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(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

金屬壓力容器經(jīng)過多年的研究與應(yīng)用已成為高可靠的工程結(jié)構(gòu)，由于復(fù)合層材料技術(shù)的提高[1]，具有金屬內(nèi)襯復(fù)合層的材料已經(jīng)廣泛用于航空航天、石油化工等領(lǐng)域[2]，復(fù)合層焊縫在制造過程中產(chǎn)生的缺陷與損傷是此類壓力容器失效的主要原因[3]，因此采用合理的檢測工藝保證制造過程中的不銹鋼復(fù)合層焊縫的質(zhì)量是該類壓力容器制造的關(guān)鍵。筆者主要介紹金屬內(nèi)襯壓力容器不銹鋼復(fù)合層焊縫的超聲波檢測技術(shù)。

1 檢測對象

文章涉及的不銹鋼復(fù)合層材料的壓力容器為伴生氣接收器容器，設(shè)計(jì)厚度為50+4 mm，容器材料為Q345R+S31603，筒體內(nèi)徑為2 400 mm，筒體對接焊縫要求100%射線檢測+20%超聲波檢測，完成檢測后再進(jìn)行不銹鋼復(fù)合層的焊接，筒體復(fù)合層為爆炸焊貼合的不銹鋼材料，焊縫位置復(fù)合層側(cè)采用堆焊工藝進(jìn)行不銹鋼堆焊。對于復(fù)合層基材(Q345R)的超聲波檢測，可以按照NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分 超聲檢測》標(biāo)準(zhǔn)的要求執(zhí)行，但是復(fù)合層材料對基層檢測的影響尚不清楚，筆者主要研究復(fù)合層結(jié)構(gòu)對于超聲波檢測的影響，以便制定合理的檢測工藝。

2 檢測工藝制定

圖1 單面雙側(cè)掃查示意

對于復(fù)合層結(jié)構(gòu)焊縫的超聲波檢測，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，常規(guī)檢測工藝為單面雙側(cè)檢測工藝或雙面雙側(cè)檢測工藝。當(dāng)采用單面雙側(cè)檢測工藝(見圖1)時(shí)，需要采用超聲直射波與一次反射波對碳鋼部分的焊縫進(jìn)行檢測，方可保證覆蓋完整的焊縫檢測區(qū)域，此時(shí)需確定復(fù)合層對超聲波反射的影響大小；如果對反射波的影響較小，可以通過增加一定的反射損失補(bǔ)償來進(jìn)行工藝修正；如果影響較大，一次反射后對于缺陷的定位定量將無法進(jìn)行，則一次反射后的超聲波無法用于缺陷檢測。

當(dāng)采用雙面雙側(cè)掃查工藝(見圖2)時(shí)，碳鋼側(cè)探頭僅需檢測碳鋼部分焊縫，按常規(guī)檢測執(zhí)行即可，復(fù)合層側(cè)探頭需要穿透復(fù)合層對碳鋼層進(jìn)行檢測，此時(shí)需要考慮復(fù)合層對超聲波透射的干擾影響，如果僅僅是回波幅度衰減，可通過增加一定的反射損失補(bǔ)償進(jìn)行工藝修正，如果影響較大，穿透后對缺陷的定位定量將無法進(jìn)行，則復(fù)合層側(cè)超聲波無法用于缺陷檢測。

圖2 雙面雙側(cè)掃查示意

3 對比試塊設(shè)計(jì)與加工

為確定復(fù)合層對于超聲波反射及透射的影響，設(shè)計(jì)不銹鋼復(fù)合層結(jié)構(gòu)的對比試塊1塊，試塊材料與容器材料一致，焊接工藝采用與容器相同的焊接工藝，靈敏度孔設(shè)計(jì)參考NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)，采用φ2 mm側(cè)鉆孔進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)。試塊設(shè)計(jì)如圖3,4所示，在焊縫中心位置，從碳鋼層側(cè)算起，分別制作深度為10，20，30，40，50 mm的5個(gè)側(cè)鉆孔。同時(shí)在非焊縫區(qū)域，從復(fù)合層側(cè)算起，分別制作深度為10，20，30，40，50 mm的5個(gè)側(cè)鉆孔。加工后的試塊實(shí)物如圖5所示。

