摘 要:在超聲測(cè)厚過(guò)程中,某 Q345R鋼制壓力容器在多處厚度存在異常,通過(guò)化學(xué)成分分析、 力學(xué)性能試驗(yàn)和顯微組織觀察等方法,對(duì)壓力容器厚度異常部位的內(nèi)部缺陷進(jìn)行分析。結(jié)果表明: 壓力容器厚度異常部位的錳含量偏高,導(dǎo)致其厚度中心位置出現(xiàn)大量 MnS夾雜物和貝氏體、馬氏 體等異常過(guò)冷組織,在制造過(guò)程中,由于受到外力或熱加工過(guò)程中溫度應(yīng)力作用,在過(guò)冷組織內(nèi)部 夾雜物位置處和過(guò)冷組織與鐵素體界面處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而導(dǎo)致微裂紋形成。

關(guān)鍵詞:Q345R鋼;壓力容器;夾雜物;微裂紋 

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

低合金高強(qiáng)度鋼壓力容器廣泛用于煉油,化工, 能源等行業(yè)。受服役環(huán)境溫度、壓力、介質(zhì)等因素影 響,壓力容器存在泄漏和爆炸風(fēng)險(xiǎn)。壓力容器一旦 出現(xiàn)上述風(fēng)險(xiǎn),會(huì)造成火災(zāi)、中毒、環(huán)境污染等事故, 嚴(yán)重影響人的生命安全[1-3]。國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該類 鋼制壓力容器的制造和使用都有嚴(yán)格的要求。 

在低合金高強(qiáng)度鋼壓力容器制造過(guò)程中,通常 采用超聲、射線及磁粉等檢測(cè)方法對(duì)鋼板及焊縫進(jìn) 行無(wú)損探傷,并對(duì)鋼板表面及內(nèi)部缺陷進(jìn)行修復(fù)。 在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中會(huì)存在缺陷漏檢的問(wèn)題[4],這會(huì) 對(duì)壓力容器的安全使用造成不利影響。 

依據(jù) GB713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標(biāo) 準(zhǔn),某公司采用26 mm 厚 Q345R 鋼板來(lái)制壓力容 器,在產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)過(guò)程中,采用 CTS-30A 型超聲波 測(cè)厚儀測(cè)得其筒節(jié)及球形封頭等位置處鋼板的厚度 僅為13mm 左右,推測(cè)該批鋼板存在內(nèi)部缺陷。采 用友聯(lián) PXUT-350型全數(shù)字智能超聲波 探 傷 儀 和 2.5P14-D型單晶直探頭對(duì)鋼板厚度異常部位進(jìn)行缺 陷檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)明顯內(nèi)部缺陷,其厚度均與千分尺測(cè) 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(duì) Q345R鋼板厚度異常位置進(jìn) 行復(fù)測(cè),發(fā)現(xiàn)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(guò)化學(xué) 成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)和顯微組織觀察等方法,對(duì) 壓力容器超聲測(cè)厚異常部位進(jìn)行檢測(cè),以期為提高 鋼板類似內(nèi)部缺陷的檢出率提供參考依據(jù)。

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 化學(xué)成分分析 

在壓力容器超聲測(cè)厚異常部位截取試樣,采用 牛津火花臺(tái)式直讀光譜分析儀測(cè)量其化學(xué)成分。由 表1可見(jiàn),各元素含量均符合 GB713-2014標(biāo)準(zhǔn) 對(duì) Q345R鋼的技術(shù)要求。

1.2 力學(xué)性能試驗(yàn) 

壓力容器厚度為26mm,滿足 GB713-2014標(biāo) 準(zhǔn)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(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。 表2中D 為彎心直徑,a 為試樣厚度。由表2可見(jiàn), 該壓力容器超聲測(cè)厚異常位置處的力學(xué)性能均符合 GB713-2014標(biāo)準(zhǔn)對(duì) Q345R鋼的技術(shù)要求。

1.3 顯微組織觀察 

在壓力容器超聲測(cè)厚異常部位截取試樣,經(jīng)打 磨、拋光后,用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精浸蝕,采用 蔡司臺(tái)式光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。由圖1可見(jiàn): 壁1/4厚度處的顯微組織為鐵素體+珠光體,晶粒 度為9級(jí),無(wú)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(jí),可見(jiàn)多條與珠光體 不同的灰色過(guò)冷組織,過(guò)冷組織中可見(jiàn)片狀 MnS夾 雜物;壁1/2厚度處的灰色過(guò)冷組織內(nèi)部及其與鐵 素體邊界處可見(jiàn)多條超過(guò)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(biāo)準(zhǔn)要求的下限值,材料的力學(xué)性能 即可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。過(guò)高的錳含量能使材料的強(qiáng)度 提高、塑性降低,同時(shí),鑄坯在凝固過(guò)程中,錳元素極 易向心部富集,導(dǎo)致鋼板厚度方向中心位置處出現(xiàn) 大量 MnS夾雜物,以及貝氏體、馬氏體等異常過(guò)冷 組織,這種硬而脆的過(guò)冷組織會(huì)破壞鋼板的組織連 續(xù)性,當(dāng)受到外力或熱加工過(guò)程中的溫度應(yīng)力作用 時(shí),在 MnS夾雜物或過(guò)冷組織與鐵素體界面處會(huì)產(chǎn) 生應(yīng)力集中,從而形成微裂紋。因此,對(duì)于低合金高 強(qiáng)度鋼中的錳含量,在保證材料強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上, 適當(dāng)控制加入量,減少鋼板內(nèi)部錳偏析造成的組織 異常及內(nèi)部缺陷。

