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        換熱管與管板角焊縫的棒陽(yáng)極射線檢測(cè)缺陷成像特點(diǎn)

        2020-10-17 06:04:18金彥楓侯彥華張向英程旺富
        無(wú)損檢測(cè) 2020年10期
        關(guān)鍵詞:裂紋焊縫

        劉 泉,金彥楓,張 崢,侯彥華,劉 川,張向英,程旺富

        (1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司,上海 201518;2.中石化第五建設(shè)有限公司,廣州 510145)

        列管式換熱器或反應(yīng)器的換熱管與管板連接通常采用焊接或脹接加焊接的結(jié)構(gòu),該連接部位是設(shè)備運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)。焊縫中如存在氣孔、未熔合等缺陷,設(shè)備在腐蝕、應(yīng)力的作用下,服役期間易發(fā)生泄漏,造成重大經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染[1]。國(guó)內(nèi)自2003年起,引進(jìn)了管板角焊縫射線檢測(cè)技術(shù),該技術(shù)一經(jīng)推廣應(yīng)用就取得了顯著成效,換熱器產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高,在用換熱器意外泄漏大幅減少,有力地保障了相關(guān)裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行[2-5]。標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.2-2015 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》的發(fā)布及實(shí)施,為設(shè)備的換熱管與管板角焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行棒陽(yáng)極射線檢測(cè)也提供了操作依據(jù)。盡管國(guó)內(nèi)現(xiàn)在很多檢測(cè)公司也在進(jìn)行棒陽(yáng)極射線檢測(cè),但是很少有人系統(tǒng)地進(jìn)行缺陷實(shí)際解剖和對(duì)比,對(duì)缺陷的定性和定量缺乏相關(guān)依據(jù)。筆者簡(jiǎn)要描述了此類結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生的原因,著重分析了換熱管與管板角焊縫結(jié)構(gòu)棒陽(yáng)極檢測(cè)的成像特點(diǎn),并結(jié)合底片影像針對(duì)典型缺陷進(jìn)行剖析、對(duì)比和驗(yàn)證。

        1 換熱管與管板角焊縫典型缺陷及其成因分析

        換熱管與板管角焊縫受結(jié)構(gòu)及焊接工藝等因素影響,焊縫內(nèi)部容易產(chǎn)生缺陷,典型缺陷有氣孔、夾渣、夾鎢、未熔合、未焊透、裂紋、換熱管內(nèi)壁燒穿及表面缺陷等[6-8]。

        1.1 氣孔缺陷及其成因

        氣孔是指焊接時(shí),熔池中的氣泡在凝固時(shí)未能逸出而殘留下來(lái)形成的空穴。按形狀分為球形氣孔、線狀氣孔和其他不規(guī)則的氣孔。換熱管與管板角焊縫氣孔的分布可分為單個(gè)氣孔、密集型氣孔、根部鏈狀氣孔等。換熱管與管板角焊縫產(chǎn)生氣孔的原因主要是坡口形式特殊、換熱管清理不干凈、焊絲使用過(guò)程中攜帶雜質(zhì)、氬氣流量控制不當(dāng)、氬氣純度不足、焊接速度過(guò)快、操作不當(dāng)?shù)取?/p>

        1.2 夾渣和夾鎢缺陷及其成因

        夾渣是指焊后熔渣殘存在焊縫中的現(xiàn)象:換熱管與管板角焊縫焊接時(shí),坡口、焊絲焊前清理不徹底,焊后殘留在焊縫金屬中的非金屬雜質(zhì)如氧化物、硫化物等,形成夾渣;鎢極電流過(guò)大或與焊絲及坡口碰撞而使端頭熔化落入熔池中,產(chǎn)生夾鎢,此類結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生夾鎢缺陷。按其形狀可分為點(diǎn)狀(塊狀)和條狀。

