力集中區及應力集中程度，有利于及時檢測與預防構件缺陷［1，5］。目前，有關缺陷應力集中磁記憶檢測方面的研究，大多集中在單向應力狀態定性的研究上［6－9］，復合應力狀態下的磁記憶檢測特征信號的對比與缺陷的定性還有待于進一步研究。筆者主要針對壓力容器未知缺陷進行磁記憶檢測以分析確定缺陷類型，并采用X 射線檢測加以驗證；然后，對壓力容器進行壓力試驗，分析對比破壞后缺陷處的磁記憶檢測信號，以確定缺陷處磁記憶檢測信號特點及復合應力作用下缺陷磁場變化規律。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

基于壓力容器設計標準GB150.1～GB150.4－2011，材料選擇20g鋼（20g材質的鋼材屬優質碳素結構鋼，是鍋爐用材質，抗拉強度為410 MPa，屈服極限230～250MPa），設計長度1200mm、直徑400mm、厚度4mm 的含兩道縱焊縫、三道環焊縫橢圓封頭壓力容器；其在罐體與橢圓封頭上含有未知缺陷。

1.2 檢測方法

壓力容器設計加工完成后，采用X 射線檢測確定未知缺陷類型與分布，壓力容器上缺陷分布如圖1所示；采用俄羅斯動力診斷公司生產的TSC－4M－16型應力集中磁記憶檢測儀進行檢測，該議器采用金屬磁記憶法檢測結構應力－變形狀態，配有專用16通道鐵磁探測式傳感器，能夠根據檢測得到的磁場法向分量強度值和變化特性，對結構應力－變形狀態進行評價［10］。

圖1 容器開裂位置

2 試驗數據分析

分析容器上缺陷位置處磁記憶信號特點，以確定缺陷類型，并利用X 射線檢測驗證通過磁記憶檢測確定的缺陷類型的準確性。水壓試驗后利用磁記憶檢測技術分析缺陷在復合應力下的磁記憶信號特點與擴展狀況，容器開裂位置如圖1所示。

2.1 缺陷磁記憶信號特征分析

分析壓力容器上不同缺陷位置處的磁記憶信號分布特點，以確定缺陷類型（圖2），前期拉伸試驗確定20g磁場梯度預警值Ky＝6.5A·m－1·mm－1。由圖2可見，夾渣未熔合處磁場強度波動不大，波寬較小，磁場強度峰值Hp＝40A·m－1、磁場強度波寬ΔX＝10mm；磁場梯度超過預警值并超過噪聲信號值Kz（0.5A·m－1·mm－1）的4倍，即K＝10.5A·m－1·mm－1。密孔未熔合處磁場強度呈現窄瘦尖銳型波峰，磁場強度峰值、梯度值較夾渣未熔合缺陷提升較大，磁場梯度超過預警值與噪聲信號值Kz（1.0A·m－1·mm－1）的4倍，即Hp＝126A·m－1、ΔX＝8mm、K＝10.5A·m－1·mm－1。未焊透缺陷處磁場強度出現明顯波動伴有零星過零點，波寬較大，波寬范圍內磁場梯度值較大超過磁場強度預警值6倍與噪聲信號值Kz（2.0A·m－1·mm－1）的4倍，即Hp＝120 A·m－1、ΔX＝80 mm、K＝42A·m－1·mm－1，說明未焊透缺陷應力集中較明顯。局部減薄缺陷處磁場強度呈現波峰，波峰寬度與缺陷尺寸幾乎相同，Hp＝120A·m－1、ΔX＝10mm（約等于壓力容器內壁預制減薄缺陷的直徑），缺陷邊緣位置出現過零點，磁場梯度在缺陷范圍內出現極值，超過預警值與噪聲信號值Kz（2.0 A·m－1·mm－1）的4 倍，K＝18A·m－1·mm－1。

圖2 水壓試驗前不同缺陷位置處的磁記憶信號特征

利用X 射線檢測結果驗證磁記憶方法確定缺陷類型的有效性，磁記憶檢測儀檢測位置的X 射線檢測結果如圖3所示。由圖可知，X 射線結果與磁記憶信號分析焊縫缺陷類型基本相符，說明磁記憶檢測結果具有一定的有效性。

