程 林

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

氫致裂紋分布具有不確定性,導(dǎo)致傳統(tǒng)HIC的三截面評(píng)價(jià)位置不一定是裂紋位置,或者不是裂紋最寬處,因此,傳統(tǒng)HIC評(píng)價(jià)方法的科學(xué)性受到質(zhì)疑。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中,對(duì)材料能夠進(jìn)行比較全面的評(píng)價(jià)尤為重要。針對(duì)以上問(wèn)題,無(wú)損探傷可能是比較好的解決方法。國(guó)內(nèi)見(jiàn)報(bào)道的探傷方法有磁記憶法協(xié)助HIC試驗(yàn)評(píng)價(jià)[1]、相控陣檢測(cè)臨氫壓力容器[2]和手持式超聲協(xié)助HIC試驗(yàn)評(píng)價(jià)[3-4],提高了裂紋檢出率,試樣取得了比較全面的評(píng)價(jià)。

國(guó)外HIC無(wú)損探傷多采用全自動(dòng)超聲探傷的技術(shù),Daisuke Mizuno等應(yīng)用全自動(dòng)浸入式超聲探傷技術(shù)評(píng)價(jià)了不同緩沖能力溶液對(duì)HIC裂紋的影響,在FFP試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了低緩沖能力溶液因pH值下降,導(dǎo)致了材料HIC敏感性的增加[5];國(guó)內(nèi)采用超聲波無(wú)損檢測(cè)方法開(kāi)展 HIC試驗(yàn)試樣評(píng)價(jià)的應(yīng)用實(shí)例不多,基本是根據(jù)國(guó)外訂單的委托要求開(kāi)展相關(guān)工作[6],采用全自動(dòng)超聲探傷的則更少;FUJISHIRO T等則進(jìn)一步發(fā)揮了A-IUT的應(yīng)用,設(shè)計(jì)了在線超聲掃查,即在試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了定期掃查的功能,觀察到了裂紋起始、擴(kuò)展的過(guò)程,獲得了顯微組織和裂紋擴(kuò)展的關(guān)系[7]。

此外,從行業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展來(lái)看,HIC試樣評(píng)價(jià)更多采用全自動(dòng)浸入式超聲探傷。如道達(dá)爾和泰國(guó)國(guó)家石油公司的部分海洋抗腐蝕管線管項(xiàng)目,以及伊朗管線鋼及設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)文件中都提出 HIC 腐蝕試驗(yàn)后需進(jìn)行水浸自動(dòng)超聲波檢驗(yàn)。最新版 NACE TM 0284新增了規(guī)范性附錄 A(目前為非強(qiáng)制性),用以介紹通過(guò)水浸超聲檢驗(yàn)評(píng)價(jià)試樣 HIC 的方法,并規(guī)定了裂紋面積率(CAR)的測(cè)量及計(jì)算方法;國(guó)際油氣生產(chǎn)商協(xié)會(huì)(IOGP)2019 年發(fā)布的產(chǎn)品規(guī)范 S-616(2019)作為 API Specification 5L 和 ISO 3183 的補(bǔ)充要求,其中也提出若用戶數(shù)據(jù)單中指定,則應(yīng)依據(jù) NACE TM 0284附錄 A 中規(guī)范,使用水浸自動(dòng)超聲波檢驗(yàn)技術(shù)對(duì)試樣進(jìn)行檢測(cè),并報(bào)告每個(gè)掃描面的 CAR 值及掃描圖像。

本文是國(guó)內(nèi)首次采用全自動(dòng)浸入式超聲探傷技術(shù)評(píng)價(jià)HIC試樣,總結(jié)了其優(yōu)缺點(diǎn),指出了存在的一些問(wèn)題,并提出了解決方法,同時(shí)對(duì)不同材料和不同環(huán)境下氫致開(kāi)裂敏感性進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料見(jiàn)表1,包含了套管和管線管用鋼板,HIC高敏感性和HIC抗性較好的材料。其中2號(hào)試樣是在1號(hào)試樣做完試驗(yàn),且切割、金相分析后再次進(jìn)行的A溶液浸泡試驗(yàn),用以對(duì)比不同環(huán)境苛刻程度下試驗(yàn)材料的敏感性。