        1.3 未熔合和未焊透缺陷及其成因

        未熔合是熔敷金屬與管板坡口、熔敷金屬與換熱管管壁、熔敷金屬層間未熔化結(jié)合在一起的缺陷;未焊透是指管頭坡口根部換熱管與管板之間未熔化,焊縫金屬?zèng)]有進(jìn)入接頭部位造成的缺陷。換熱管與管板角焊縫未熔合缺陷可分為根部未熔合、坡口未熔合、層間未熔合;未焊透主要是根部未焊透。未熔合和未焊透產(chǎn)生的主要原因有:① 坡口、焊道清理不干凈,存在油污或鐵銹;② 坡口設(shè)計(jì)加工不合理,液態(tài)金屬流動(dòng)有死角;③ 焊接電流過(guò)小、速度過(guò)快,金屬之間未完全熔化熔合;④ 焊接時(shí)焊槍擺動(dòng)不均勻。

        1.4 裂紋缺陷及其成因

        換熱管與管板焊縫熔池冷卻速度較快,焊縫結(jié)晶時(shí)易造成晶內(nèi)和晶間偏析,偏析物多為低熔點(diǎn)的共晶物及雜質(zhì),其熔點(diǎn)低,再結(jié)晶過(guò)程中以液態(tài)存在的物質(zhì)受到拉應(yīng)力作用可能開(kāi)裂產(chǎn)生熱裂紋。含氫量和拉應(yīng)力是冷裂紋(氫致裂紋)產(chǎn)生的主要因素,體現(xiàn)在以下方面:① 換熱管與管板角焊縫密集、數(shù)量多且受力不均勻易產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。② 管板及換熱管采用低合金高強(qiáng)度鋼時(shí),焊接接頭具有冷裂傾向;焊接工藝控制不當(dāng),冷卻速度快,焊縫中的氫未及時(shí)逸出,熱影響區(qū)易產(chǎn)生淬硬組織;管板與換熱管角焊縫受應(yīng)力不斷作用,氫原子向高應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散聚集,破壞焊縫金屬中原子的結(jié)合鍵,直至產(chǎn)生冷裂紋。

        1.5 換熱管內(nèi)壁燒穿缺陷及其成因

        熔敷金屬在換熱管內(nèi)壁流出后所形成的空洞,分為完全燒穿(背面可見(jiàn)洞穴)和不完全燒穿(背面僅能見(jiàn)凹坑)。換熱管管板連接結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中,如果焊接電流過(guò)大,速度太小,電弧停留時(shí)間過(guò)久,則易在換熱管內(nèi)壁產(chǎn)生燒穿。

        1.6 表面缺陷及其成因

        換熱管與管板角焊縫底片中的表面缺陷主要有表面裂紋、表面氣孔、換熱管端部損傷燒損、焊縫外觀尺寸不符合要求、咬邊等缺陷。

        (1) 表面裂紋:裂紋是指焊接完成后,在應(yīng)力作用下焊接位置的基材金屬原子間結(jié)合鍵斷裂而產(chǎn)生新界面,最后一遍焊接操作不當(dāng)就會(huì)表現(xiàn)為表面裂紋,另外管頭焊接接頭收弧處易產(chǎn)生表面弧坑裂紋。

        (2) 換熱管端部損傷燒損:換熱管在組裝過(guò)程中,換熱管端部易變形損傷;焊接過(guò)程中,為保證焊縫焊腳高度造成的換熱管端部燒損。

        (3) 焊縫外觀尺寸不符合要求:焊接過(guò)程中未按焊接工藝控制焊接層數(shù)、焊接速度及槍頭擺動(dòng)幅度不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致管頭焊縫外觀凸起或產(chǎn)生凹坑。

        (4) 咬邊:由于焊接參數(shù)選擇不當(dāng),或操作工藝不正確,沿焊趾的換熱管或管板被電弧融化時(shí)所形成的溝槽或凹槽。

        2 棒陽(yáng)極X射線檢測(cè)技術(shù)及檢測(cè)底片成像特點(diǎn)

        2.1 棒陽(yáng)極X射線檢測(cè)技術(shù)

