壓力容器不銹鋼復合層焊縫中復合層對超聲波檢測的影響

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(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

金屬壓力容器經過多年的研究與應用已成為高可靠的工程結構，由于復合層材料技術的提高[1]，具有金屬內襯復合層的材料已經廣泛用于航空航天、石油化工等領域[2]，復合層焊縫在制造過程中產生的缺陷與損傷是此類壓力容器失效的主要原因[3]，因此采用合理的檢測工藝保證制造過程中的不銹鋼復合層焊縫的質量是該類壓力容器制造的關鍵。筆者主要介紹金屬內襯壓力容器不銹鋼復合層焊縫的超聲波檢測技術。

1 檢測對象

文章涉及的不銹鋼復合層材料的壓力容器為伴生氣接收器容器，設計厚度為50+4 mm，容器材料為Q345R+S31603，筒體內徑為2 400 mm，筒體對接焊縫要求100%射線檢測+20%超聲波檢測，完成檢測后再進行不銹鋼復合層的焊接，筒體復合層為爆炸焊貼合的不銹鋼材料，焊縫位置復合層側采用堆焊工藝進行不銹鋼堆焊。對于復合層基材(Q345R)的超聲波檢測，可以按照NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 第3部分 超聲檢測》標準的要求執行，但是復合層材料對基層檢測的影響尚不清楚，筆者主要研究復合層結構對于超聲波檢測的影響，以便制定合理的檢測工藝。

2 檢測工藝制定

圖1 單面雙側掃查示意

對于復合層結構焊縫的超聲波檢測，根據標準和規范的要求，常規檢測工藝為單面雙側檢測工藝或雙面雙側檢測工藝。當采用單面雙側檢測工藝(見圖1)時，需要采用超聲直射波與一次反射波對碳鋼部分的焊縫進行檢測，方可保證覆蓋完整的焊縫檢測區域，此時需確定復合層對超聲波反射的影響大小；如果對反射波的影響較小，可以通過增加一定的反射損失補償來進行工藝修正；如果影響較大，一次反射后對于缺陷的定位定量將無法進行，則一次反射后的超聲波無法用于缺陷檢測。

當采用雙面雙側掃查工藝(見圖2)時，碳鋼側探頭僅需檢測碳鋼部分焊縫，按常規檢測執行即可，復合層側探頭需要穿透復合層對碳鋼層進行檢測，此時需要考慮復合層對超聲波透射的干擾影響，如果僅僅是回波幅度衰減，可通過增加一定的反射損失補償進行工藝修正，如果影響較大，穿透后對缺陷的定位定量將無法進行，則復合層側超聲波無法用于缺陷檢測。

圖2 雙面雙側掃查示意

3 對比試塊設計與加工

為確定復合層對于超聲波反射及透射的影響，設計不銹鋼復合層結構的對比試塊1塊，試塊材料與容器材料一致，焊接工藝采用與容器相同的焊接工藝，靈敏度孔設計參考NB/T 47013.3-2015標準，采用φ2 mm側鉆孔進行靈敏度校驗。試塊設計如圖3,4所示，在焊縫中心位置，從碳鋼層側算起，分別制作深度為10，20，30，40，50 mm的5個側鉆孔。同時在非焊縫區域，從復合層側算起，分別制作深度為10，20，30，40，50 mm的5個側鉆孔。加工后的試塊實物如圖5所示。

圖3 對比試塊設計圖(俯視圖)

圖4 對比試塊設計圖(焊縫剖面圖)

圖5 加工后的不銹鋼復合層結構超聲檢測對比試塊實物

4 超聲檢測試驗

4.1 儀器及探頭配置

對比試塊加工完成后，進行靈敏度對比試驗。為保證數據的準確及可重復性，須固定儀器設置及探頭配置。儀器設置包含阻尼設置、濾波方式設置、帶寬設置、抑制設置等；探頭配置是指試驗前后采用同一規格探頭，同一對比試驗中探頭的晶片尺寸、頻率等均保持一致，以方便進行比較。試驗采用頻率為2.25 MHz，晶片尺寸(長×寬)為10 mm×10 mm，折射角度為45°，60°常規斜探頭進行數據測量。

4.2 標準反射體DAC曲線制作

為方便進行回波幅度比較，采用NB/T 47013.3標準中的CSK-IIA-2對比試塊(厚度T為110 mm，側鉆孔直徑為2 mm)作為靈敏度基準，使用其進行DAC曲線制作，以此φ2 mm側鉆孔當量為基準當量進行不同深度反射體回波當量的測量。

