爆炸復合板壓力容器徑向裂紋的檢測及安全性分析

侯仰博

（菏澤市產品檢驗檢測研究院，山東菏澤 274032）

1 無損檢測

復合板采取爆炸焊接的方式焊接后，其焊縫的結合位置容易產生裂紋、空洞等問題，而長期的使用則會致使上述問題不斷發展，進而導致材料斷裂，因此對于復合板壓力容器開展無損檢測非常重要。通過運用直探頭、斜探頭和超聲波衍射時差法開展對復合板壓力容器的檢測，并使用切割的方法來對比上述方法的檢出能力。

1.1 直探頭

利用直探頭開展無損檢測顯示，波底的回波旁邊顯示振幅低下的一個回波，而此現象容易被忽視，是因為檢測時的直探頭發射聲束和徑向裂紋呈現平行的狀態，導致回波面小，容易被漏檢。

1.2 超聲波衍射時差法

超聲波衍射時差法檢測復合板的交界位置顯示有明顯的回波，因此也無法有效檢測出復合板交界位置面的徑向裂紋，此是因為不銹鋼的粗晶粒有回波出現而對徑向裂紋的回波加以覆蓋，進而導致超聲波衍射時差法無法檢測出徑向裂紋。另外，不銹鋼的焊縫超聲波衍射時差法檢測時，其信號強烈地衰減、散射和扭曲，由此容易導致超聲波衍射時差法檢測徑向裂紋不靈敏，進而容易漏檢。

1.3 斜探頭

運用斜探頭無損檢測時的結果顯示，能夠清晰顯出復合板存在的裂紋，并且裂紋表現的回波面大，較為容易檢測出裂紋，此多是因為斜探頭檢測時的發射聲束和裂紋有一定的角度，進而產生回波面較大。

2 理化分析

2.1 化學成分

通過對復合板容器基層和覆層開展采集試樣，然后對其成分進行分析。表1 為S31603、Q345R 的化學成分，顯示各種元素均達到GB/T 24511—2017《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》和GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》的技術標準要求。

表1 S31603 和Q345R 的化學成分（質量分數） %

2.2 力學性能分析

為分析爆炸焊接的復合板失效的相關機理而對其開展力學測試，通過采取復合板的試樣開展拉伸、0 ℃沖擊吸收功、布氏硬度的試驗，最終得出表2 的結果，并確定各項力學性能達到標準。

表2 S31603 和Q345R 的力學性能

2.3 微觀結構

2.3.1 結合界面形貌

利用掃描電鏡對復合板的結合界面檢測顯示，在不銹鋼和低合金鋼的交界位置產生特有正弦波紋，并且波狀結合的界面十分明顯，波形長500 μm、高200 μm，并且位于界面結合位置的周邊金屬晶粒呈現細小的扁平狀。表明爆炸焊接時，兩側金屬受到周期性波及切向力的共同作用，界面周圍金屬層產生較大的塑性變化，致使晶粒細化且呈扁平狀。

2.3.2 界面擴散

為分析復合板界面位置元素擴散的實際情況，選定圖1 的A點、B 點和C 點，針對結合面的微區開展能譜分析，進而掌握結合界面位置Fe、C、Cr、Ni、Mo 分布的實際情況。結果顯示不銹鋼至低合金鋼的方向（即圖1中A 點至B 點），Fe、C、Cr、Ni、Mo 的含量均出現較大的變化，Cr、Ni、Mo 從不銹鋼向低合金鋼進一步擴散，而Fe、C 則從低合金鋼向不銹鋼進一步擴散。即在焊接時，界面位置的不銹鋼側元素逐步擴散至低合金鋼側，而S31603 冷軋處理時容易誘發α′馬氏體，并且在爆炸焊接復合時的結合界面出現α′馬氏體轉變和增加，進而對結合界面硬度和沖擊韌性和抗拉等性能造成不利的影響。再加上爆炸沖擊波的作用容易造成空洞和裂紋等缺陷問題，進一步對復合板強度造成嚴重影響。

圖1 結合界面能譜分析特征點

2.3.3 結合界面裂紋、空洞和熔融組織

根據掃描電鏡對裂紋、空洞和熔融組織觀察的形貌顯示，結合界裂紋于結合界面順45°方向起裂，并逐步擴展至Q345R 方向，進而呈現出非常明顯的方向性。此主要受焊接工藝的影響而導致結合界面位置出現方向性裂紋，并且還可看到在界面和裂紋的位置存在金屬的顆粒和空洞，且不連續，并將其稱作松散的顆粒結晶組織。其主要是由于在復合板和覆層空隙中有氣體的存在，進而在焊接時被卷入，一部分分散于結晶顆粒中，抑制凝固金屬的生長，由此形成松散的結晶狀態，又或生成金屬顆粒。同時在結合界面位置還有微小的裂紋，并且和結合界面呈45°，此是在焊接后由絕熱剪切線發展而來的微裂紋，絕熱剪切線同樣是由爆炸焊接形成的。在裂紋位置存在較多的熔融的金屬組織，此是因為爆炸時導致基層與覆層產生激烈的碰撞而出現塑性變形，產生射流，射流運動的速度快，并且其還要受到基板和覆板的壓力作用，因此產生較大的摩擦力，進一步制造大量的熱，由此導致金屬局部的熔化，最終形成了熔融物。

而裂紋、空洞和熔融組織的存在，將對結合界面造成一定的影響，特別是強度，進而對質量和安全造成嚴重的影響。

3 安全性能分析

3.1 有限元模型

通過使用ANSYS 有限元軟件構建復合板壓力容器的模型。S31603 彈性模量E2=1.94×105MPa，泊松比μ2=0.3；Q34SR 彈性模量E1=1.94×105MPa，泊松比μ1=0.34。復合板的厚度為4 mm，基層的厚度為60 mm。為研究裂紋影響，在復合板的結合界面中心位置預制4 mm×0.3 mm×20 mm 大小的徑向裂紋。本次采取模型1/4 作為研究對象，圖2 為有限元模型。

圖2 復合板有限元模型

3.2 結果分析

當容器內壓為1 MPa時，含裂紋和不含裂紋受到內壓作用，其內壁應力高出外壁，而含裂紋的容器在同一內壓下，其最大應力是不含裂紋容器的2.62 倍。并且，含裂紋的容器應力最大值在裂紋的尖端位置，測值為39.66 MPa。為計算裂紋導致的應力集中系數，通過選擇不含裂紋的容器在同位置取一節點（等效應力值=15.03 MPa），得出含裂紋容器應力的集中系數2.64，表明在裂紋尖端出現較大的應力集中，即容器存在裂紋則會影響復合板壓力容器的安全使用。

4 結論

通過運用不同的無損檢測方法對S31603+Q345R 爆炸焊接的復合板壓力容器檢測，其中直探頭和斜探頭容易漏檢，而超聲波衍射時差法則能更準確地對缺陷檢測。通過掃描電鏡的觀察表明，復合板存在裂紋及空洞等缺陷，容易導致復合板的強度下降，進而促使復合板壓力容器存在一定的安全隱患，所以需要加強對其的檢測力度，進一步確保使用的安全。