        換熱管與管板角焊縫射線檢測(cè)采用微焦點(diǎn)棒陽(yáng)極X射線機(jī)向后透照成像,換熱管與管板角焊縫在底片中一次成像。棒陽(yáng)極射線檢測(cè)系統(tǒng)采用德國(guó)全進(jìn)口技術(shù),設(shè)備采用優(yōu)化的靶極冷卻,不需要任何冷卻系統(tǒng);設(shè)備最大功率為320 W,最大電壓為130 kV;射線防護(hù)距離較小,并且運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行操作控制,安全可靠。適用于管子內(nèi)徑為12.5~80 mm,厚度為1.5~5.0 mm的換熱管與管板角焊縫射線檢測(cè)。

        2.2 棒陽(yáng)極X射線檢測(cè)底片成像特點(diǎn)

        主要針對(duì)管子伸出管板的角焊縫結(jié)構(gòu)的棒陽(yáng)極X射線檢測(cè)底片成像特點(diǎn)進(jìn)行研究,具體管頭形式如圖1所示。

        圖1 換熱管與管板角焊縫底片理論成像

        2.2.1 底片焊縫影像位置識(shí)別

        換熱管端部?jī)?nèi)徑投影至底片影像直徑為

        D1≈φ-2T

        (1)

        式中:T為換熱管壁厚。

        影像大小與管內(nèi)徑接近,適配器與管壁存在一定的間隙,在底片中形成的一圈較黑影像為換熱管端部?jī)?nèi)邊緣;底片中心影像較淡處為射線束透過(guò)適配器的影像(見(jiàn)圖2)。

        圖2 換熱管內(nèi)壁影像

        焊腳端部投影至底片影像直徑為

        (2)

        影像大小比管外壁直徑略大,與焦距、管伸出長(zhǎng)度、焊腳高度有關(guān);換熱管伸出端部影像黑度較焊縫影像黑度淡,焊腳端部影像與換熱管端部外邊緣影像相連,形狀一般不規(guī)則(見(jiàn)圖3)。

        圖3 焊腳端部影像

        焊縫根部影像直徑為

        (3)

        影像大小與焦距、管伸出長(zhǎng)度、坡口深度有關(guān),換熱管與管板間存在一定組裝間隙,影像中會(huì)顯示一圈黑度相對(duì)較黑、寬度較小的細(xì)線,當(dāng)焊縫根部熔合較完好時(shí),底片中不會(huì)顯示該影像(見(jiàn)圖4)。

        圖4 焊縫根部影像

        焊縫焊趾影像直徑為

        (4)

        影像大小與焦距、管伸出長(zhǎng)度、焊縫焊趾直徑尺寸有關(guān),影像在底片最外側(cè),當(dāng)補(bǔ)償器設(shè)計(jì)不合理或透照參數(shù)選擇不正確時(shí),底片中可能不會(huì)顯示影像或影像較淡不易識(shí)別(見(jiàn)圖5)。

        圖5 焊縫外邊緣影像

        2.2.2 缺陷影像尺寸計(jì)算分析

        焊縫中的缺陷在底片中存在放大特性(見(jiàn)圖6),對(duì)于自身高度較小的平面缺陷放大比例按照式(6)進(jìn)行計(jì)算;缺陷影像放大因素僅與焦距及缺陷距管端面距離有關(guān),與缺陷及換熱管規(guī)格等均無(wú)關(guān)。

        圖6 平面缺陷底片成像放大圖

        X1=F(d+s+L)/(F-h)

        (5)

        X2=F(d+s)/(F-h)

        (6)

        放大比例為

        (7)