表1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)條件

1.2 試驗(yàn)方法

HIC浸泡試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)NACE TM0284—2016[1],其中1號(hào)試樣進(jìn)行兩次浸泡,首先進(jìn)行合成海水B溶液(pH值為5.1±0.3,苛刻程度相對(duì)較低)浸泡試驗(yàn),評(píng)價(jià)后再進(jìn)行NACE-A溶液浸泡試驗(yàn),比較不同環(huán)境苛刻程度下氫致開(kāi)裂敏感性。為防止因切割可能對(duì)試樣產(chǎn)生的影響,3號(hào)試樣材料同1號(hào),其為全新試樣,區(qū)別于2號(hào)試樣。全自動(dòng)超聲探傷采用ecoACIS-01系統(tǒng),探頭型號(hào)為:15 MHz聚焦探頭,2 in(1 in=25.4 mm)焦距,0.25 in晶片尺寸。

采用體式顯微鏡測(cè)量氫鼓泡直徑大小,金相顯微鏡100倍下對(duì)裂紋進(jìn)行測(cè)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果

試樣經(jīng)過(guò)96 h浸泡后取出,清理完表面腐蝕產(chǎn)物后,進(jìn)行表面觀察,試樣試驗(yàn)后宏觀形貌見(jiàn)圖1和圖2。其中2、3、5-1、5-2、5-3號(hào)樣品表面有氫鼓泡產(chǎn)生,2、3號(hào)樣品產(chǎn)生的氫鼓泡較大,最大氫鼓泡直徑分別為8.51 mm和6.76 mm,和2、3號(hào)樣品相同材料的1號(hào)樣品,在B溶液中未見(jiàn)氫鼓泡產(chǎn)生。

圖1 試驗(yàn)后試樣宏觀照片

圖2 5號(hào)樣品試驗(yàn)后宏觀照片

圖3為探傷分析視圖,從左上角順時(shí)針依次為A、B、C、D四種視圖,B為側(cè)視圖,C為俯視圖,D為端視圖。從分析視圖可觀察缺陷大小及缺陷分布位置。圖4為探傷掃查結(jié)果俯視圖(即試樣100 mm×20 mm面),顏色越深,波幅越高,除1號(hào)試樣外均有明顯缺陷顯示,其中2、3、4號(hào)試樣缺陷比較嚴(yán)重,4號(hào)試樣最為嚴(yán)重。通過(guò)設(shè)定閾值為80%和分析簇為1×1進(jìn)行裂紋面積比計(jì)算,2、3、4號(hào)試樣裂紋面積比(缺陷面積/掃查面積)分別達(dá)到了4.88%、7.30%和18.24%(表2)。表3列出了軟件分析給出的缺陷最大寬度以及對(duì)應(yīng)金相分析時(shí)的裂紋長(zhǎng)度。

表2 裂紋面積率

表3 軟件分析給出的裂紋最大寬度和金相檢出的裂紋長(zhǎng)度

圖3 探傷分析視圖

金相分析截面見(jiàn)圖4標(biāo)注,即標(biāo)注數(shù)字位置最近的深色區(qū)域,所有位置金相均檢出裂紋,且無(wú)其他裂紋存在。裂紋長(zhǎng)寬率和敏感率見(jiàn)表4,補(bǔ)充截面按0記。圖5給出了部分裂紋的金相照片。

圖5 裂紋金相照片

3 分析及討論

首先,探傷過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在裂紋靠近探頭側(cè)時(shí)分析視圖下方會(huì)出現(xiàn)該缺陷的二次反射信號(hào),對(duì)后續(xù)分析產(chǎn)生干擾,常見(jiàn)的有表面氫鼓泡處,其會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的缺陷顯示,消除此類(lèi)干擾可考慮翻轉(zhuǎn)試樣重新進(jìn)行探傷,有氫鼓泡時(shí)直接將氫鼓泡側(cè)置于遠(yuǎn)端。

對(duì)比金相分析,A-IUT技術(shù)分析結(jié)果更加直觀,且能夠獲取更多信息,如裂紋大小、裂紋位置,又如從軟件分析界面可以分辨出裂紋之間的關(guān)系,即不同切割面所檢出的裂紋是否為同一裂紋,圖4中(c)圖,1、2號(hào)缺陷雖然距離很近,但可以清晰分辨出為獨(dú)立的兩個(gè)缺陷,即說(shuō)明其有兩個(gè)起裂源。其中一些信息和生產(chǎn)工藝有聯(lián)系,可以更好地指導(dǎo)工藝優(yōu)化。

