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        民用核鈦合金設(shè)備焊接接頭的目視檢測

        2022-10-19 00:48:10石養(yǎng)鑫
        無損檢測 2022年9期
        關(guān)鍵詞:焊縫檢測

        石養(yǎng)鑫,張 成,亢 浩,魏 侃

        (西安優(yōu)耐特容器制造有限公司,西安 710201)

        鈦材因在濕氯氣、高溫鹽等工況中具有良好的耐蝕性,已被廣泛應(yīng)用于制造石油化工、化纖、精細(xì)化工、能源等行業(yè)使用的熱交換器、塔器、反應(yīng)器等設(shè)備。鈦材具有較高的活性,在400 ℃時(shí)開始吸氧、600 ℃開始吸氮,當(dāng)鈦焊縫中含有這些氣體成分時(shí),其焊接接頭的沖擊性能、塑性和韌性甚至耐蝕性能都會不同程度的降低,因此鈦材一般采用惰性氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接,且對焊接氣氛要求極高。

        目前,民用核鈦合金設(shè)備應(yīng)用相對較少,其目視檢測無專用成熟的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,而鈦合金設(shè)備在制造過程中經(jīng)常會出現(xiàn)焊縫外觀缺陷或接頭表面氧化等問題,目視檢測時(shí),由于缺少權(quán)威統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),檢測結(jié)果常判定不準(zhǔn)確和存在爭議。筆者結(jié)合多年鈦合金焊接接頭目視檢測實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn),并參照ASME規(guī)范 《鍋爐及壓力容器規(guī)范》 第Ⅴ卷第9章目視檢測要求、JB/T 4745 《鈦制焊接容器》-2002制定了鈦合金焊接接頭的目視檢測工藝[1],并以18 mm×2 mm(直徑×壁厚,下同)的TA2合金管對接焊縫為例,介紹了目視檢測工藝及工藝驗(yàn)證的方法,并確定了最佳檢測工藝,可為同類設(shè)備的目視檢測提供參考。

        1 檢測設(shè)備及儀器

        焊縫目視檢測應(yīng)選擇與被檢測對象及環(huán)境等相匹配的設(shè)備和儀器,一般包括照度計(jì)、靈敏度灰卡、放大鏡、粗糙度儀、焊縫檢測尺、焊縫檢測樣板[2]、游標(biāo)卡尺、人工照明光源(白熾燈、手電筒)、視頻內(nèi)窺鏡及輔助工裝等。儀器應(yīng)處于良好狀態(tài)并在標(biāo)定合格有效期內(nèi),對于目前國家法定計(jì)量單位暫未開展鑒定工作的儀器,應(yīng)自行采用適當(dāng)?shù)谋葘Ψ椒ㄟM(jìn)行校驗(yàn)或校準(zhǔn),以保證檢測數(shù)據(jù)的可信度以及精度在允許的誤差范圍內(nèi)。

        2 驗(yàn)證試樣

        為了保證檢測過程中工藝系統(tǒng)的有效性,以及驗(yàn)證檢測人員的能力,需制作目視檢測的專用驗(yàn)證試樣。

        2.1 分辨力驗(yàn)證試樣

        目前核工業(yè)均采用18%的中性灰卡作為目視檢測的參考背景,考慮到鈦材表面呈銀亮色,為了使參考背景更接近于鈦材表面,將寬為0.2,0.4,0.6,0.8 mm的4種黑線或其他類似人工缺陷放在檢測區(qū)域中最難以觀察到的待檢部位表面或相近似的表面,并根據(jù)產(chǎn)品要求的分辨力確定所需識別的線寬度,若產(chǎn)品技術(shù)文件無特殊要求,則核級鈦合金設(shè)備焊接接頭表面直接目視檢測的分辨力至少應(yīng)達(dá)0.6 mm線寬。

        2.2 模擬對比試樣

        為了對目視檢測人員的技能水平及工藝系統(tǒng)進(jìn)行綜合評價(jià)和驗(yàn)證,應(yīng)制作模擬對比試樣,試樣與被檢件具有相同或相近的材料、結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài),外表面缺陷、焊接接頭顏色等。

        3 目視檢測方法

        核級鈦合金設(shè)備焊接接頭目視檢測方法包括直接目視檢測技術(shù)和間接目視檢測技術(shù)兩種。

        3.1 直接目視檢測技術(shù)

