两种检测方法在分层缺陷中的检测分析与比较

王长蕾，徐海亮，胡修坤

（1.淄博市特种设备检验研究院，山东 淄博 255086；2.泰山学院，山东 泰安 271000）

分层缺陷出现在压力容器与压力管道的生命周期中的各个环节，分层缺陷属于内部缺陷，在制造过程中，由于钢坯或钢锭的质量问题，比如板坯中存在缩孔、夹渣等缺陷，在轧制钢板时未能很好地焊合，有可能会将钢板从中间分离成两层或者很多层，尤其是在复合材料的压力容器制造过程中，基层为合金钢，内衬不锈钢，加工贴合不紧密，存在分层，焊接过程中，不锈钢复层边缘离焊缝中心较近，在焊接时高温热循环过程中，焊接温度过高，况且热膨胀系数差别较大，在焊基层时复层反复受热膨胀，而引起复层张口，导致分层的缺陷出现。分层具有多种危害，一是，分层缺陷降低了承压件的有效厚度，恶化材料的力学性能，特别是沿厚度方向的强度、韧性、抗冲击能力和抗疲劳能力显著降低。二是，分层缺陷的边缘形状不规则，易形成尖角，容易引起应力集中，特别是在交变载荷作用下，比如吸附塔或者焦炭塔等设备，在应力集区形成交变应力，以致造成应力疲劳。三是，在长时间的湿硫化氢环境，H2S 与碳钢或者合金钢反应生成的氢原子向材料内部扩散，在分层处易聚集形成氢分子，形成孔穴结构由于很难逸出，从而形成强大内压导致其周围组织屈服，导致氢鼓包，这种现象在液化石油气储罐等设备中常见。

1 在定期检验中分层缺陷存在的初步判断

当分层缺陷延伸到钢板表面时，宏观检查时，打磨无法消除，可初步判定为分层缺陷。这种判断大多依据经验，无法定量。

（1）当用超声波测厚仪测厚时，如发现数据与设计图样标注筒体公称厚度或与其他部位厚度相差较大且有一定面积，可初步判定为分层缺陷。

这种办法大致可以判断分层后的有效厚度和大约面积。具体不是很准确。

（2）用超声波探伤仪对压力容器检测时，当发现表面与底波之间的回波波形陡直，底波明显下降或安全消失，可判定为分层缺陷的存在。采用单晶直探头或者双晶直探头可以确定分层的内外两面的厚度，以及缺陷的有效面积，但是需要反复测量，反复计算，不易在现场实施。

（3）用相控阵检测时，利用相控阵多种扫查方式对某在用压力容器筒体进行扫查和分析,由于扫描盲区小、精度高、连续成像的特点对在用设备进行检测，可以准确对分层缺陷的定位、定量，可以克服超声检测的局限性，可以检测小径薄壁管、PE 管、奥氏体不锈钢等埋藏的缺陷。

2 分层缺陷的定位与测量

在定期检验中，不仅要考虑母材与自由表面的夹角，判断设备安全等级，同时满足承压类用钢要求也是重要的考虑项。当判定为分层缺陷时，需测定分层的指示长度、面积、分层的缺陷高度，分层与母材自由表面的夹角等。现提供两种较为准确的测量方式，第一种采用超声波探伤仪直接接触法，另一种采用相控阵线性扫查测量。

2.1 采用脉冲反射式超声波探伤仪测量参数调节方法

脉冲反射式超声波探伤仪其性能应满足NB/T47013.3 的规定。探头选用：依据母材厚度，选用标称频率；试块选用：依据母材厚度，厚度小于20 mm 时，选用阶梯平底试块，厚度大于20 mm 时，板材对比试块或者被容器检板材无缺陷完好部位调节；基准灵敏度确定：与工件等厚部位试块或被检板材的第一次底波调整到满刻度的50%，再提高4.0 dB。当板厚大于20 mm 时，按所用探头和仪器在φ5 mm 平底孔试块上绘制距离-波幅曲线。

2.2 采用相控阵测量仪检测参数调节方法

当采用相控阵测量仪检测时，选择工艺参数，应注意以下几点：根据所检测母材的厚度确定检测范围，设置输入纵波、横波在钢中的声速，为了提高检测效率，如果耦合条件允许，可用多晶片探头，检测灵敏度与晶片数量无直接关系，只与合成声束数量有关。为了更好地检测缺陷，利用相控阵的聚焦功能，参考常规超声波检测设置灵敏度的方法，设置灵敏度为采用标准试块，使相控阵探头任一声束对5 mm 平底孔第一次回波高度达50%作为基准灵敏度。