圖3 水壓試驗前不同缺陷的X 射線檢測結果

2.2 水壓試驗后缺陷特征分析

水壓試驗過程中壓力容器沿A2縱焊縫開裂，開裂后對其它焊縫缺陷位置進行磁記憶檢測，分析復合應力作用下，缺陷位置的磁記憶特征變化。

圖4 水壓試驗后容器（開裂）不同缺陷位置處的磁記憶信號特征

焊接過程中焊縫上產生殘余應力而導致應力集中現象，缺陷位置處應力集中更為明顯，所以焊縫上磁記憶信號明顯，噪聲信號值較高，缺陷位置磁記憶特征明顯；水壓試驗壓力容器開裂，部分焊縫在復合應力作用下達到屈服極限，焊縫上殘余應力得到釋放，應力集中程度相對降低，噪聲信號值減小。對比水壓試驗前后壓力容器缺陷位置磁記憶特征分布圖可發現，水壓試驗后焊縫上磁記憶特征信號較為平緩，磁場強度與磁場梯度都有所減小，磁場梯度值出現峰值部分缺陷處未超過預警值，但磁場強度特征表象同樣明顯。如圖4（a）所示，夾渣未熔合處磁場強度與磁場梯度出現峰值，峰值強度HPf＝24A·mm－1＞4HPp（普通強度）、ΔX＝20mm＝2ΔXp（普通磁場強度波形寬度），K＝2.5 A·m－1·mm－1＞4Kz（Kz＝0.5A·m－1·mm－1）。如圖4（b）所示，密孔未熔合處仍然為窄瘦型波峰，＝75 A·mm－1＞3，ΔX＝8mm＝ΔXp，磁場強度大于預警值與噪聲值的10倍，K＝13.5A·m－1·mm－1＞Ky＞10Kz（Kz＝0.5A·m－1·mm－1），出現此種現象可能是密孔未熔合處在復合應力作用下內部發生撕裂形成微觀裂紋，故推測可能出現局部裂紋缺陷。如圖4（c）所示，未焊透區域磁場強度出現平整型波峰，強度峰值高于普通信號的9倍，波寬明顯大于其它類型缺陷，HPf＝100 A·mm－1＞10HPp，ΔX＝100mm＝10ΔXp；復合應力作用下可能使未焊透位置材料達到強度極限從而出現明顯裂縫，使應力集中得到釋放，所以此位置的磁場梯度值較小，與噪聲信號幾乎相同，K＝Kz＝1A·m－1·mm－1，打磨此焊縫位置發現宏觀裂紋。如圖4（d）所示，局部減薄缺陷位置處信號出現光滑波峰，由于局部減薄位置出現變形使應力集中釋放，所以磁場強度峰值大幅度降低，波峰寬度仍然與減薄尺寸相同，缺陷區域內磁場梯度值低于預警值但仍高于噪聲信號值Kz的4倍，HP＝5A·mm－1、ΔX＝10mm（約等于壓力容器內壁預制減薄缺陷的直徑）、K＝2A·m－1·mm－1＞4Kz（Kz＝0.4A·m－1·mm－1）。

對比水壓試驗前后焊縫缺陷磁記憶檢測結果，發現未焊透區域對特征波形寬度敏感，這是由于未焊透屬面狀缺陷，對應力集中敏感，對強度、疲勞等性能影響較大，而使波形寬度變化明顯；隨缺陷增大焊縫受損程度加大，當達到材料強度極限時未焊透缺陷出現裂紋，使應力集中釋放漏磁場梯度變化不明顯，而使波形寬度變化明顯。夾渣缺陷屬體積缺陷，焊縫表面受損甚小，由于沒有出現明顯縫隙，焊縫未熔合缺陷應力集中更加強烈，使磁場梯度明顯增大，所以未熔合對磁場梯度較為敏感。基于兩種焊縫缺陷對磁記憶信號特征敏感性不同，分析壓力容器上不同缺陷特點：未熔合缺陷對磁場梯度較為敏感，梯度值高于預警值與噪聲信號值的4倍，磁場強度曲線出現窄瘦型波峰，波峰寬度與普通信號相差不大；未焊透缺陷對磁場強度較為敏感，磁場強度波寬高于普通信號的3倍以上，大部分的磁場梯度值超過預警值與噪聲信號值的4倍；局部減薄缺陷處磁場強度出現明顯波峰，波寬與缺陷大小幾乎相同，磁場梯度超過預警值與噪聲信號值的4倍。

復合應力作用后焊縫上的殘余應力得到釋放，大部分焊縫磁場梯度低于預警值，無缺陷位置磁場強度相對平穩，而缺陷位置磁場強度仍表象明顯；所以，缺陷位置仍存在相對應力集中，復合應力作用后不能只運用磁場梯度判斷應力集中，而應綜合磁場強度分布特點判斷壓力容器上的缺陷位置與類型。

3 結語

通過磁記憶檢測，分析壓力容器上未熔合、未焊透、局部減薄三種缺陷的磁記憶信號分布特點，并利用X射線檢測進行驗證，表明通過分析磁記憶信號特征對三種缺陷類型進行定性分析有一定的有效性。水壓壓裂試驗后，壓力容器焊縫殘余應力得到釋放，焊縫及缺陷位置磁記憶檢測信號有所減弱，但通過分析水壓試驗后壓力容器缺陷位置磁記憶檢測信號，可判斷部分焊縫缺陷位置出現宏觀裂紋擴展缺陷。

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