焊接接頭的磁記憶檢測

戈 浩

(1.浙江省特種設(shè)備科學研究院，杭州 310020；2.浙江省特種設(shè)備安全檢測技術(shù)研究重點實驗室，杭州 310020)

近幾年國內(nèi)發(fā)生了數(shù)起壓力管道爆裂的安全事故，推動了壓力管道定期檢驗工作的全面開展。由于歷史原因，壓力管道的制造和安裝存在很多不足[1]，而定期檢驗工期短、工作量大、要求高，存在很多困難。

根據(jù)標準TSG D 7005-2018 《壓力管道定期檢驗規(guī)則-工業(yè)管道》，對壓力管道焊接接頭按照一定的抽查比例進行檢測，抽查的比例不高，并且具有一定的盲目性和隨機性?，F(xiàn)實中，定期檢驗有效期內(nèi)的壓力管道出現(xiàn)失效的現(xiàn)象時有發(fā)生，這往往是由于檢測工作量大、檢驗工期短、現(xiàn)有的抽檢方式導致有缺陷的焊接接頭未被抽查造成的。

筆者開展了壓力管道焊接接頭的磁記憶檢測技術(shù)研究，在進行常規(guī)無損檢測之前，利用磁記憶技術(shù)不需要打磨、檢測快速、方便的特點，先對焊接接頭進行磁記憶檢測，再對存在異常信號的焊接接頭進行常規(guī)無損檢測，以提高檢測的針對性，提高缺陷的檢出率，減少打磨等輔助工作，獲得更好的檢測效果。

1 磁記憶檢測原理

磁記憶檢測原理為，處于地磁場環(huán)境下的鐵制構(gòu)件受工作載荷的作用，其內(nèi)部會發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向，并在應力與變形集中區(qū)形成最大的漏磁場Hp的變化，即磁場的切向分量Hp(x)具有最大值，而法向分量Hp(y)改變符號且具有零值點。這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作載荷消除后繼續(xù)保留。通過對漏磁場法向分量Hp(y)的測定，便可準確推斷工件的應力集中部位[2]。

2 試板檢測試驗

設(shè)計了2塊焊接試板，每塊試板上制作3個典型焊接缺陷。1#試板制作條孔、縱向裂紋、根部未焊透缺陷；2#試板制作焊趾裂紋、內(nèi)凹、未熔合缺陷。

對2塊試板分別進行了TOFD(超聲波衍射時差法)、射線、相控陣超聲、磁記憶檢測，檢測結(jié)果如圖310所示。

在試板的正面和反面分別進行了TOFD、磁記憶檢測，并在試板的正面進行了相控陣超聲檢測。TOFD檢測采用的儀器型號為ISONIC 2008，探頭頻率為7.5 MHz，直徑為6 mm，入射角度為60°，PCS(探頭中心間距)為39 mm，探頭前沿為8.5 mm；相控陣超聲檢測采用的儀器型號為ISONIC 2009 DUET，探頭陣元數(shù)量n=16，頻率f=7.5 MHz，陣元間距p=0.5 mm，陣元寬度e=0.4 mm,陣元間隙g=0.1 mm,楔塊角度為39°，相控陣超聲檢測時采用CSK-IA和CSK-IIA-1試塊調(diào)節(jié)儀器和檢測靈敏度，耦合補償為4 dB；磁記憶檢測采用的儀器型號為TSC-1M-4。

2.1 試板

2.1.1 1#試板(UT04-T16-X)缺陷設(shè)計參數(shù)

1#試板(UT04-T16-X)中設(shè)計了3個典型缺陷(條孔、縱向裂紋、根部未焊透)，缺陷位置如圖1所示，試板尺寸(長×寬×厚)為350 mm×350 mm×16 mm，焊接方法為手工電弧焊，材料為Q345R鋼，坡口型式為X型，焊縫寬度為12～14 mm，焊縫余高為0～2 mm。設(shè)計參數(shù)如表1所示。

