某Q345R钢制压力容器超声测厚异常原因

马 江, 王 峰, 薛永盛, 李 勇

(河南省锅炉压力容器安全检测研究院, 郑州 450016)

低合金高强度钢压力容器广泛用于炼油，化工，能源等行业。受服役环境温度、压力、介质等因素影响，压力容器存在泄漏和爆炸风险。压力容器一旦出现上述风险，会造成火灾、中毒、环境污染等事故，严重影响人的生命安全[1-3]。国家、行业标准对该类钢制压力容器的制造和使用都有严格的要求。

在低合金高强度钢压力容器制造过程中，通常采用超声、射线及磁粉等检测方法对钢板及焊缝进行无损探伤，并对钢板表面及内部缺陷进行修复。在实际检测过程中会存在缺陷漏检的问题[4]，这会对压力容器的安全使用造成不利影响。

依据GB 713-2014《锅炉和压力容器用钢板》标准，某公司采用26 mm厚Q345R钢板来制压力容器，在产品监督检验过程中，采用CTS-30A型超声波测厚仪测得其筒节及球形封头等位置处钢板的厚度仅为13 mm左右，推测该批钢板存在内部缺陷。采用友联PXUT-350型全数字智能超声波探伤仪和2.5P14-D型单晶直探头对钢板厚度异常部位进行缺陷检测，未发现明显内部缺陷，其厚度均与千分尺测得的厚度一致为26 mm。采用5P14F10型超声波探伤仪配合双晶直探头对Q345R钢板厚度异常位置进行复测，发现在钢板1/2厚度处存在明显缺陷回波。

为了确保压力容器的安全使用，笔者通过化学成分分析、力学性能试验和显微组织观察等方法，对压力容器超声测厚异常部位进行检测，以期为提高钢板类似内部缺陷的检出率提供参考依据。

1 理化检验

1.1 化学成分分析

在压力容器超声测厚异常部位截取试样，采用牛津火花台式直读光谱分析仪测量其化学成分。由表1可见，各元素含量均符合GB 713-2014标准对Q345R钢的技术要求。

表1 压力容器超声测厚异常部位的化学成分

1.2 力学性能试验

压力容器厚度为26 mm，满足GB 713-2014标准要求(大于16～36 mm)。在压力容器厚度异常位置处截取拉伸、冲击及弯曲试样，进行力学性能试验。表2中D为弯心直径，a为试样厚度。由表2可见，该压力容器超声测厚异常位置处的力学性能均符合GB 713-2014标准对Q345R钢的技术要求。

表2 压力容器超声测厚异常部位的力学性能

1.3 显微组织观察

在压力容器超声测厚异常部位截取试样，经打磨、抛光后，用4%(质量分数)硝酸酒精浸蚀，采用蔡司台式光学显微镜观察显微组织。由图1可见：壁1/4厚度处的显微组织为铁素体+珠光体，晶粒度为9级，无异常；壁1/2厚度处的显微组织主要为铁素体+珠光体，晶粒度为9级，可见多条与珠光体不同的灰色过冷组织，过冷组织中可见片状MnS夹杂物；壁1/2厚度处的灰色过冷组织内部及其与铁素体边界处可见多条超过100 μm的微裂纹。

图1 压力容器超声测厚异常部位不同位置处的显微组织

2 分析与讨论

通常情况下，Q345R钢板中锰元素含量控制在GB 713-2014标准要求的下限值，材料的力学性能即可满足标准要求。过高的锰含量能使材料的强度提高、塑性降低，同时,铸坯在凝固过程中，锰元素极易向心部富集，导致钢板厚度方向中心位置处出现大量MnS夹杂物，以及贝氏体、马氏体等异常过冷组织，这种硬而脆的过冷组织会破坏钢板的组织连续性，当受到外力或热加工过程中的温度应力作用时，在MnS夹杂物或过冷组织与铁素体界面处会产生应力集中，从而形成微裂纹。因此，对于低合金高强度钢中的锰含量，在保证材料强度要求的基础上，适当控制加入量，减少钢板内部锰偏析造成的组织异常及内部缺陷。

压力容器超声测厚异常部位的显微组织异常，且沿钢板轧制方向板厚1/2处存在微裂纹，但使用超声波探伤仪并未发现有缺陷回波显示。根据NB/T 47013.3《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》标准中关于承压设备用钢板超声检测直探头的选用要求，对于厚度为20～60 mm的钢板，可选用单晶直探头或双晶直探头进行检测。

根据GB 150-2011《压力容器》标准，在介质毒性为极度或高度危害以及湿H2S环境中，壳体用钢板厚度不小于12 mm的压力容器，需按JB/T 4730.3《JB/T4730.3》标准中规定的方法进行超声检测，且质量等级不低于Ⅱ级。对于该压力容器厚度异常部位，使用超声波探伤仪和单晶直探头进行超声探伤，符合NB/T 47013.3-2015标准的技术要求，但并未发现钢板中心部位的裂纹缺陷。

超声波探头(波源)发射的超声场具有特殊的结构，只有当缺陷位于超声场内时，才有可能被仪器发现。由于波的干涉，波源附近会出现声压极大值和极小值区域，一般称为近场区。由于处于声压极小值处的较大缺陷回波可能较低，而处于声压极大值处的较小缺陷回波可能较高，这就容易引起误判，甚至漏检。波源近场区长度可用式式(1)计算得出。在试验中，2.5P14-D型单晶直探头的近场区长度约为20.8 mm，钢板内部缺陷位于距声源13.3 mm的近场区范围内，当扫查速率较快时，易导致该处缺陷漏检。

(1)

式中：N为近场区长度；Fs为波源面积，Fs=πD2/4(D为波源直径)；λ为波长。

改用5P14F10型双晶直探头对缺陷部位进行复测，该探头的上盲区长度为5 mm，检测出了26 mm厚钢板厚度1/2处的内部缺陷。

根据NB/T 47013.3-2015标准规定，对于承压特种设备用20～60 mm厚钢板，可以选择标称频率为2～5 MHz、圆形晶片直径为φ(10～30 mm)的双晶直探头或单晶直探头进行超声波探伤。对于20～40 mm厚钢板，其内部缺陷主要集中在厚度中心区域，此厚度范围处于单晶直探头的近场区，易出现内部缺陷漏检情况。

建议对于厚度为20～40 mm的承压特种设备用钢，在NB/T 47013.3-2015超声检测标准相关要求的基础上，应尽量采用双晶直探头进行内部缺陷的超声检测。

3 结论及建议

(1) 压力容器超声测厚异常部位的锰含量偏高，导致其厚度中心位置出现大量MnS夹杂物和贝氏体、马氏体等异常过冷组织，在制造过程中，由于受到外力或热加工过程中温度应力作用时，在过冷组织内部夹杂物位置处和过冷组织与铁素体界面处会产生应力集中，从而导致微裂纹的形成,使得超声测厚存在异常。

(2) 采用2.5P14-D型单晶直探头对26 mm厚Q345R钢制压力容器进行超声检测时，钢板内部中心缺陷位于距声源13 mm的近场区范围内，当扫查速率较快时，易导致内部中心缺陷漏检。改用5P14F10型双晶直探头则能够检测出内部缺陷。

(3) 对于厚度为20～40 mm的承压特种设备用钢，在NB/T 47013.3-2015超声检测标准要求的基础上，建议采用双晶直探头进行内部缺陷的超声检测，以提高缺陷的检出率。