        3 典型缺陷顯像對(duì)比分析

        3.1 氣孔顯像

        氣孔的影像特征輪廓比較圓滑,黑度中心大,邊緣稍淡。氣孔缺陷沿透照方向尺寸越大,氣孔影像黑度越大(易形成貫穿),對(duì)于換熱管與管板危害性就越大。

        (1) 單個(gè)氣孔缺陷:缺陷影像可以出現(xiàn)在棒陽(yáng)極射線底片的任何位置。當(dāng)氣孔缺陷影像靠近底片焊腳頂部影像時(shí),多數(shù)缺陷深度較淺,缺陷位置靠近管外壁(見(jiàn)圖7);當(dāng)氣孔缺陷影像靠近底片根部熔合線影像時(shí),多數(shù)缺陷深度較深、靠近焊縫根部(見(jiàn)圖8)。對(duì)在換熱管與管板角焊縫位置的單個(gè)氣孔缺陷進(jìn)行初步判斷,不能夠完全準(zhǔn)確定位缺陷深度。

        圖7 內(nèi)側(cè)氣孔缺陷影像

        圖8 根部氣孔缺陷影像

        (2) 密集型氣孔缺陷:缺陷影像在棒陽(yáng)極射線底片中較為明顯,分布較為密集,數(shù)量較多,尺寸大小不等,多數(shù)尺寸較小。密集型氣孔分布主要有兩種:一種為單層焊接缺陷投影產(chǎn)生,一種為多層焊接缺陷疊加投影產(chǎn)生。剖析焊縫密集型氣孔缺陷:密集型氣孔分布較為復(fù)雜,每次剖析僅能發(fā)現(xiàn)幾個(gè)缺陷,無(wú)法顯示全部缺陷(見(jiàn)圖9)。

        圖9 密集型氣孔影像

        (3) 根部鏈狀氣孔缺陷:缺陷影像在棒陽(yáng)極射線底片中主要分布在焊縫根部影像處,沿根部影像分布,伴有未焊透或未熔合。剖析鏈狀氣孔缺陷,多數(shù)氣孔影像實(shí)物為根部間斷的未焊透并伴有雜質(zhì)或氣孔,寬度為換熱管與管板間隙,尺寸較小,具有一定的自身高度(見(jiàn)圖10)。底片根部鏈狀氣孔缺陷在換熱管與管板角焊縫深度位置可以準(zhǔn)確判斷。

        圖10 根部鏈狀氣孔影像

        3.2 夾渣和夾鎢顯像

        夾渣在底片中的影像可以出現(xiàn)在任何位置,其特征是黑塊和黑條,形狀不規(guī)則,黑度變化無(wú)規(guī)律,輪廓不圓滑,有的帶棱角;夾鎢在底片中的影像主要出現(xiàn)在坡口位置或起弧處,呈現(xiàn)白色亮點(diǎn),形狀不規(guī)則,輪廓清晰,大多數(shù)以單個(gè)形式出現(xiàn),少數(shù)以彌散狀態(tài)出現(xiàn),焊縫夾鎢缺陷較難識(shí)別。

        3.3 未熔合和未焊透顯像

        (1) 根部未熔合和根部未焊透:缺陷影像出現(xiàn)在棒陽(yáng)極射線底片的焊縫根部影像處,根部未熔合與未焊透往往同時(shí)存在。兩者區(qū)別在于:未焊透影像的寬度相對(duì)較小,影像輪廓兩側(cè)或單側(cè)較為整齊,沿焊縫局部根部或整圈根部分布常伴有點(diǎn)狀缺陷;未熔合是一種面狀缺陷,缺陷影像起于焊縫根部影像處向內(nèi)圈延伸,有一定的寬度,形狀不規(guī)則,而且黑度邊緣較淡,其影像特征是不規(guī)則形狀的弧形黑片。實(shí)際剖析焊縫根部未熔合缺陷,起初缺陷較細(xì)小,類似裂紋,繼續(xù)剖析時(shí),缺陷尺寸逐步變大,直至到達(dá)焊縫根部(見(jiàn)圖11)。