圖3 對比試塊設(shè)計(jì)圖(俯視圖)

圖4 對比試塊設(shè)計(jì)圖(焊縫剖面圖)

圖5 加工后的不銹鋼復(fù)合層結(jié)構(gòu)超聲檢測對比試塊實(shí)物

4 超聲檢測試驗(yàn)

4.1 儀器及探頭配置

對比試塊加工完成后，進(jìn)行靈敏度對比試驗(yàn)。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確及可重復(fù)性，須固定儀器設(shè)置及探頭配置。儀器設(shè)置包含阻尼設(shè)置、濾波方式設(shè)置、帶寬設(shè)置、抑制設(shè)置等；探頭配置是指試驗(yàn)前后采用同一規(guī)格探頭，同一對比試驗(yàn)中探頭的晶片尺寸、頻率等均保持一致，以方便進(jìn)行比較。試驗(yàn)采用頻率為2.25 MHz，晶片尺寸(長×寬)為10 mm×10 mm，折射角度為45°，60°常規(guī)斜探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)反射體DAC曲線制作

為方便進(jìn)行回波幅度比較，采用NB/T 47013.3標(biāo)準(zhǔn)中的CSK-IIA-2對比試塊(厚度T為110 mm，側(cè)鉆孔直徑為2 mm)作為靈敏度基準(zhǔn)，使用其進(jìn)行DAC曲線制作，以此φ2 mm側(cè)鉆孔當(dāng)量為基準(zhǔn)當(dāng)量進(jìn)行不同深度反射體回波當(dāng)量的測量。

4.3 表面耦合補(bǔ)償

對比試塊經(jīng)過機(jī)加工后，表面狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)對比試塊CSK-IIA-2的表面狀態(tài)基本一致，無需考慮表面補(bǔ)償。

4.4 不銹鋼復(fù)合層結(jié)構(gòu)靈敏度對比試驗(yàn)

不銹鋼復(fù)合層結(jié)構(gòu)靈敏度對比試驗(yàn)包含兩部分，一是復(fù)合層對超聲波透射影響的試驗(yàn)，二是復(fù)合層對超聲波反射影響的試驗(yàn)。

4.4.1 復(fù)合層對超聲波透射影響的試驗(yàn)

如圖6所示，在位置1與位置2處分別采用超聲波探頭對深度為10，20，30，40，50 mm的側(cè)鉆孔進(jìn)行回波幅度測量，45°探頭與60°探頭的測量結(jié)果如表1，2所示(表中N表示該位置由于試板尺寸的原因或衰減太大而無法得到檢測數(shù)據(jù)，下同)，為盡量減少手動(dòng)操作的誤差，每組數(shù)據(jù)進(jìn)行3次測量，取平均值作為最終的結(jié)果。

圖6 復(fù)合層對超聲波透射影響試驗(yàn)的操作示意

側(cè)鉆孔深度位置1測量結(jié)果位置2測量結(jié)果第一次第二次第三次平均值第一次第二次第三次平均值10 mm?2 mm-0.8 dB?2 mm-0.6 dB?2 mm-0.6 dB?2 mm-0.7 dB?2 mm-0.8 dB?2 mm-1.0 dB?2 mm-0.8 dB?2 mm-0.9 dB20 mm?2 mm-1.2 dB?2 mm-1.4 dB ?2 mm-1.2 dB?2 mm-1.3 dB?2 mm-1.4 dB?2 mm-1.2 dB?2 mm-1.4 dB?2 mm-1.3 dB30 mm?2 mm-0.4 dB?2 mm-0.6 dB ?2 mm-0.8 dB?2 mm-0.6 dB?2 mm-1.8 dB?2 mm-1.8 dB?2 mm-2.0 dB?2 mm-1.9 dB40 mm?2 mm-0.2 dB?2 mm-0.4 dB ?2 mm-0.0 dB?2 mm-0.2 dB?2 mm-0.0 dB?2 mm-0.2 dB?2 mm-0.0 dB?2 mm-0.1 dB50 mmNNNN?2 mm-0.0 dB?2 mm+0.2 dB?2 mm+0.2 dB?2 mm+0.1 dB

