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)

低合金高強度鋼壓力容器廣泛用于煉油，化工，能源等行業。受服役環境溫度、壓力、介質等因素影響，壓力容器存在泄漏和爆炸風險。壓力容器一旦出現上述風險，會造成火災、中毒、環境污染等事故，嚴重影響人的生命安全[1-3]。國家、行業標準對該類鋼制壓力容器的制造和使用都有嚴格的要求。

在低合金高強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行無損探傷，并對鋼板表面及內部缺陷進行修復。在實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GB 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標準，某公司采用26 mm厚Q345R鋼板來制壓力容器，在產品監督檢驗過程中，采用CTS-30A型超聲波測厚儀測得其筒節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部缺陷。采用友聯PXUT-350型全數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行缺陷檢測，未發現明顯內部缺陷，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行復測，發現在鋼板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，筆者通過化學成分分析、力學性能試驗和顯微組織觀察等方法，對壓力容器超聲測厚異常部位進行檢測，以期為提高鋼板類似內部缺陷的檢出率提供參考依據。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

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成分。由表1可見，各元素含量均符合GB 713-2014標準對Q345R鋼的技術要求。

表1 壓力容器超聲測厚異常部位的化學成分

1.2 力學性能試驗

壓力容器厚度為26 mm，滿足GB 713-2014標準要求(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，進行力學性能試驗。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性能均符合GB 713-2014標準對Q345R鋼的技術要求。

表2 壓力容器超聲測厚異常部位的力學性能

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，經打磨、拋光后，用4%(質量分數)硝酸酒精浸蝕，采用蔡司臺式光學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標準要求的下限值，材料的力學性能即可滿足標準要求。過高的錳含量能使材料的強度提高、塑性降低，同時,鑄坯在凝固過程中，錳元素極易向心部富集，導致鋼板厚度方向中心位置處出現大量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性，當受到外力或熱加工過程中的溫度應力作用時，在MnS夾雜物或過冷組織與鐵素體界面處會產生應力集中，從而形成微裂紋。因此，對于低合金高強度鋼中的錳含量，在保證材料強度要求的基礎上，適當控制加入量，減少鋼板內部錳偏析造成的組織異常及內部缺陷。

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現有缺陷回波顯示。根據NB/T 47013.3《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》標準中關于承壓設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行檢測。

根據GB 150-2011《壓力容器》標準，在介質毒性為極度或高度危害以及濕H2S環境中，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》標準中規定的方法進行超聲檢測，且質量等級不低于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行超聲探傷，符合NB/T 47013.3-2015標準的技術要求，但并未發現鋼板中心部位的裂紋缺陷。

超聲波探頭(波源)發射的超聲場具有特殊的結構，只有當缺陷位于超聲場內時，才有可能被儀器發現。由于波的干涉，波源附近會出現聲壓極大值和極小值區域，一般稱為近場區。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。波源近場區長度可用式式(1)計算得出。在試驗中，2.5P14-D型單晶直探頭的近場區長度約為20.8 mm，鋼板內部缺陷位于距聲源13.3 mm的近場區范圍內，當掃查速率較快時，易導致該處缺陷漏檢。

(1)

式中：N為近場區長度；Fs為波源面積，Fs=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行復測，該探頭的上盲區長度為5 mm，檢測出了26 mm厚鋼板厚度1/2處的內部缺陷。

根據NB/T 47013.3-2015標準規定，對于承壓特種設備用20～60 mm厚鋼板，可以選擇標稱頻率為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行超聲波探傷。對于20～40 mm厚鋼板，其內部缺陷主要集中在厚度中心區域，此厚度范圍處于單晶直探頭的近場區，易出現內部缺陷漏檢情況。

建議對于厚度為20～40 mm的承壓特種設備用鋼，在NB/T 47013.3-2015超聲檢測標準相關要求的基礎上，應盡量采用雙晶直探頭進行內部缺陷的超聲檢測。

3 結論及建議

(1) 壓力容器超聲測厚異常部位的錳含量偏高，導致其厚度中心位置出現大量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力作用時，在過冷組織內部夾雜物位置處和過冷組織與鐵素體界面處會產生應力集中，從而導致微裂紋的形成,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鋼制壓力容器進行超聲檢測時，鋼板內部中心缺陷位于距聲源13 mm的近場區范圍內，當掃查速率較快時，易導致內部中心缺陷漏檢。改用5P14F10型雙晶直探頭則能夠檢測出內部缺陷。

(3) 對于厚度為20～40 mm的承壓特種設備用鋼，在NB/T 47013.3-2015超聲檢測標準要求的基礎上，建議采用雙晶直探頭進行內部缺陷的超聲檢測，以提高缺陷的檢出率。