4.3 表面耦合補償

對比試塊經過機加工后，表面狀態與標準對比試塊CSK-IIA-2的表面狀態基本一致，無需考慮表面補償。

4.4 不銹鋼復合層結構靈敏度對比試驗

不銹鋼復合層結構靈敏度對比試驗包含兩部分，一是復合層對超聲波透射影響的試驗，二是復合層對超聲波反射影響的試驗。

4.4.1 復合層對超聲波透射影響的試驗

如圖6所示，在位置1與位置2處分別采用超聲波探頭對深度為10，20，30，40，50 mm的側鉆孔進行回波幅度測量，45°探頭與60°探頭的測量結果如表1，2所示(表中N表示該位置由于試板尺寸的原因或衰減太大而無法得到檢測數據，下同)，為盡量減少手動操作的誤差，每組數據進行3次測量，取平均值作為最終的結果。

圖6 復合層對超聲波透射影響試驗的操作示意

側鉆孔深度位置1測量結果位置2測量結果第一次第二次第三次平均值第一次第二次第三次平均值10 mm?2 mm-0.8 dB?2 mm-0.6 dB?2 mm-0.6 dB?2 mm-0.7 dB?2 mm-0.8 dB?2 mm-1.0 dB?2 mm-0.8 dB?2 mm-0.9 dB20 mm?2 mm-1.2 dB?2 mm-1.4 dB ?2 mm-1.2 dB?2 mm-1.3 dB?2 mm-1.4 dB?2 mm-1.2 dB?2 mm-1.4 dB?2 mm-1.3 dB30 mm?2 mm-0.4 dB?2 mm-0.6 dB ?2 mm-0.8 dB?2 mm-0.6 dB?2 mm-1.8 dB?2 mm-1.8 dB?2 mm-2.0 dB?2 mm-1.9 dB40 mm?2 mm-0.2 dB?2 mm-0.4 dB ?2 mm-0.0 dB?2 mm-0.2 dB?2 mm-0.0 dB?2 mm-0.2 dB?2 mm-0.0 dB?2 mm-0.1 dB50 mmNNNN?2 mm-0.0 dB?2 mm+0.2 dB?2 mm+0.2 dB?2 mm+0.1 dB

表2 復合層對超聲波透射影響試驗的測量結果(60°探頭)

4.4.2 復合層對超聲波反射影響的試驗

如圖7所示，在位置1分別采用45°，60°超聲波探頭對深度為50，40，30，20，10 mm的側鉆孔進行回波幅度測量，結果如表3所示，同樣為盡量減少手動操作的誤差，每組數據進行3次測量，取平均值作為最終的結果。

表3 超聲波反射測量結果

圖7 復合層對超聲波反射影響試驗的操作示意

5 對比試塊檢測數據分析

檢測數據如表1,2,3所示。由于對比試塊在加工前進行了表面機加工處理，實際厚度有所減薄，深度為50 mm的側鉆孔的開孔位置已經進入了不銹鋼堆焊層，不銹鋼堆焊層對于超聲波的影響遠大于不銹鋼復合層的影響，因此表1～3中鉆孔深度為50 mm時不能得到全部檢測數據。同時，由于試件尺寸的原因，60°探頭無法通過一次反射測量深度為10，20 mm的側鉆孔，因此表3中60°探頭對深度為10，20 mm的側鉆孔的檢測結果為N。

5.1 超聲波透射影響試驗

表4為45°探頭測量時復合層對超聲波透射影響試驗的檢測數據，數據顯示，通過碳鋼直射與通過復合層直射的數據差值最大為1.3 dB,最小為0.1 dB,平均值為0.4 dB。表5為60°探頭測量時復合層對超聲波透射影響試驗的檢測數據，數據顯示，通過碳鋼直射與通過復合層直射的數據差值最大為1.9 dB,最小為0 dB，平均值約為0.6 dB。可見，復合層透射超聲波對超聲檢測基本無影響，因此檢測時可以忽略復合層對透射波的影響。

表4 復合層對超聲波透射影響試驗的

表5 復合層對超聲波透射影響試驗的測量結果(60°探頭)

5.2 復合層對超聲波反射影響的分析

復合層反射以φ2 mm側鉆孔當量靈敏度作為參考，根據表3中的數據可以看出，所有側鉆孔的回波幅度與φ2 mm側鉆孔當量靈敏度的差值在1 dB以內，因此復合層反射對于超聲波檢測的影響也基本可以忽略。這里的復合層僅指采用爆炸焊貼合好的結構，如果貼合出現問題，則其對超聲波檢測的影響會發生變化，這種情況下應另行測定。

6 結論

通過制作不銹鋼復合層材料對比試塊，分析了復合層對超聲波反射及透射的影響，試驗數據表明，貼合完好的復合層結構對于超聲波反射及透射的影響較小，在制定檢測工藝時可不考慮此復合層對超聲波回波幅度的影響，根據焊縫結構形式，可采用雙面雙側檢測工藝或單面雙側檢測工藝對不銹鋼復合層焊縫碳鋼層進行超聲波檢測。