焊接接头的磁记忆检测

2020-10-12戈浩

无损检测 2020年9期

戈浩

(1.浙江省特种设备科学研究院，杭州 310020；2.浙江省特种设备安全检测技术研究重点实验室，杭州 310020)

近几年国内发生了数起压力管道爆裂的安全事故，推动了压力管道定期检验工作的全面开展。由于历史原因，压力管道的制造和安装存在很多不足[1]，而定期检验工期短、工作量大、要求高，存在很多困难。

根据标准TSG D 7005-2018 《压力管道定期检验规则-工业管道》，对压力管道焊接接头按照一定的抽查比例进行检测，抽查的比例不高，并且具有一定的盲目性和随机性。现实中，定期检验有效期内的压力管道出现失效的现象时有发生，这往往是由于检测工作量大、检验工期短、现有的抽检方式导致有缺陷的焊接接头未被抽查造成的。

笔者开展了压力管道焊接接头的磁记忆检测技术研究，在进行常规无损检测之前，利用磁记忆技术不需要打磨、检测快速、方便的特点，先对焊接接头进行磁记忆检测，再对存在异常信号的焊接接头进行常规无损检测，以提高检测的针对性，提高缺陷的检出率，减少打磨等辅助工作，获得更好的检测效果。

1 磁记忆检测原理

磁记忆检测原理为，处于地磁场环境下的铁制构件受工作载荷的作用，其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向，并在应力与变形集中区形成最大的漏磁场Hp的变化，即磁场的切向分量Hp(x)具有最大值，而法向分量Hp(y)改变符号且具有零值点。这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后继续保留。通过对漏磁场法向分量Hp(y)的测定，便可准确推断工件的应力集中部位[2]。

2 试板检测试验

设计了2块焊接试板，每块试板上制作3个典型焊接缺陷。1#试板制作条孔、纵向裂纹、根部未焊透缺陷；2#试板制作焊趾裂纹、内凹、未熔合缺陷。

对2块试板分别进行了TOFD(超声波衍射时差法)、射线、相控阵超声、磁记忆检测，检测结果如图310所示。

在试板的正面和反面分别进行了TOFD、磁记忆检测，并在试板的正面进行了相控阵超声检测。TOFD检测采用的仪器型号为ISONIC 2008，探头频率为7.5 MHz，直径为6 mm，入射角度为60°，PCS(探头中心间距)为39 mm，探头前沿为8.5 mm；相控阵超声检测采用的仪器型号为ISONIC 2009 DUET，探头阵元数量n=16，频率f=7.5 MHz，阵元间距p=0.5 mm，阵元宽度e=0.4 mm,阵元间隙g=0.1 mm,楔块角度为39°，相控阵超声检测时采用CSK-IA和CSK-IIA-1试块调节仪器和检测灵敏度，耦合补偿为4 dB；磁记忆检测采用的仪器型号为TSC-1M-4。

2.1 试板

2.1.1 1#试板(UT04-T16-X)缺陷设计参数

1#试板(UT04-T16-X)中设计了3个典型缺陷(条孔、纵向裂纹、根部未焊透)，缺陷位置如图1所示，试板尺寸(长×宽×厚)为350 mm×350 mm×16 mm，焊接方法为手工电弧焊，材料为Q345R钢，坡口型式为X型，焊缝宽度为12～14 mm，焊缝余高为0～2 mm。设计参数如表1所示。

图1 1#试板焊缝截面缺陷位置示意

表1 1#试板(UT04-T16-X)缺陷设计参数 mm

2.1.2 2#试板(UT03-T16-V)缺陷设计参数

2#(UT03-T16-V)中设计了3个典型缺陷(表面焊趾裂纹、内凹、坡口未熔合)，缺陷位置如图2所示，试板尺寸(长×宽×厚)为350 mm×350 mm×16 mm，焊接方法为手工电弧焊，材料为Q345R钢，坡口型式为V型，焊缝宽度为20～22 mm，焊缝余高为0～2 mm。设计参数如表2所示。

