LNG罐體焊接接頭的相控陣超聲檢測(cè)工藝研究

1、. LNG罐體焊接接頭的相控陣超聲檢測(cè)工藝研究中國(guó)船級(jí)社實(shí)業(yè)公司China Classification Society Industrial Co. 目錄研究目的1材料特性實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方案23下一步研究方向42 一、研究目的LNG船是連接天然氣液化廠和接收站的重要工具，是除海底長(zhǎng)輸管線以外進(jìn)行天然氣傳輸最有效的方法之一。2009年至今，中國(guó)所建LNG船在世界LNG船建造市場(chǎng)中的比重不斷增加。9%NI、5%NI鋼因在低溫下具有低溫沖擊韌性良好、強(qiáng)度高且具有良好的焊接性能，是制造大型LNG船儲(chǔ)罐的主要材料。LNG船3 一、研究目的9%NI、5%NI鋼焊縫檢測(cè)一般采用射線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。ü

2、 漏檢坡口未熔合等缺陷ü 輻射性檢測(cè)時(shí)無法進(jìn)行其他工作降低LNG船整體建造的效率，嚴(yán)重影響了LNG船的建造周期。建造現(xiàn)場(chǎng)4 一、研究目的難點(diǎn)p 晶粒粗大焊接接頭包括焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)。焊縫熔合區(qū)熱影響區(qū)Ni含量高達(dá)55以 馬氏體和貝氏體主要組成 奧氏體組織上組織阻止碳遷移，避免產(chǎn)生脆組織，保證低溫韌性良好的低溫韌性逆轉(zhuǎn)奧氏體減少，使低溫韌性下降。特性示意圖1-焊縫；2-熔合區(qū)；3-熱影響區(qū)；4-母材5 一、研究目的難點(diǎn)p 衰減嚴(yán)重ü擴(kuò)散衰減ü散射衰減ü吸收衰減馬氏體與奧氏體焊縫邊界處，奧氏體焊縫晶粒粗大，超聲因材料的聲阻抗不同，會(huì)產(chǎn)生反射、 橫波衰減

3、嚴(yán)重.折射。6 二、材料特性實(shí)驗(yàn)金相分析p 目的了解焊接接頭區(qū)域內(nèi)部晶粒大小及各向異性情況p 方法分別對(duì)9%NI、5%NI和碳鋼母材及焊縫區(qū)域進(jìn)行金相分析，取樣位置編號(hào)及位置如圖所示。取樣位置及編號(hào)： 2-1、2-2、2-3焊縫；2-4 熱影響區(qū)；2-5 母材7 二、材料特性實(shí)驗(yàn)金相分析例：9%NI取樣位置2-1焊縫組織2-2焊縫組織2-3焊縫組織2-4熱影響區(qū)2-5母材晶粒度等級(jí)2.7級(jí)2.6級(jí)2.6級(jí)7級(jí)奧氏體+鐵 奧氏體+鐵 奧氏體+鐵奧氏體+鐵素體組織組織過腐蝕素體素體素體顯微組織照片晶粒平均直徑0.125<焊縫組織<0.177mm0.030mm8 二、材料特性實(shí)驗(yàn)金相分析

4、鋼的晶粒度測(cè)定(參考YB27-77)計(jì)算的晶粒平均直徑(mm)弦的平均長(zhǎng)一個(gè)晶粒的平均在1mm3內(nèi)晶粒的粒度號(hào)度(mm)面積(mm2)平均數(shù)量010.3530.2500.1770.1250.0880.0620.0440.0300.0220.01560.01100.00780.00550.3130.2220.1250.062522.66420.1570.031218130.1110.015651240.07830.05530.03910.02670.01960.01380.00980.00680.00480.007810.003900.001950.000980.000490.000240.00

5、01220.0000610.0001311448540966115853238192682262144741458210726360105187891011129 二、材料特性實(shí)驗(yàn)金相分析p 結(jié)論超聲波散射與材料晶粒平均直徑有關(guān),當(dāng)晶粒平均直徑與波長(zhǎng)的比值小于0.1時(shí)，散射現(xiàn)象微弱，對(duì)超聲檢測(cè)不會(huì)造成大的影響；而當(dāng)比值大于0.1時(shí)，散射現(xiàn)象將顯著增強(qiáng)，超聲檢測(cè)的信噪比降低靈敏度下降。焊縫組織晶粒平均直徑（2.6、2.7級(jí)的中間值0.14mm）與波長(zhǎng)的比值聲波類型探頭頻率波速波長(zhǎng)橫波縱波5MHz3200m/s0.64mm2.58mm0.22>0.10.05<0.12.25MHz 58

