9%Ni钢大型球罐焊缝的超声波探伤

    9%Ni钢作为制造液化天燃气贮罐的结构用钢已被世界各国普遍采用,它具有良好焊接性以及在低温条件下具有高强度、高韧性等优异性能.某石化公司从法国CMP公司引进四台容积为1 580m3的9%Ni钢球罐用于乙烯生产.但采用9%Ni钢建造压力较高、容积较大、贮存易燃易爆物料的低温球罐在我国尚缺乏经验.为确保安全,要求对所有焊缝进行超声探伤.普通结构钢的超声探伤技术较为成熟.9%Ni钢焊缝由于其晶粒结构的特殊性,通常用于焊缝探伤的横波入射法无法使用.基于此,我们就探伤方法进行了深入研究,并在9%Ni钢大型球罐焊缝探伤中得到了应用,取得了良好的结果.

    1 奥氏体不锈钢焊缝的晶粒结构特点

    奥氏体不锈钢焊缝晶粒结构与铁素体钢焊缝晶粒结构有显著的区别.在焊接过程中,这两种钢焊缝最初凝固都在每一焊道内产生柱状晶,晶粒沿焊道的最大温度梯度方向即31004晶向优先生长,从而形成有一定取向的晶粒.而后的熔敷金属又沉积在前面的焊道上,并对其重新加热.在铁素体钢焊缝中,由于固态下发生奥氏体向铁素体的转变(A-F的转变),使柱状晶全部或大部分消失.而在奥氏体不锈钢焊缝中,则不发生这种相变,因此柱状晶继续存在,并在每一新焊道重新熔化前面的焊道表面,使新的晶粒在已存在的晶粒上沿31004晶向接长,形成较长的柱状晶结构如图1(a),有时甚至穿过几个焊边,形成几厘米长的柱状晶粒如图1(b),其截面尺寸一般在015~2mm之间,且柱状晶整齐排列.由金相法、声速测量法、超声频谱法、X-射线衍射法分析可知,奥氏体不锈钢焊缝具有特殊正交各向异性结构,其柱状晶主轴沿31004晶向,在垂直于晶粒轴向上有许多晶粒,此平面上各向同性,其余方向各向异性.

    我们研究的9%Ni钢球罐母材为等轴晶的铁素体材料,晶粒度6~7级;焊缝熔合区由于紧接母材,冷却速度快,形成的组织主要是马氏体,晶粒较小,平均尺寸012mm;焊缝是具有整齐排列的粗大柱状晶奥氏体,平均尺寸为017mm.焊缝的宏观组织见图1(c).

    2 对9%Ni钢球罐奥氏体不锈钢焊缝超声探伤的分析

    试验发现,用通常的超声波法探测奥氏体焊缝时声衰减很大,草状杂波很多,信噪比很低,用一般横波斜探头几乎无法检测.由于各向异性粗大晶粒引起超声波散射和声衰减所致.草状回波是奥氏体粗晶晶界上的声散射,而声散射与晶粒的平均尺寸和所用声波波长、波型及脉冲宽度有关.据资料介绍,当晶粒平均尺寸接近波长的1/10时,便有明显的声散射;接近1/5时,声散射便很严重;当达到1/2时,声散射急剧增加,以致无法探伤.9%Ni钢球罐焊缝母材及熔合区附近晶粒比较细小,采用横波探头探伤倘可.而对焊缝本体,其声波波长K=cf=2 994215=112mm,平均晶粒尺寸与波长之比D/K=017/112=0158,声散射严重,衰减大,探伤无法进行.若降低频,即f =1MHz,则K=310mm,D/K=0123 ,声散射依然比较严重,降低频率又使声束发散加大,以及回波混叠而产生假信号,故不宜采用低频探头.散射不仅与波长有关,还与波型有关,在频率相同时,横波与纵波的散射比值为2412;而波长相同时,两者比值为7114.故采用纵波斜入射来检测9%Ni钢焊缝有利于提高信噪比.采用窄脉冲探头也可以提高信噪比,因声束扩展及脉冲宽度增加都会增加散射而使信噪比下降,而脉冲宽度的影响比波束扩展的影响更大.根据远场中晶界散射幅值PS的计算公式