        直接目視檢測技術(shù)利用肉眼直接進(jìn)行檢測,通常用于現(xiàn)場目視可達(dá)部位的檢測。檢測時(shí)眼睛應(yīng)能充分靠近被檢焊縫,與被檢焊縫表面的距離不超過600 mm,眼睛與被檢焊縫表面所成的夾角不小于30°;檢測區(qū)域需有足夠的照明條件,一般檢測時(shí)至少要保證500 lx的光照強(qiáng)度,但不能有影響觀察的刺眼反光。在進(jìn)行核級鈦合金設(shè)備金屬表面檢測時(shí)不應(yīng)使用直射光,應(yīng)選用具有漫散射特性的光源;對于必須仔細(xì)觀察或發(fā)現(xiàn)異常情況需要做進(jìn)一步觀察和研究的焊縫區(qū)域,至少應(yīng)保證1 000 lx的光照強(qiáng)度。直接目視檢測技術(shù)應(yīng)能保證在與檢測環(huán)境相同的光源條件下,將分辨力驗(yàn)證試樣放在被檢區(qū)域中最難以觀察到的部位時(shí),至少能清晰分辨出一條規(guī)定寬度的線或其他類似人工缺陷。

        3.2 間接目視檢測技術(shù)

        對于肉眼不易或無法進(jìn)行直接目視檢測的被檢部位和區(qū)域,可借助于視頻內(nèi)窺鏡、反光鏡或其他合適的輔助設(shè)備進(jìn)行檢測,即進(jìn)行間接目視檢測[3]。間接目視檢測應(yīng)至少具有與直接目視檢測相當(dāng)?shù)姆直婺芰?。對于核級鈦合金設(shè)備焊接接頭的間接目視檢測,還需進(jìn)行適應(yīng)環(huán)境的工藝性驗(yàn)證試驗(yàn),保證目視檢測系統(tǒng)能夠滿足檢測工作的要求。

        工藝性驗(yàn)證試驗(yàn)一般在分辨力驗(yàn)證試樣和模擬對比試樣上進(jìn)行。驗(yàn)證環(huán)境應(yīng)盡可能與檢測環(huán)境相同或相近似,包括相似的表面條件或光照條件、表面結(jié)構(gòu)、反射比、表面粗糙度等。

        4 工藝試驗(yàn)

        用φ18 mm×2 mm TA2合金核級管的對接環(huán)焊縫來驗(yàn)證該檢測工藝的有效性。由于被檢管管徑較小,焊縫外表面可采用直接目視檢測,焊縫背面(焊縫根部)需采用間接目視檢測(視頻內(nèi)窺鏡)??紤]到在實(shí)際目視檢測時(shí),焊縫背面的間接目視檢測有一定技術(shù)難度,故試驗(yàn)主要對焊縫背部進(jìn)行間接目視檢測。

        4.1 檢測準(zhǔn)備

        檢測前需準(zhǔn)備照度計(jì)、視頻內(nèi)窺鏡、分辨力驗(yàn)證試樣、模擬對比試樣、檢測探頭輔助工裝等。

        考慮到鈦材本身具有金屬光澤,在檢測過程中可能會產(chǎn)生炫光,故要求所用視頻內(nèi)窺鏡的光源亮度可調(diào)節(jié),同時(shí)應(yīng)選擇對檢測顏色還原性較好的彩色視頻內(nèi)窺鏡。試驗(yàn)選用美柯MK-200型視頻內(nèi)窺鏡。

        為了保證檢測的準(zhǔn)確性,采用TA2合金材料作為參考背景,在該背景下應(yīng)能識別出規(guī)定寬度的黑線。

        制作與被檢件材料、規(guī)格等一致的模擬對比試樣,并采用相同的焊接工藝進(jìn)行焊接,在焊縫根部制作不同程度的焊縫氧化、咬邊、內(nèi)凹等具有代表性的焊接表面缺陷。

        被檢管管徑小,不能使用儀器上帶旋轉(zhuǎn)視向功能的探頭調(diào)節(jié)最佳觀察角度。為了保證觀察效果,選用0°視向和90°視向?qū)S锰筋^,分別從管端兩側(cè)觀察焊縫根部。利用光的反射原理,制作了一定角度的專用不銹鋼反光鏡片,加裝在0°視向探頭前端,通過光路轉(zhuǎn)折實(shí)現(xiàn)90°視向觀察,從而達(dá)到觀察檢測的目的。角度鏡工裝外觀如圖1所示。

        圖1 角度鏡工裝外觀

        為了保證內(nèi)窺鏡探頭能夠順利到達(dá)被檢部位,制作了輔助工裝,該工裝為數(shù)段10 mm×1.5 mm(直徑×壁厚),長為500~1 500 mm的不銹鋼管,其兩端加工螺紋,可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行拼接。輔助工裝外觀如圖2所示。

        圖2 輔助工裝外觀

        4.2 檢測工藝

        模擬被檢部位環(huán)境做視頻內(nèi)窺鏡檢測光照度測試,移動(dòng)視頻探頭逐漸接近照度計(jì)測量頭,并記錄測量照度值,光照度應(yīng)大于1 000 lx。光照度測量現(xiàn)場如圖3所示。

        圖3 光照度測量現(xiàn)場

        模擬被檢部位環(huán)境做視頻內(nèi)窺鏡分辨力測試,移動(dòng)視頻探頭逐漸接近分辨力驗(yàn)證試樣至0.6 mm粗的黑線能清晰可見。分辨力測試現(xiàn)場如圖4所示。