通過(guò)對(duì)探傷報(bào)出的缺陷位置進(jìn)行切割分析,在所有試樣共13個(gè)定位位置均發(fā)現(xiàn)了裂紋,說(shuō)明了該探傷方法的可靠性。同時(shí),加入全自動(dòng)浸入式超聲探傷對(duì)試樣分析更加全面,可以清晰地觀察到試樣中裂紋的分布位置和大小,如65鋼級(jí)鋼板裂紋全部分布在試樣的厚度中間位置,符合板材中心偏析的規(guī)律,3號(hào)試樣兩個(gè)距離很近的大裂紋得以金相檢查到。而傳統(tǒng)的三截面分析方法存在局限性,僅對(duì)距端面25、50、75 mm位置進(jìn)行分析,而從探傷掃查結(jié)果看,裂紋分布很隨機(jī),傳統(tǒng)定位切割分析有可能會(huì)錯(cuò)過(guò)裂紋位置或者最大裂紋位置,比如2號(hào)試樣顯示的最大裂紋就會(huì)被錯(cuò)過(guò),因?yàn)槠湔麄€(gè)裂紋分布在距端面25 mm以?xún)?nèi),而該裂紋長(zhǎng)度達(dá)到9.30 mm,這一個(gè)裂紋可以使該試樣的平均裂紋長(zhǎng)度率(CLR)達(dá)到15.52%,而ISO 15156—2015標(biāo)準(zhǔn)中大部分要求CLR值不能超過(guò)15%,即其為不合格產(chǎn)品,如錯(cuò)過(guò)將影響巨大。同樣,3號(hào)試樣中的兩個(gè)大裂紋由于相鄰很近,至少會(huì)有一個(gè)裂紋會(huì)被錯(cuò)過(guò),對(duì)于5-1、5-2、5-3試樣上的較小裂紋則更容易被錯(cuò)過(guò)。

對(duì)比軟件報(bào)出的裂紋寬度和金相檢出的裂紋長(zhǎng)度(軟件報(bào)出的裂紋寬度對(duì)應(yīng)于金相檢出的裂紋長(zhǎng)度),見(jiàn)表4。設(shè)定80%閾值時(shí)軟件報(bào)出的裂紋寬度相比于實(shí)際檢出的裂紋長(zhǎng)度總體上偏小,說(shuō)明裂紋某些位置反射的信號(hào)未達(dá)到80%,在將閾值設(shè)到40%時(shí),裂紋寬度明顯增加。從裂紋5-1-1和5-1-3可以看出,按閾值80%進(jìn)行分析時(shí)均被評(píng)定為兩個(gè)裂紋,在金相分析時(shí)發(fā)現(xiàn)其為一個(gè)裂紋,這說(shuō)明裂紋不同位置對(duì)聲反射存在著一定的差別。計(jì)算CAR時(shí),設(shè)定閾值對(duì)其影響較大,尤其在科研中,應(yīng)保證所有顯示均被計(jì)入,同時(shí)也需要排除一些干擾信號(hào)。文獻(xiàn)中報(bào)道,分析時(shí)將閾值水平設(shè)定到了30%[5]或 25%[8]。亦可以考慮采用未試驗(yàn)樣作為對(duì)照來(lái)排除干擾信號(hào),確定合適閾值,或者掃查后觀察無(wú)明顯缺陷位置干擾信號(hào)的大小而定。另外,軟件在自動(dòng)計(jì)算CAR時(shí),需要手動(dòng)圈出試樣,但由于軟件對(duì)試樣邊緣的識(shí)別較為困難,所得數(shù)據(jù)誤差相對(duì)較大,建議試樣面積可以采用測(cè)量的實(shí)際尺寸來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

從表4中也發(fā)現(xiàn),部分金相評(píng)價(jià)報(bào)出的裂紋長(zhǎng)度反而小于軟件報(bào)出的裂紋大小,這可能和定位準(zhǔn)確性有關(guān),同時(shí),試樣切割是有一定寬度的,理論上也不可能做到完全一致。

1、2號(hào)為同一個(gè)試樣,B溶液試驗(yàn)后,經(jīng)探傷未發(fā)現(xiàn)任何缺陷,按照傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行金相檢查確認(rèn),亦未發(fā)現(xiàn)任何裂紋。而將該試樣(B溶液試驗(yàn)后經(jīng)切割評(píng)價(jià),試樣變成4小塊)再次進(jìn)行A溶液試驗(yàn),經(jīng)探傷發(fā)現(xiàn)了每個(gè)小塊上均有明顯缺陷存在,按標(biāo)準(zhǔn)要求CLR≤15%的指標(biāo),該材料(CLRmin=15.52%)已不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,可見(jiàn)該材料在A和B溶液中HIC敏感性相差巨大,A溶液的試驗(yàn)條件更加苛刻,其pH值更低,充氫效率更高。因B溶液試驗(yàn)后進(jìn)行了傳統(tǒng)方法評(píng)價(jià),所以A溶液試驗(yàn)后這些裂紋如按傳統(tǒng)方法評(píng)價(jià)是會(huì)被遺漏的,此處也體現(xiàn)了A-IUT的優(yōu)勢(shì),即評(píng)價(jià)更加全面。3號(hào)試樣和1、2號(hào)試樣為相同材料,未進(jìn)行B溶液浸泡和切開(kāi),其CAR值達(dá)到了7.3%,進(jìn)一步驗(yàn)證了該材料在A溶液下對(duì)氫致開(kāi)裂非常敏感。