壓力容器超聲測(cè)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(fā) 現(xiàn) 有 缺 陷 回 波 顯 示。 根 據(jù) NB/T47013.3《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分:超聲 檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于承壓設(shè)備用鋼板超聲檢測(cè)直探頭 的選用要求,對(duì)于厚度為20~60mm 的鋼板,可選 用單晶直探頭或雙晶直探頭進(jìn)行檢測(cè)。 

根據(jù) GB150-2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn),在介質(zhì)毒 性為極度或高度危害以及濕 H2S環(huán)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(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法進(jìn)行超聲檢 測(cè),且質(zhì)量等級(jí)不低于Ⅱ級(jí)。對(duì)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(jìn)行超 聲探傷,符合 NB/T47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要 求,但并未發(fā)現(xiàn)鋼板中心部位的裂紋缺陷。

超聲波探頭(波源)發(fā)射的超聲場(chǎng)具有特殊的結(jié) 構(gòu),只有當(dāng)缺陷位于超聲場(chǎng)內(nèi)時(shí),才有可能被儀器發(fā) 現(xiàn)。由于波的干涉,波源附近會(huì)出現(xiàn)聲壓極大值和 極小值區(qū)域,一般稱為近場(chǎng)區(qū)。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(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度可用式式(1)計(jì)算得出。 在試驗(yàn)中,2.5P14-D型單晶直探頭的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度約 為20.8mm,鋼板內(nèi)部缺陷位于距聲源13.3mm 的 近場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi),當(dāng)掃查速率較快時(shí),易導(dǎo)致該處缺陷 漏檢。 

式中:N 為近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度;Fs 為波源面積,Fs=πD 2/4 (D 為波源直徑);λ 為波長(zhǎng)。

改用5P14F10型雙晶直探頭對(duì)缺陷部位進(jìn)行 復(fù)測(cè),該 探 頭 的 上 盲 區(qū) 長(zhǎng) 度 為 5 mm,檢 測(cè) 出 了 26mm 厚鋼板厚度1/2處的內(nèi)部缺陷。

根據(jù) NB/T47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對(duì)于承 壓特種設(shè)備用20~60mm 厚鋼板,可以選擇標(biāo)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(jìn)行超聲波探傷。對(duì)于 20~40mm 厚鋼板,其內(nèi)部缺陷主要集中在厚度中 心區(qū)域,此厚度范圍處于單晶直探頭的近場(chǎng)區(qū),易出 現(xiàn)內(nèi)部缺陷漏檢情況。

建議對(duì)于厚度為20~40mm 的承壓特種設(shè)備 用鋼,在 NB/T47013.3-2015超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求的基礎(chǔ)上,應(yīng)盡量采用雙晶直探頭進(jìn)行內(nèi)部缺 陷的超聲檢測(cè)。

3 結(jié)論及建議 

(1)壓力容器超聲測(cè)厚異常部位的錳含量偏 高,導(dǎo)致其厚度中心位置出現(xiàn)大量 MnS夾雜物和貝 氏體、馬氏體等異常過(guò)冷組織,在制造過(guò)程中,由于 受到外力或熱加工過(guò)程中溫度應(yīng)力作用時(shí),在過(guò)冷 組織內(nèi)部夾雜物位置處和過(guò)冷組織與鐵素體界面處 會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而導(dǎo)致微裂紋的形成,使得超聲 測(cè)厚存在異常。

(2)采用2.5P14-D型單晶直探頭對(duì)26mm 厚 Q345R鋼制壓力容器進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí),鋼板內(nèi)部中 心缺陷位于距聲源13mm 的近場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi),當(dāng)掃查 速率 較 快 時(shí),易 導(dǎo) 致 內(nèi) 部 中 心 缺 陷 漏 檢。 改 用 5P14F10型雙晶直探頭則能夠檢測(cè)出內(nèi)部缺陷。

(3)對(duì)于厚度為20~40 mm 的承壓特種設(shè)備 用鋼,在 NB/T47013.3-2015超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求 的基礎(chǔ)上,建議采用雙晶直探頭進(jìn)行內(nèi)部缺陷的超 聲檢測(cè),以提高缺陷的檢出率。

參考文獻(xiàn): 

[1] 高冬妹,謝艷玲,宋薇.壓力容器在石油化工生產(chǎn)中實(shí) 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(shè)計(jì)中容易出現(xiàn)的問(wèn)題 [J].純堿工業(yè),2014(1):47-48. 

[3] 吳宗之.論重大危險(xiǎn)源監(jiān)控與重大事故隱患治理[J]. 中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2003,13(9):20-23. 

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

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