        圖4 分辨力測試現(xiàn)場

        檢查過程中,應(yīng)平緩移動(dòng)探頭,速度不超過10 mm/s。檢測焊縫及熱影響區(qū)的氧化色時(shí),采用直線進(jìn)退式掃描方式,每次掃查寬度不超過20 mm;采用間接目視檢測技術(shù)(即采用0°視向和90°視向的觀察方向),分別從管端兩側(cè)對焊縫根部進(jìn)行觀察檢測。

        4.3 檢測結(jié)果及分析

        檢測完成后對試樣進(jìn)行解剖,進(jìn)行評價(jià)及驗(yàn)證,檢測情況如下所述。

        (1) 根部焊縫及熱影響區(qū)顏色檢測。由管路兩端側(cè)0°視向, 90°視向觀察可見,焊縫及熱影響區(qū)均清晰可見藍(lán)色氧化(見圖5)。

        圖5 焊縫及熱影響區(qū)表面顏色觀察及解剖結(jié)果

        (2) 咬邊缺陷檢測。從管路兩端側(cè)0°視向觀察,發(fā)現(xiàn)咬邊缺陷不明顯;從管路兩端側(cè)90°視向觀察,發(fā)現(xiàn)咬邊缺陷較為明顯(見圖6)。

        圖6 咬邊缺陷觀察及解剖結(jié)果

        (3) 內(nèi)凹外觀缺陷檢測。從管路兩端側(cè)0°視向觀察,發(fā)現(xiàn)輕微內(nèi)凹缺陷顯示;從管路兩端側(cè)90°視向觀察,均發(fā)現(xiàn)明顯的內(nèi)凹缺陷(見圖7)。

        圖7 根部內(nèi)凹缺陷觀察及解剖結(jié)果

        (4) 焊瘤、內(nèi)凹、成型不良、藍(lán)色氧化缺陷檢測。從管路兩端側(cè)0°視向觀察,發(fā)現(xiàn)焊瘤缺陷;從管路兩端側(cè)90°視向觀察,均發(fā)現(xiàn)明顯的焊瘤、內(nèi)凹、成型不良、藍(lán)色氧化缺陷(見圖8)。

        圖8 外觀缺陷觀察結(jié)果

        (5) 無缺陷。從管路兩端側(cè)0°視向觀察,未發(fā)現(xiàn)缺陷;從管路兩端側(cè)90°視向觀察,未發(fā)現(xiàn)缺陷(見圖9)。

        圖9 無缺陷表面的觀察及解剖結(jié)果

        以上間接目視檢測試驗(yàn)結(jié)果表明,采用0°視向探頭從管路兩側(cè)進(jìn)行檢測,可以發(fā)現(xiàn)焊縫及熱影響區(qū)的氧化缺陷,而對于較小的外觀缺陷,則不易發(fā)現(xiàn)或顯示不明顯;采用90°視向探頭,無論從管路哪一側(cè)對根部焊縫表面進(jìn)行檢測,均能得到各種外觀缺陷較清晰的視頻圖像,缺陷形貌特征清晰可見,易于定性。對各模擬對比試樣進(jìn)行了解剖,解剖后所觀察到的焊縫原始表面缺陷形貌,與間接目視檢測90°視向探頭觀察到的缺陷圖像形貌完全吻合,即證明在其他工藝參數(shù)不變的情況下,選擇90°視向探頭對該結(jié)構(gòu)管路環(huán)向焊縫根部進(jìn)行間接目視檢測是合適的,檢測結(jié)果也是可靠的。

        試驗(yàn)確定了φ18 mm×2 mm TA2合金管根部焊縫間接目視檢測的最佳工藝參數(shù),并有效驗(yàn)證了檢測系統(tǒng)的可靠性,說明該工藝評價(jià)及驗(yàn)證方法是可行的。

        5 結(jié)語

        (1) 控制照明光源條件以達(dá)到最佳檢測觀察效果,調(diào)整觀察角度,避免表面炫光,使用與鈦表面反射光相適應(yīng)的照度級可更好地發(fā)現(xiàn)各種外觀表面缺陷。

        (2) 視頻內(nèi)窺鏡應(yīng)有自動(dòng)智能光強(qiáng)調(diào)整及手動(dòng)光強(qiáng)調(diào)整功能,并具有較好的色彩還原性,能夠識別出氧化缺陷。

        (3) 制作與被檢材料背景相同或相近似的分辨力驗(yàn)證試樣,以保證分辨力測試的真實(shí)性。

        (4) 制作與被檢對象材料、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)相同或相近似,并含有代表性缺陷的專用模擬對比試樣,以保證模擬試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

        (5) 民用核鈦合金設(shè)備焊接接頭在目視檢測前,需進(jìn)行必要的工藝性驗(yàn)證試驗(yàn),以保證目視檢測系統(tǒng)的可靠性。

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