图2 2#试板焊缝截面缺陷位置示意

表2 2#试板(UT03-T16-V)缺陷设计参数 mm

2.2 检测结果

对2块试板分别进行了TOFD、射线、相控阵超声、磁记忆检测，1#试板(UT04-T16-X)各项检测结果如图36所示。

图4 1#试板(UT04-T16-X)射线检测底片

图5 1#试板(UT04-T16-X)相控阵超声检测结果

图6 1#试板(UT04-T16-X)磁记忆检测结果

2#试板(UT03-T16-V)各项检测结果如图710所示。

图7 2#试板(UT03-T16-V)TOFD检测结果

各检测方法结果对比如表35所示，其中*表示在试板反面检测得到的数据。

图8 2#试板(UT03-T16-V)射线检测底片

图9 2#试板(UT03-T16-V)相控阵超声检测结果

表3 缺陷1各方法检测结果对比

图10 2#试板(UT03-T16-V)磁记忆检测结果

表4 缺陷2 各方法检测结果对比

表5 缺陷3各方法检测结果对比

3 现场检测

某电厂动力管道定期检验时，在射线检测前对在役压力管道焊接接头进行了磁记忆检测，磁记忆检测发现有2个焊接接头存在明显异常信号。磁记忆和射线检测的结果如图11所示。其中焊接接头CX-4材料为20G，设计温度和设计压力分别为175 ℃，3.8 MPa，焊接接头HRM-5材料为20G，设计温度和设计压力分别为350 ℃，1.47 MPa。

图11 在役压力管道焊接接头检测结果

4 结果与分析

TOFD、射线、相控阵超声的检测结果和缺陷的设计参数保持了较好的一致性。

根据焊接试板的磁记忆检测结果，可以得出以下结论。

(1)缺陷部位基本存在磁记忆异常信号特征。存在缺陷的位置(在试板正面检测时内凹缺陷未检测出来)都存在磁场法向分量“过零点”的现象，磁场梯度有的较大，有的较小；缺陷和磁记忆探头之间的距离对检测结果也有一定影响。#1试板中缺陷1(条孔)距离下表面较近，距离上表面较远，下表面的磁记忆检测效果更；#2试板中缺陷1(表面焊趾裂纹)在试板正面的检测结果比在试板反面的更明显；#1试板缺陷3(未焊透)距离上下表面的距离相同，磁记忆检测结果相差不大；磁记忆检测时在缺陷位置并不是所有通道都会出现“过零点”和磁场梯度较大的现象，这是因为传感器不同通道之间是有间距的，缺陷的漏磁场只能被部分通道检测到。

(2)有些没有缺陷的部位，磁记忆检测也存在异常信号。在#1试板正面检测时，位于210 mm附近，通道1、通道3的检测结果(Hp-1、Hp-3)出现“过零点”现象，磁场强度梯度也较大，但是此区域没有预制缺陷，其余检测方法也未检测到缺陷；在试板反面检测时，位于215 mm附近，通道4的检测结果(Hp-4)存在“过零点”现象，此处也没有预制缺陷。在#2试板正面扫查时，在169～187 mm处，预制了内凹缺陷，各通道的检测结果没有“过零点”现象；反面扫查时，位于210 mm附近，检测结果出现“过零点”现象，但此区域并没有缺陷。

无缺陷部位出现磁记忆异常信号，可能是由于焊接残余应力、结构不连续等原因产生的漏磁场造成的。

(3)磁记忆检测对缺陷的定位有一定的偏差，即磁记忆信号过零点以及磁场梯度较大的位置，与预制缺陷的位置有一定的偏差。这是由于漏磁最大值并不是在缺陷处，而是出现在缺陷引起的残余应力最大处附近。另外，目前的磁记忆只是定性检测，对缺陷的大小和严重性难以定量。

对在役压力管道焊接接头进行磁记忆检测，检测结果显示：焊接接头CX-4在170～180 mm处，通道2、通道3、通道4的磁记忆检测结果(Hp-2、Hp-3、Hp-4)存在“过零点”现象，同时磁场强度梯度值也较大，经射线检测发现该位置存在一个φ4 mm的圆形缺陷；焊接接头HRM-5的磁记忆检测信号存在多处“过零点”现象，其中有4处磁场梯度较大，经射线检测发现焊接接头中存在多处圆形缺陷，条形缺陷。另外，焊接接头CX-4和HRM-5的磁记忆检测结果中有些“过零点”的位置，射线检测并没有发现缺陷。

和焊接试板不同，工作温度和工作压力可能改变在役压力管道焊接接头的残余应力和应力集中状态分布，进而对磁记忆检测信号产生影响。闻庆松等[3]研究了温度对金属磁记忆检测的影响，发现达到试样材料的居里点之前,温度对磁记忆检测的影响不大。徐济进等[4]研究了水压试验(工作压力的1.5倍，15 MPa)前后焊接残余应力的变化，发现水压试验后，焊接接头的平均残余应力有所降低，分布更均匀，但焊缝区依然有较高的残余应力。在役压力管道的工作温度比居里点的温度低得多，工作压力比水压试验低得多，工作温度和工作压力对应力集中状态分布和磁记忆检测信号的影响应该是十分有限的。在用压力管道焊接接头中的缺陷仍然会引起应力集中，产生异常漏磁信号，所检测的在用压力管道和焊接试板磁记忆检测表现出类似的信号特征，也说明了这一特点。