        圖11 根部未熔合影像

        (2) 坡口未熔合:分管板坡口未熔合和管壁未熔合。管板坡口未熔合缺陷位于底片焊縫根部影像與焊縫外邊緣影像之間,成不規(guī)則的片狀或弧狀條,黑度不均勻,在底片中相對(duì)難于辨別,需底片拍攝質(zhì)量較高;管壁未熔合缺陷位于焊縫根部影像與焊腳頂端影像之間,成不規(guī)則的片狀或弧狀條,黑度不均勻,在底片中與表面缺陷易混判,缺陷評(píng)定時(shí)需進(jìn)行實(shí)物對(duì)照。剖析換熱管與管板角焊縫坡口未熔合缺陷,坡口未熔合具有一定的自身高度,且尺寸較大,相對(duì)較明顯,易發(fā)現(xiàn),多數(shù)內(nèi)部伴有其他缺陷(見(jiàn)圖12)。

        圖12 坡口未熔合影像

        (3) 層間未熔合:影像特征是黑度不大的片狀影像,多含氣體,邊緣圓滑,有時(shí)伴有夾渣,形狀不規(guī)則,夾渣部位黑度較大。層間未熔合與分層缺陷相似,在射線透照方向上透照厚度差較小,一般在射線照相檢測(cè)中缺陷影像較難識(shí)別。這種缺陷在換熱管與管板角焊縫施焊中產(chǎn)生的幾率較小。

        3.4 裂紋顯像

        換熱管與管板角焊縫裂紋缺陷一般在制造過(guò)程中出現(xiàn)較少,多數(shù)在表面收弧部位產(chǎn)生表面裂紋。設(shè)備使用時(shí),換熱管與管板焊縫結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜,而且多數(shù)介質(zhì)具有腐蝕性,焊縫內(nèi)部缺陷有可能擴(kuò)展為裂紋。底片上裂紋的典型影像是輪廓分明的黑線和黑絲,黑線有微小鋸齒,有分叉,端部尖細(xì),有絲狀陰影延伸;裂紋方向多數(shù)與焊縫垂直或接近垂直,可能出現(xiàn)在底片任何位置。剖析焊縫裂紋缺陷,裂紋細(xì)如發(fā)絲,肉眼難以發(fā)現(xiàn),方向大多數(shù)與焊縫近似垂直(見(jiàn)圖13),有時(shí)伴有氣孔(見(jiàn)圖14)、未熔合等缺陷。

        圖13 裂紋圖像

        圖14 裂紋伴有氣孔圖像

        3.5 換熱管內(nèi)壁燒穿顯像

        換熱管內(nèi)壁燒穿的形貌多為不規(guī)則的圓形,中心黑度大而不均勻,輪廓欠清晰,尺寸較大,多數(shù)靠近底片焊角頂端影像,與焊縫中的圓形缺陷易混淆(見(jiàn)圖15)。

        圖15 管內(nèi)壁燒穿缺陷影像

        3.6 表面缺陷顯像

        表面裂紋、氣孔的影像特征與內(nèi)部裂紋、氣孔影像相類似。換熱管端部損傷燒損缺陷影像形狀多為不規(guī)則,而且黑度較大。焊縫尺寸不符合要求,易在氬弧焊收弧區(qū)產(chǎn)生,局部凸起影像在底片焊縫影像中較淡,局部凹坑的影像較黑,形狀不規(guī)則而且面積較大。焊腳端部咬邊在底片焊腳端部影像中靠近管壁側(cè),呈現(xiàn)出粗短半弧狀的黑色條狀影像(見(jiàn)圖16)。

        圖16 焊腳端部咬邊影像

        4 結(jié)語(yǔ)

        不同于常規(guī)射線檢測(cè)的特點(diǎn),棒陽(yáng)極射線檢測(cè)采用向后透照,其影像大小與焦距、換熱管伸出長(zhǎng)度、坡口深度及缺陷在焊縫中的位置等有關(guān),且一般放大倍數(shù)較常規(guī)平板對(duì)接射線檢測(cè)的大;換熱管內(nèi)部燒損和端部形狀缺陷是此結(jié)構(gòu)焊縫的特有缺陷,其他如氣孔、未熔合、未焊透和裂紋等也有其不同于常規(guī)對(duì)接焊縫的特點(diǎn),且針對(duì)此焊縫來(lái)說(shuō)不易發(fā)現(xiàn),有較大危害。

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