6、00m/s10 二、材料特性實(shí)驗(yàn)衰減實(shí)驗(yàn)p 目的測(cè)量待測(cè)9%NI、5%NI試塊的長(zhǎng)、寬和高三個(gè)方向的縱波衰減系數(shù)。試塊示意圖5800超聲激勵(lì)儀器p 方法示波器SYNC RCVROUTOUTT/R采用接觸式脈沖回波法測(cè)量待測(cè)試件在各方向上的衰減系數(shù)。CHACHB直探頭UPh實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)待測(cè)試塊11 二、材料特性實(shí)驗(yàn)衰減實(shí)驗(yàn)p 結(jié)論Ø 9%NI、5%NI在母材不同方向上平均衰減較??；Ø 焊材在不同方向上的平均衰減明顯；Ø 在高度方向上焊材衰減系數(shù)是母材衰減系數(shù)4倍以上，因此在焊材區(qū)域高度方向上的衰減要大于母材。測(cè)量平均值(mm)平均衰減系數(shù)(dB/mm)最大衰減系數(shù)偏差

7、最小衰減系數(shù)偏差序號(hào)試塊類型測(cè)量方向(dB/mm)(dB/mm)長(zhǎng)度寬度高度長(zhǎng)度寬度高度長(zhǎng)度寬度高度長(zhǎng)度寬度高度40.0123.7715.5639.5424.5915.5739.9724.9215.5839.9723.7515.550.12200.38830.64120.11970.06220.10600.16250.33060.59440.08380.10380.13790.00580.01040.00130.00070.00090.00560.00070.01430.00720.00080.00210.00180.00170.00031.00E-040.00010.00020.001試塊1

8、9%Ni焊材試塊2試塊3試塊49%Ni母材5%Ni焊材5%Ni母材00.00031.00E-040.00030.00020.000612 二、材料特性實(shí)驗(yàn)聲速實(shí)驗(yàn)p 目的相控陣系統(tǒng)中材料聲速?zèng)Q定了形成波束角度、位置等聲速特性。5800超聲激勵(lì)儀器p 方法示波器工控機(jī)SYNC RCVROUTOUTT/RCHA母材區(qū)域和帶焊縫區(qū)域兩種試樣，使用水浸法進(jìn)行測(cè)試。CHB運(yùn)動(dòng)控制器水浸探頭UPdhDOWN待測(cè)試塊水浸池試塊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)13 二、材料特性實(shí)驗(yàn)聲速實(shí)驗(yàn)p 待測(cè)試塊右圖為待測(cè)試塊模型示意圖，待測(cè)試塊分別為9%Ni鋼的焊材和母材、5%Ni鋼的焊材和母材。每個(gè)尺寸測(cè)量10次最后取平均值。待測(cè)試塊模型示

9、意圖序號(hào)試塊1試塊2試塊3試塊4試塊類型9%Ni焊材9%Ni母材5%Ni焊材5%Ni母材長(zhǎng)（mm）40.01寬（mm）23.77高（mm）15.5939.5424.5915.5739.9724.9215.5739.2423.7515.5514 二、材料特性實(shí)驗(yàn)聲速實(shí)驗(yàn)p 聲速測(cè)試結(jié)果測(cè)量平均 平均速度 速度最大值 速度最小值 最大偏差 最小偏差 測(cè)量標(biāo)序號(hào) 試塊類型 測(cè)量方向長(zhǎng)度值(mm)(m/s)(m/s)(m/s)(m/s)(m/s)準(zhǔn)差5738.675676.425725.855843.495602.645673.165846.995869.055616.445854.275743.65

10、5752.875734.565662.895715.345840.045596.275661.825840.595860.085595.265851.275738.795745.432.496.965.782.033.447.893.705.1011.231.592.464.090.020.880.520.130.250.360.280.280.160.130.310.161.233.423.061.111.722.621.612.715.930.891.241.7740.0123.7715.5639.5424.5915.5739.9724.9215.5839.9723.7515.555736