表2 復(fù)合層對超聲波透射影響試驗(yàn)的測量結(jié)果(60°探頭)

4.4.2 復(fù)合層對超聲波反射影響的試驗(yàn)

如圖7所示，在位置1分別采用45°，60°超聲波探頭對深度為50，40，30，20，10 mm的側(cè)鉆孔進(jìn)行回波幅度測量，結(jié)果如表3所示，同樣為盡量減少手動(dòng)操作的誤差，每組數(shù)據(jù)進(jìn)行3次測量，取平均值作為最終的結(jié)果。

表3 超聲波反射測量結(jié)果

圖7 復(fù)合層對超聲波反射影響試驗(yàn)的操作示意

5 對比試塊檢測數(shù)據(jù)分析

檢測數(shù)據(jù)如表1,2,3所示。由于對比試塊在加工前進(jìn)行了表面機(jī)加工處理，實(shí)際厚度有所減薄，深度為50 mm的側(cè)鉆孔的開孔位置已經(jīng)進(jìn)入了不銹鋼堆焊層，不銹鋼堆焊層對于超聲波的影響遠(yuǎn)大于不銹鋼復(fù)合層的影響，因此表1～3中鉆孔深度為50 mm時(shí)不能得到全部檢測數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于試件尺寸的原因，60°探頭無法通過一次反射測量深度為10，20 mm的側(cè)鉆孔，因此表3中60°探頭對深度為10，20 mm的側(cè)鉆孔的檢測結(jié)果為N。

5.1 超聲波透射影響試驗(yàn)

表4為45°探頭測量時(shí)復(fù)合層對超聲波透射影響試驗(yàn)的檢測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示，通過碳鋼直射與通過復(fù)合層直射的數(shù)據(jù)差值最大為1.3 dB,最小為0.1 dB,平均值為0.4 dB。表5為60°探頭測量時(shí)復(fù)合層對超聲波透射影響試驗(yàn)的檢測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示，通過碳鋼直射與通過復(fù)合層直射的數(shù)據(jù)差值最大為1.9 dB,最小為0 dB，平均值約為0.6 dB?？梢姡瑥?fù)合層透射超聲波對超聲檢測基本無影響，因此檢測時(shí)可以忽略復(fù)合層對透射波的影響。

表4 復(fù)合層對超聲波透射影響試驗(yàn)的

表5 復(fù)合層對超聲波透射影響試驗(yàn)的測量結(jié)果(60°探頭)

5.2 復(fù)合層對超聲波反射影響的分析

復(fù)合層反射以φ2 mm側(cè)鉆孔當(dāng)量靈敏度作為參考，根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)可以看出，所有側(cè)鉆孔的回波幅度與φ2 mm側(cè)鉆孔當(dāng)量靈敏度的差值在1 dB以內(nèi)，因此復(fù)合層反射對于超聲波檢測的影響也基本可以忽略。這里的復(fù)合層僅指采用爆炸焊貼合好的結(jié)構(gòu)，如果貼合出現(xiàn)問題，則其對超聲波檢測的影響會(huì)發(fā)生變化，這種情況下應(yīng)另行測定。

6 結(jié)論

通過制作不銹鋼復(fù)合層材料對比試塊，分析了復(fù)合層對超聲波反射及透射的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，貼合完好的復(fù)合層結(jié)構(gòu)對于超聲波反射及透射的影響較小，在制定檢測工藝時(shí)可不考慮此復(fù)合層對超聲波回波幅度的影響，根據(jù)焊縫結(jié)構(gòu)形式，可采用雙面雙側(cè)檢測工藝或單面雙側(cè)檢測工藝對不銹鋼復(fù)合層焊縫碳鋼層進(jìn)行超聲波檢測。