摘 要:在超聲測厚過程中,某 Q345R鋼制壓力容器在多處厚度存在異常,通過化學成分分析、 力學性能試驗和顯微組織觀察等方法,對壓力容器厚度異常部位的內部缺陷進行分析。結果表明: 壓力容器厚度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,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,從而導致微裂紋形成。

關鍵詞:Q345R鋼;壓力容器;夾雜物;微裂紋 

中圖分類號:TG142.1+5                                 文獻標志碼:B                                           文章編號:1001-4012(2022)03-0031-02

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 GB713-2014《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13mm 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26mm。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 GB713-2014標準 對 Q345R鋼的技術要求。

1.2 力學性能試驗 

壓力容器厚度為26mm,滿足 GB713-2014標 準要求(大于16~36mm)。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 GB713-2014標準對 Q345R鋼的技術要求。

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100μm 的微裂紋。 

2 分析與討論

通常情況下,Q345R鋼板中錳元素含量控制在 GB713-2014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/T47013.3《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20~60mm 的鋼板,可選 用單晶直探頭或雙晶直探頭進行檢測。 

根據 GB150-2011《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/T47013.3-2015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20.8mm,鋼板內部缺陷位于距聲源13.3mm 的 近場區范圍內,當掃查速率較快時,易導致該處缺陷 漏檢。 

式中:N 為近場區長度;Fs 為波源面積,Fs=πD 2/4 (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 26mm 厚鋼板厚度1/2處的內部缺陷。

根據 NB/T47013.3-2015標準規定,對于承 壓特種設備用20~60mm 厚鋼板,可以選擇標稱頻 率為2~5MHz、圓形晶片直徑為?(10~30mm)的 雙晶直探頭或單晶直探頭進行超聲波探傷。對于 20~40mm 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20~40mm 的承壓特種設備 用鋼,在 NB/T47013.3-2015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26mm 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13mm 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/T47013.3-2015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。

參考文獻: 

[1] 高冬妹,謝艷玲,宋薇.壓力容器在石油化工生產中實 際使用壽命的分析[J].黑龍江 科 技 信 息,2014(8): 33. 

[2] 姜軍義,蔣悅.淺談壓力容器設計中容易出現的問題 [J].純堿工業,2014(1):47-48. 

[3] 吳宗之.論重大危險源監控與重大事故隱患治理[J]. 中國安全科學學報,2003,13(9):20-23. 

[4] 王麗梅,王興春,AndersenIsak.超聲波檢測橫向缺陷 漏檢案例分析[J].無損探傷,2018,42(1):38-41. 

<文章來源> 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 3期 (pp:31-32)>