11、.185669.855721.125842.075599.205665.275843.295865.195606.495852.685741.265749.52試塊1 9%Ni焊材試塊2 9%Ni母材試塊3 5%Ni焊材試塊4 5%Ni母材寬度高度長(zhǎng)度寬度高度長(zhǎng)度寬度高度長(zhǎng)度寬度高度n 紅 最大聲速n 藍(lán) 最小聲速15 二、材料特性實(shí)驗(yàn)聲速實(shí)驗(yàn)以測(cè)量試塊中長(zhǎng)度方向聲速為準(zhǔn)，當(dāng)波束折射到試塊中深度分別為10mm、20mm和30mm位置時(shí)，測(cè)量試塊中高度方向聲速相對(duì)于長(zhǎng)度方向聲速的水平位移相對(duì)偏差和垂直位移相對(duì)偏差。平均速 速度差絕對(duì) 速度最大偏差 折射角 折射角差序號(hào)試塊類型 測(cè)量方向長(zhǎng)度高度長(zhǎng)

12、度高度長(zhǎng)度高度長(zhǎng)度高度度(m/s) 值C(m/s) 百分比（%） （°） 絕對(duì)值（°）5736.185721.125842.075665.275843.295606.495852.685749.5252.8452.6654.2952.0054.2951.1754.4953.03試塊1 9%Ni焊材試塊2 9%Ni母材試塊3 5%Ni焊材試塊4 5%Ni母材15.06176.8236.8103.280.263.124.221.800.182.293.121.4616 二、材料特性實(shí)驗(yàn)聲速實(shí)驗(yàn)p 結(jié)論Ø 9%NI、5%NI的焊材和母材在試塊的高度方向上有較大偏差，且為

13、負(fù)值，說明在測(cè)量不銹鋼焊縫缺陷深度時(shí)會(huì)偏淺。測(cè)量方向（深度） 相對(duì)位移偏序號(hào)試塊1試塊2試塊3試塊4試塊類型9%Ni焊材9%Ni母材5%Ni焊材5%Ni母材10（mm）20(mm)30(mm)速度(m/s)差XYXYXYXY0.018-0.0510.165-0.5890.217-0.7950.1160.035-0.1030.329-1.1790.433-1.5900.231-0.7150.053-0.1540.494-1.7680.650-2.3860.347-1.0725721.125665.275606.495749.52-0.35717 三、檢測(cè)方案使用DMA探頭雙面雙側(cè)扇型掃描為主，使

14、用相控陣線陣探頭橫波線性掃描輔助檢測(cè)坡口缺陷。檢測(cè)工藝示意圖如下：+18 三、檢測(cè)方案人工傷對(duì)比實(shí)驗(yàn)p 試塊設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)加工2種類型的對(duì)比試塊類型1試塊類型2試塊對(duì)比試塊：類型1和類型2試塊各加工4塊類型編號(hào)材料板厚坡口類型SV5NI-T18-SV-15NI-T32-DV-19NI-T16.5-SV-19NI-T30-DV-15NI-T18-SV-25NI-T32-SV-29NI-T16.5-SV-29NI-T30-SV-25%NI5%NI9%NI9%NI5%NI5%NI9%NI9%NI18mm32mm16.5mm30mm18mm32mm16.5mm30mmDV1SVDVSVDV2SVDV19

15、三、檢測(cè)方案人工傷對(duì)比實(shí)驗(yàn)p 工藝設(shè)置：所有設(shè)置使用相應(yīng)材料的校準(zhǔn)試塊進(jìn)行靈敏度、TCG校準(zhǔn)，保證具有相同的檢測(cè)靈敏度。1、類型1試塊使用5L64-A2探頭在A2、類型2試塊使用DMA探頭在面90進(jìn)行60°線掃二次波掃查，并使 試塊雙面雙側(cè)進(jìn)行40°75°扇掃用DMA探頭在試塊的B面90進(jìn)行扇掃 掃查。一次波掃查。5L64-A2DMA5L64-A2DMA20 三、檢測(cè)方案人工傷對(duì)比實(shí)驗(yàn)p 檢測(cè)設(shè)備：相控陣主機(jī)Omniscan 32/128 PR;兩維面陣相控陣一發(fā)一收縱波探頭DMA;一維線陣相控陣探頭5L64-A2;TP-VIEW掃查器。相控陣主機(jī)DMA探頭5L6