3 分层指示长度及面积的测定以及夹角的测定

3.1 超声波探伤仪测量分层长度和面积及夹角

在分层处，找到最高波，即为分层的最高点，并记录厚度，以此为O 圆心，向X+、X-、 Y +、Y-、A +、A+、B+、B-八个方向移动，移动方向与探头隔声层相垂直，边界点的确定：当板材小于20 mm时，缺陷波下降到基准灵敏度条件下显示屏满刻度的50%；此处为边界点；当检测面厚度在20～60 mm 时，移动探头使缺陷波下降到距离-波幅曲线，探头中心即为边界点。底面第一次反射波波幅与之相反。缺陷边界确定后，以距离O 点最远的边界点为直径，画出缺陷的指示圆，指示圆的面积即缺陷的指示面积，同时记录每个边界点X+、X-、Y+、Y-、A+、A+、B+、B-的厚度，通过测量厚度与O 点到实际缺陷轮廓的距离，就可以测得缺陷与自由表面的夹角。此方法可以测量到8 个夹角，取其中的最大值作为判别方法，如图1。

图1 分层缺陷检测示意图

但此办法较为粗糙，很难找到夹角的实际的最大值，另一种方法为制作一个10 度的钢板试块，只需要测出深度差，就可以直观明了，便于操作。适合现场作业。难点在于需要制作专门的试块，成本高。

3.2 相控阵超声检测分层缺陷

可以选择多种扫描方式，综合运用线性扫描和扇形扫描，采用多种显示，比如C 显示，可以测得分层缺陷的面积和指示长度，S 扇形扫描可以测定缺陷的高度，参数设置简单，检测面积大，缺陷直观，可以运用计算机软件精确定位、定量缺陷，计算面积、深度、指示长度、与表面夹角。

4 两种检测方法在特种设备定期检验中分层缺陷检测的实例应用

在定期检验中，某企业一台液氨球罐，容积为1 499 m3，直径为14.2 m，工作压力为1.92 Mpa,工作温度为-17～50℃,材质为Q345R，厚度为55 mm,在中部赤道焊缝下侧球翘板处，发现测厚异常，从内向外侧，最小厚度为19.8 mm,从外向里侧，最小厚度为34.7 mm，区域大约40 mm×40 mm 区域，初步判断为分层缺陷。

采用普通超声波探伤仪检测，根据被检工件的母材厚度，确定采用2.5P20Z 探头，试块选用钢板对比试块-3 基准灵敏度调节：孔深15/30/45/60/80、Φ5 平底孔制作距离波幅曲线。依据上述方法测得数据如表1 所示：

表1 超声波探伤仪测量各方向厚度与自由表面夹角表

采用相控阵探伤仪检测，选用主频为5 MHZ，16 晶片标准探头，采用相控阵检测对比试块-4（15/30/45/60/80），灵敏度确定，按所用探头和仪器在力5 mm 平底孔上选用 TCG 或 DAC 进行灵敏度设置，并根据实际情况进行耦合补偿作为基准灵敏度。扫查敏度跟基准灵敏度相同。根据不同的扫查方式，选择不同角度的试块，线性扫查，选用0 度楔块，扇形扫查选用30°楔块。分别选用C 显示，S 显示。检图2 为扇形扫查S 型显示示意图。

图2 分层缺陷相控阵扇扫图

距离通过扇形扫查测得，如从X-方向向X+方向做扇形扫查，即可得到边界点X+到O 点的厚度；反之，即可得到边界点X-到O 点的厚度。测得结果如表2 所示。

表2 相控阵探伤仪测量各方向厚度与自由表面夹角表

5 结论

从以上的检测数据可以得出，相控阵检测得出的夹角普遍比普通测厚仪得出的夹角大，其中X+、Y-、B+、B-检测四组数据超过10%，甚至还有达到20%。普通超声检测时，边界点到O 的厚度可以通过测量得出，但是O 点到边界点的距离，只能假设成指示长度，无法准确给出，相控阵检测，可以明确的确定O 点到边界点的长度，因此，相控阵检测可以准确计算出夹角，所以，对于普通超声检测来说，只能在假设理想化条件下进行，检测数据太缺乏，计算太粗糙，很难找到最大的夹角，极易引起误判，对于一些单个分层、一二级压力容器，可以确定安全等级。但对一些高温、高压设备危险设备，并且存在大面积、多点分层缺陷时，相控阵检测可以发挥检测面积大、检测效率高、检验数据准确的优势，可以帮助检验人员准确判断设备的运行状况，确保设备安全运行。