圖1 1#試板焊縫截面缺陷位置示意

表1 1#試板(UT04-T16-X)缺陷設(shè)計參數(shù) mm

2.1.2 2#試板(UT03-T16-V)缺陷設(shè)計參數(shù)

2#(UT03-T16-V)中設(shè)計了3個典型缺陷(表面焊趾裂紋、內(nèi)凹、坡口未熔合)，缺陷位置如圖2所示，試板尺寸(長×寬×厚)為350 mm×350 mm×16 mm，焊接方法為手工電弧焊，材料為Q345R鋼，坡口型式為V型，焊縫寬度為20～22 mm，焊縫余高為0～2 mm。設(shè)計參數(shù)如表2所示。

圖2 2#試板焊縫截面缺陷位置示意

表2 2#試板(UT03-T16-V)缺陷設(shè)計參數(shù) mm

2.2 檢測結(jié)果

對2塊試板分別進行了TOFD、射線、相控陣超聲、磁記憶檢測，1#試板(UT04-T16-X)各項檢測結(jié)果如圖36所示。

圖4 1#試板(UT04-T16-X)射線檢測底片

圖5 1#試板(UT04-T16-X)相控陣超聲檢測結(jié)果

圖6 1#試板(UT04-T16-X)磁記憶檢測結(jié)果

2#試板(UT03-T16-V)各項檢測結(jié)果如圖710所示。

圖7 2#試板(UT03-T16-V)TOFD檢測結(jié)果

各檢測方法結(jié)果對比如表35所示，其中*表示在試板反面檢測得到的數(shù)據(jù)。

圖8 2#試板(UT03-T16-V)射線檢測底片

圖9 2#試板(UT03-T16-V)相控陣超聲檢測結(jié)果

表3 缺陷1各方法檢測結(jié)果對比

圖10 2#試板(UT03-T16-V)磁記憶檢測結(jié)果

表4 缺陷2 各方法檢測結(jié)果對比

表5 缺陷3各方法檢測結(jié)果對比

3 現(xiàn)場檢測

某電廠動力管道定期檢驗時，在射線檢測前對在役壓力管道焊接接頭進行了磁記憶檢測，磁記憶檢測發(fā)現(xiàn)有2個焊接接頭存在明顯異常信號。磁記憶和射線檢測的結(jié)果如圖11所示。其中焊接接頭CX-4材料為20G，設(shè)計溫度和設(shè)計壓力分別為175 ℃，3.8 MPa，焊接接頭HRM-5材料為20G，設(shè)計溫度和設(shè)計壓力分別為350 ℃，1.47 MPa。

圖11 在役壓力管道焊接接頭檢測結(jié)果

4 結(jié)果與分析

TOFD、射線、相控陣超聲的檢測結(jié)果和缺陷的設(shè)計參數(shù)保持了較好的一致性。

根據(jù)焊接試板的磁記憶檢測結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。

(1)缺陷部位基本存在磁記憶異常信號特征。存在缺陷的位置(在試板正面檢測時內(nèi)凹缺陷未檢測出來)都存在磁場法向分量“過零點”的現(xiàn)象，磁場梯度有的較大，有的較??；缺陷和磁記憶探頭之間的距離對檢測結(jié)果也有一定影響。#1試板中缺陷1(條孔)距離下表面較近，距離上表面較遠，下表面的磁記憶檢測效果更；#2試板中缺陷1(表面焊趾裂紋)在試板正面的檢測結(jié)果比在試板反面的更明顯；#1試板缺陷3(未焊透)距離上下表面的距離相同，磁記憶檢測結(jié)果相差不大；磁記憶檢測時在缺陷位置并不是所有通道都會出現(xiàn)“過零點”和磁場梯度較大的現(xiàn)象，這是因為傳感器不同通道之間是有間距的，缺陷的漏磁場只能被部分通道檢測到。