KITTEL J[9]開(kāi)展了大量試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了CAR與CLR之間有很好的相關(guān)性,給出了CAR與CLR的關(guān)系式(CLR=0.64CAR),即CLR=15%對(duì)應(yīng)于CAR=23%,并將CAR水平和HIC敏感性進(jìn)行了對(duì)應(yīng)分級(jí),見(jiàn)表5。眾多石油公司規(guī)范中,如道達(dá)爾、泰國(guó)國(guó)家石油以及伊朗石油均采用了CAR<5%作為接收準(zhǔn)則,可見(jiàn)用戶的要求是較之前(CLR<15%)更加嚴(yán)格了。另外,需要注意的是,其試驗(yàn)材料為板材,裂紋全部分布在試樣中間位置,如果受檢截面上同一位置不同深度上產(chǎn)生多條裂紋,則裂紋間必然有重疊區(qū)域,難以給出很好的CAR與CLR之間的關(guān)系式,KITTEL J也強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn),其發(fā)現(xiàn)的CAR與CLR較好的關(guān)系,在于裂紋全部分布于試樣厚度中間的位置。

表5 裂紋面積率(CAR)水平和材料氫致開(kāi)裂敏感性關(guān)系

FUJISHIRO T[7]創(chuàng)造性地拓展了全自動(dòng)浸入式超聲探傷的應(yīng)用,見(jiàn)圖6。在試驗(yàn)容器的一側(cè)設(shè)計(jì)安裝了A-IUT設(shè)備,試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)試樣進(jìn)行了掃查探傷,記錄下了裂紋起始和擴(kuò)展進(jìn)程,通過(guò)定位、液氮浸泡、打開(kāi)HIC裂紋面,結(jié)合掃描電鏡發(fā)現(xiàn)了織構(gòu){100}有利于裂紋擴(kuò)展?？梢?jiàn),其充分發(fā)揮了A-IUT技術(shù)的優(yōu)勢(shì),在不破壞試樣的情況下,掌握了氫致裂紋的起始、擴(kuò)展情況,對(duì)研究材料開(kāi)裂原因、裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)提供了很大的幫助。

圖6 原位觀察HIC裂紋示意圖

4 結(jié)論

(1) 利用全自動(dòng)浸入式超聲探傷技術(shù),可以對(duì)HIC試樣進(jìn)行更加全面的分析,而傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)三截面金相評(píng)定方法因局限于有限截面上有可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)材料抗HIC性能的誤判。尤其在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中,在有限的試驗(yàn)中能更加準(zhǔn)確地評(píng)定材料的抗HIC性能顯得尤為重要。

(2) 利用全自動(dòng)浸入式超聲探傷技術(shù),可以直觀地看到裂紋的大小、位置及相互間的關(guān)系,其對(duì)于后續(xù)的分析研究、工藝優(yōu)化是非常有利的。

(3) 在全自動(dòng)浸入式超聲探傷中,表面附近的裂紋會(huì)產(chǎn)生一系列的假信號(hào),試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)認(rèn)真識(shí)別,可以通過(guò)翻轉(zhuǎn)試樣等方法進(jìn)行消除;關(guān)于閾值水平的設(shè)定,為使報(bào)出裂紋大小和實(shí)際更為接近,可考慮空白試樣對(duì)照或試樣中無(wú)明顯缺陷位置找出干擾信號(hào)水平來(lái)進(jìn)行設(shè)定。

(4) 軟件功能有待優(yōu)化提升,如試樣邊緣的自動(dòng)識(shí)別、裂紋開(kāi)裂最寬位置定位、根據(jù)實(shí)際試樣尺寸計(jì)算CAR值等。

(5) 100 ksi鋼級(jí)材料在A溶液中HIC敏感性顯著,按標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定為不合格材料,而在B溶液中該材料不敏感,未發(fā)現(xiàn)任何裂紋(無(wú)論A-IUT還是金相分析),兩種環(huán)境下差異顯著,該材料在實(shí)際應(yīng)用中要識(shí)別應(yīng)用環(huán)境方可使用。