16、4-A2和掃查器21 三、檢測(cè)方案人工傷對(duì)比實(shí)驗(yàn)例：類型1試塊9NI-T16.5-SV-1檢測(cè)結(jié)果線掃波幅扇掃波幅缺陷編號(hào)檢測(cè)位置（5L64-A2）（DMA）A90B270A9064%/123/45%64%/B270A90/92%/31%/B270線掃結(jié)果DMA扇掃結(jié)果22 三、檢測(cè)方案人工傷對(duì)比實(shí)驗(yàn)p 結(jié)論：通過對(duì)類型1試塊的試驗(yàn)結(jié)果分析，結(jié)論如下，Ø 使用橫波線掃能夠檢測(cè)同側(cè)坡口的未熔合缺陷，并有較好的信噪比；Ø 使用垂直于坡口角度的橫波線性掃描2次波，檢測(cè)模擬坡口未熔合的平底孔缺陷時(shí)，相比于縱波扇型掃描得到的缺陷反射波幅更高（最大可達(dá)6dB以上）。23 三、檢測(cè)方案人

17、工傷對(duì)比實(shí)驗(yàn)例：類型2試塊9NI-T16.5-SV-2檢測(cè)結(jié)果檢測(cè)值實(shí)測(cè)值缺陷編號(hào) 檢測(cè)位置波幅/深度水平備注深度水平A90/A270/13.5mm7.5mm11.5mm0mmB90100%100%45%82%100%100%100%100%/3.4mm0.4mm/B270A903.7mm4.5mm/信號(hào)不全A270/信號(hào)不全20mm0mmB907.3mm7.7mm10.8mm11.9mm/0.1mm4mm4.7mm3.1mm/B270A90A2703B90B270/24 三、檢測(cè)方案人工傷對(duì)比實(shí)驗(yàn)例：類型2試塊9NI-T16.5-SV-2檢測(cè)結(jié)果檢測(cè)值實(shí)測(cè)值缺陷編號(hào) 檢測(cè)位置波幅/深度水平備

18、注深度水平A90/A270/43.5mm0mm0mm0mmB90100%100%66%60%66%90%64%64%/2.7mm7.7mm/B270A90/信號(hào)不全/信號(hào)不全A2709mm3.8mm/58mmB907.5mm5.8mm/B270A90/信號(hào)不全12.4mm4.6mm/A27012.9mm1mm612mmB90/B270/Ø 缺陷深度誤差小于1mm，水平誤差大于1mm25 三、檢測(cè)方案人工傷對(duì)比實(shí)驗(yàn)例：類型2試塊9NI-T30-DV-2檢測(cè)結(jié)果檢測(cè)值實(shí)測(cè)值缺陷編號(hào) 檢測(cè)位置波幅/深度水平備注深度水平A90/A270/13mm8mm0mmB9098%100%/4.8mm+

19、3.3mmB270A906mm-2.5mm/A270/9mm11mm/20mm0mmB90100%100%64%58%100%100%+3.3mm-3.8mm/B270A90/信號(hào)不全A270/信號(hào)不全311.5mmB9015mm14.4mm+1.8mm-1.4mm/B27026 三、檢測(cè)方案人工傷對(duì)比實(shí)驗(yàn)例：類型2試塊9NI-T30-DV-2檢測(cè)結(jié)果檢測(cè)值實(shí)測(cè)值缺陷編號(hào) 檢測(cè)位置波幅100%100%100%25%100%100%/深度水平備注深度水平A9013.9mm+3.6mm/A27014.2mm-2.4mm/416mm0mm0mm0mmB90/信號(hào)不全B270A90/信號(hào)不全17.6m

20、m+4.9mm/A27019mm-3.2mm520.5mm25.5mmB90/B270A90/100%100%/23.3mm+4.7mmA27024.9mm-3.3mm6B90/B270/27 三、檢測(cè)方案人工傷對(duì)比實(shí)驗(yàn)例：類型2試塊9NI-T30-DV-2檢測(cè)結(jié)果檢測(cè)值實(shí)測(cè)值缺陷編號(hào) 檢測(cè)位置波幅/深度水平備注深度水平A90/A270/73.5mm8mm10.5mmB9068%98%67%60%100%100%/5mm-9mm/B270A906.6mm-13.8mm/ /信號(hào)不全/ A270/信號(hào)不全88mm6mmB90/信號(hào)不全B270A9011mm-10.6mm/A270100%/11.