(2)有些沒有缺陷的部位，磁記憶檢測也存在異常信號。在#1試板正面檢測時，位于210 mm附近，通道1、通道3的檢測結(jié)果(Hp-1、Hp-3)出現(xiàn)“過零點”現(xiàn)象，磁場強度梯度也較大，但是此區(qū)域沒有預制缺陷，其余檢測方法也未檢測到缺陷；在試板反面檢測時，位于215 mm附近，通道4的檢測結(jié)果(Hp-4)存在“過零點”現(xiàn)象，此處也沒有預制缺陷。在#2試板正面掃查時，在169～187 mm處，預制了內(nèi)凹缺陷，各通道的檢測結(jié)果沒有“過零點”現(xiàn)象；反面掃查時，位于210 mm附近，檢測結(jié)果出現(xiàn)“過零點”現(xiàn)象，但此區(qū)域并沒有缺陷。

無缺陷部位出現(xiàn)磁記憶異常信號，可能是由于焊接殘余應力、結(jié)構(gòu)不連續(xù)等原因產(chǎn)生的漏磁場造成的。

(3)磁記憶檢測對缺陷的定位有一定的偏差，即磁記憶信號過零點以及磁場梯度較大的位置，與預制缺陷的位置有一定的偏差。這是由于漏磁最大值并不是在缺陷處，而是出現(xiàn)在缺陷引起的殘余應力最大處附近。另外，目前的磁記憶只是定性檢測，對缺陷的大小和嚴重性難以定量。

對在役壓力管道焊接接頭進行磁記憶檢測，檢測結(jié)果顯示：焊接接頭CX-4在170～180 mm處，通道2、通道3、通道4的磁記憶檢測結(jié)果(Hp-2、Hp-3、Hp-4)存在“過零點”現(xiàn)象，同時磁場強度梯度值也較大，經(jīng)射線檢測發(fā)現(xiàn)該位置存在一個φ4 mm的圓形缺陷；焊接接頭HRM-5的磁記憶檢測信號存在多處“過零點”現(xiàn)象，其中有4處磁場梯度較大，經(jīng)射線檢測發(fā)現(xiàn)焊接接頭中存在多處圓形缺陷，條形缺陷。另外，焊接接頭CX-4和HRM-5的磁記憶檢測結(jié)果中有些“過零點”的位置，射線檢測并沒有發(fā)現(xiàn)缺陷。

和焊接試板不同，工作溫度和工作壓力可能改變在役壓力管道焊接接頭的殘余應力和應力集中狀態(tài)分布，進而對磁記憶檢測信號產(chǎn)生影響。聞慶松等[3]研究了溫度對金屬磁記憶檢測的影響，發(fā)現(xiàn)達到試樣材料的居里點之前,溫度對磁記憶檢測的影響不大。徐濟進等[4]研究了水壓試驗(工作壓力的1.5倍，15 MPa)前后焊接殘余應力的變化，發(fā)現(xiàn)水壓試驗后，焊接接頭的平均殘余應力有所降低，分布更均勻，但焊縫區(qū)依然有較高的殘余應力。在役壓力管道的工作溫度比居里點的溫度低得多，工作壓力比水壓試驗低得多，工作溫度和工作壓力對應力集中狀態(tài)分布和磁記憶檢測信號的影響應該是十分有限的。在用壓力管道焊接接頭中的缺陷仍然會引起應力集中，產(chǎn)生異常漏磁信號，所檢測的在用壓力管道和焊接試板磁記憶檢測表現(xiàn)出類似的信號特征，也說明了這一特點。

5 結(jié)語

在役壓力管道和試板上的焊接缺陷(氣孔、裂紋、未熔合、未焊透等)均會引起應力集中而產(chǎn)生漏磁信號，漏磁信號能通過磁記憶的方法檢測出來。

磁記憶技術(shù)主要用于應力集中部位和應力集中程度的檢測。壓力管道定期檢驗時，可以先使用磁記憶技術(shù)定位出焊接接頭的“薄弱區(qū)域”，再對存在“薄弱區(qū)域”的焊接接頭進行針對性的常規(guī)無損檢測。在相同的抽查比例和檢測工作量下，可以提高缺陷的檢出率，減少打磨等輔助工作，獲得更好的檢測效果。