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(xué)成分分析、 力學(xué)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(nèi)部缺陷進行分析。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(yīng)力作用,在過冷組織內(nèi)部 夾雜物位置處和過冷組織與鐵素體界面處會產(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: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(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。壓力容器一旦 出現(xiàn)上述風(fēng)險,會造成火災(zāi)、中毒、環(huán)境污染等事故, 嚴重影響人的生命安全[1-3]。國家、行業(yè)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(nèi)部缺陷進行修復(fù)。 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(jù) 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(chǎn)品監(jiān)督檢驗過程中,采用 CTS-30A 型超聲波 測厚儀測得其筒節(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型單晶直探頭對鋼板厚度異常部位進行缺 陷檢測,未發(fā)現(xiàn)明顯內(nèi)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(fù)測,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,筆者通過化學(xué) 成分分析、力學(xué)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(nèi)部缺陷的檢出率提供參考依據(jù)。
1 理化檢驗
1.1 化學(xué)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(xué)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(shù)要求。
1.2 力學(xué)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(xué)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(xué)性能均符合 GB713-2014標準對 Q345R鋼的技術(shù)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(jīng)打 磨、拋光后,用4%(質(zhì)量分數(shù))硝酸酒精浸蝕,采用 蔡司臺式光學(xué)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(nèi)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(xué)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(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、馬氏體等異常過冷 組織,這種硬而脆的過冷組織會破壞鋼板的組織連 續(xù)性,當受到外力或熱加工過程中的溫度應(yīng)力作用 時,在 MnS夾雜物或過冷組織與鐵素體界面處會產(chǎn) 生應(yīng)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(chǔ)上, 適當控制加入量,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)備無損檢測 第3部分:超聲 檢測》標準中關(guān)于承壓設(shè)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(jù) GB150-2011《壓力容器》標準,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》標準中規(guī)定的方法進行超聲檢 測,且質(zhì)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(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)射的超聲場具有特殊的結(jié) 構(gòu),只有當缺陷位于超聲場內(nèi)時,才有可能被儀器發(fā) 現(xiàn)。由于波的干涉,波源附近會出現(xiàn)聲壓極大值和 極小值區(qū)域,一般稱為近場區(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。波源近場區(qū)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(qū)長度約 為20.8mm,鋼板內(nèi)部缺陷位于距聲源13.3mm 的 近場區(qū)范圍內(nèi),當掃查速率較快時,易導(dǎo)致該處缺陷 漏檢。
式中:N 為近場區(qū)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(fù)測,該 探 頭 的 上 盲 區(qū) 長 度 為 5 mm,檢 測 出 了 26mm 厚鋼板厚度1/2處的內(nèi)部缺陷。
根據(jù) NB/T47013.3-2015標準規(guī)定,對于承 壓特種設(shè)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(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區(qū),易出 現(xiàn)內(nèi)部缺陷漏檢情況。
建議對于厚度為20~40mm 的承壓特種設(shè)備 用鋼,在 NB/T47013.3-2015超聲檢測標準相關(guān)要求的基礎(chǔ)上,應(yīng)盡量采用雙晶直探頭進行內(nèi)部缺 陷的超聲檢測。
3 結(jié)論及建議
(1)壓力容器超聲測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(yīng)力作用時,在過冷 組織內(nèi)部夾雜物位置處和過冷組織與鐵素體界面處 會產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而導(dǎo)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(nèi)部中 心缺陷位于距聲源13mm 的近場區(qū)范圍內(nèi),當掃查 速率 較 快 時,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出內(nèi)部缺陷。
(3)對于厚度為20~40 mm 的承壓特種設(shè)備 用鋼,在 NB/T47013.3-2015超聲檢測標準要求 的基礎(chǔ)上,建議采用雙晶直探頭進行內(nèi)部缺陷的超 聲檢測,以提高缺陷的檢出率。
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