21、2mm/+4.6mm/912mmB90B27080%14.6mm-7.7mm28 三、檢測(cè)方案人工傷對(duì)比實(shí)驗(yàn)例：類型2試塊9NI-T30-DV-2檢測(cè)結(jié)果檢測(cè)值實(shí)測(cè)值缺陷編號(hào) 檢測(cè)位置波幅69%93%/深度水平備注深度水平A90/信號(hào)不全+1.4mm/A27015mm/1017mm26mm4mmB90/B270A9070%83%100%/信號(hào)不全+11.7mm+4.3mm24mm/A27025.2mm116mmB90/B270/Ø 缺陷深度誤差大于1mm，水平誤差大于1mm29 三、檢測(cè)方案人工傷對(duì)比實(shí)驗(yàn)p 結(jié)論：通過對(duì)類型2試塊的試驗(yàn)結(jié)果分析，結(jié)論如下，Ø 厚度較小的試塊

22、9NI-T16.5-SV-2和5NI-T18-SV-2檢測(cè)的深度誤差小于1mm；Ø 厚度較大的試塊9NI-T30-DV-2和5NI-T32-DV-2部分缺陷深度誤差大于1mm；ü 試塊在加工缺陷之前進(jìn)行焊接加工時(shí)，試塊出現(xiàn)了較大變形；ü 在厚度方向加工的6個(gè)橫通孔較密，而且反射波幅較高，導(dǎo)致顯示信號(hào)疊加，影響了數(shù)據(jù)判讀的準(zhǔn)確性，從而造成了判讀上的誤差；Ø 類型2試塊檢測(cè)中部分缺陷水平方向的誤差大于1mm。30 三、檢測(cè)方案自然傷對(duì)比實(shí)驗(yàn)p 試塊設(shè)計(jì)：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝，加工自然傷試塊4塊，每塊試板中有5處典型焊接缺陷。試塊編號(hào)公稱板厚 缺陷數(shù)量CCSI-1

23、4K-LNG-PAUT-01-T1616.5mm55CCSI-14K-LNG-PAUT-01-T16-30 16.5/30mmCCSI_5NI_PAUT_01_T3232mm55CCSI_5NI_PAUT_01_T18_3218/32mmA-中心線裂紋，B-側(cè)壁未融合，C-夾渣，D-根部裂紋，E-根部未焊透或未融合31 三、檢測(cè)方案自然傷對(duì)比實(shí)驗(yàn)p 結(jié)論：通過對(duì)類型2試塊的試驗(yàn)結(jié)果分析，結(jié)論如下，Ø 雙面雙側(cè)縱波檢測(cè)，能夠發(fā)現(xiàn)全部缺陷，部分缺陷能夠被不同組扇型掃描同時(shí)發(fā)現(xiàn)，印證了波束的相互覆蓋和缺陷的位置信息。32 四、下一步研究方向爬波p 相控陣超聲激發(fā)爬波超聲爬波又稱為表面下縱波

24、，對(duì)表面粗糙度不敏感，特別適合檢測(cè)像奧氏體不銹鋼類的粗晶材料表面及近表面缺陷。單觸發(fā)脈沖Ø 一個(gè)探頭Ø 一個(gè)楔塊時(shí)間Ø 多個(gè)波束角度Ø 檢測(cè)結(jié)果圖像化Ø 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄可永久保存33 四、下一步研究方向爬波p 存在問題Ø 激發(fā)爬波分量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生其他信號(hào)么？Ø 如何選擇相控陣超聲扇型掃描角度？Ø 相控陣超聲系統(tǒng)哪些參數(shù)影響最終波束角度的形成？p 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)光彈實(shí)驗(yàn)聲速測(cè)試34 四、下一步研究方向爬波p 光彈實(shí)驗(yàn)Ø 光彈法可以實(shí)現(xiàn)超聲場(chǎng)的可視化，是一種研究固體中超聲波動(dòng)現(xiàn)象的重要方法，其物理基礎(chǔ)是暫時(shí)雙折射現(xiàn)象。85°折射縱波入射到實(shí)驗(yàn)樣品（K9光學(xué)玻璃）后，