分享：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)

摘 要:在超声测厚过程中,某 Q345R钢制压力容器在多处厚度存在异常,通过化学成分分析、 力学性能试验和显微组织观察等方法,对压力容器厚度异常部位的内部缺陷进行分析。结果表明: 压力容器厚度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,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,从而导致微裂纹形成。 

关键词:Q345R钢;压力容器;夹杂物;微裂纹

中图分类号:TG142.1+5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)03-0031-02

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 GB713-2014《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13mm 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26mm。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 GB713-2014标准 对 Q345R钢的技术要求。

1.2 力学性能试验

压力容器厚度为26mm,满足 GB713-2014标 准要求(大于16~36mm)。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 GB713-2014标准对 Q345R钢的技术要求。

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100μm 的微裂纹。

2 分析与讨论 

通常情况下,Q345R钢板中锰元素含量控制在 GB713-2014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/T47013.3《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20~60mm 的钢板,可选 用单晶直探头或双晶直探头进行检测。 

根据 GB150-2011《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/T47013.3-2015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20.8mm,钢板内部缺陷位于距声源13.3mm 的 近场区范围内,当扫查速率较快时,易导致该处缺陷 漏检。 N =Fsπλ (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 26mm 厚钢板厚度1/2处的内部缺陷。 

根据 NB/T47013.3-2015标准规定,对于承 压特种设备用20~60mm 厚钢板,可以选择标称频 率为2~5MHz、圆形晶片直径为?(10~30mm)的 双晶直探头或单晶直探头进行超声波探伤。对于 20~40mm 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20~40mm 的承压特种设备 用钢,在 NB/T47013.3-2015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26mm 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13mm 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/T47013.3-2015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。 

参考文献: [1] 高冬妹,谢艳玲,宋薇.压力容器在石油化工生产中实 际使用寿命的分析[J].黑龙江 科 技 信 息,2014(8): 33. [2] 姜军义,蒋悦.浅谈压力容器设计中容易出现的问题 [J].纯碱工业,2014(1):47-48. [3] 吴宗之.论重大危险源监控与重大事故隐患治理[J]. 中国安全科学学报,2003,13(9):20-23. [4] 王丽梅,王兴春,AndersenIsak.超声波检测横向缺陷 漏检案例分析[J].无损探伤,2018,42(1):38-41.

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