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焊接结构无损检测技术背景
双击自动滚屏 发布者:chianweld 发布时间:12/25/2006 阅读:7139

 

焊接结构无损检测技术背景

 

多数焊接结构都是巨大工业财富的组成部分,并兼有环保对象的特点。按照美国90年代的估算,因焊接接头失效引起的经济损失高达国民生产总值的5%。因此,保证含有焊接构件装置的安全运行就成为一个富有挑战性的课题,而且要从制造、投产进而走向退役的整个工程链条中的每一个环节做起,分析影响失效的各种因素,开发出有效与可靠的检测与监控技术,实现潜在事故的早期预报,以提高焊接工程构件运行的安全性。

1. 焊接产品制造过程中引起的缺陷

焊接产品在焊接制造过程中因焊接工艺与设备条件的偏差,残余应力状态和冶金因素变化的影响,以及接头组织与性能不均匀等往往在焊缝中产生不同程度与数量的气孔、夹渣 、未熔合、未焊透以及裂纹等缺陷,对其使用性能产生不利的影响。缺陷产生的几率与材料性能、焊接方法、熔池大小、工件形状和施工现场等因素有关。

1.1 车间与现场施焊接头的缺陷

一般情况下,车间的生产条件比野外现场施焊条件要好得多,因此缺陷出现的几率也比较小。在车间焊接的压力容器与管焊缝的缺陷发生率的统计值见表1。现场施焊的钢结构与球形储罐和管道缺陷的发生率的统计值见表2与表3。从表中的统计结果可以看出,现场施焊比车间焊接的焊缝缺陷发生率高,容器和钢结构等比管道焊缝的缺陷发生率低,这与各自的焊接施工条件大体上是对应的。另外也应当看到,上述结果基本上是按着质量控制标准对焊缝中的超标缺陷进行统计的。由于受到各个时期检验技术水平的限制,因此可以预见,焊缝中会含有不少所谓合格缺陷随着产品一起投入运行。

1  在车间焊接的压力容器与管焊缝缺陷发生率的统计值 (%)

压力容器焊缝

裂纹

未熔合

气孔

夹渣

总计

管焊缝

总计

埋弧焊

0.25

0.11

0.11

1.89

2.36

厚壁管

焊条电弧焊

0.44

0.50

0.69

1.36

2.99

热丝TIG

2

埋弧焊

0.69

0.22

0.40

0.60

1.91

气体保护焊

4

焊条电弧焊

0.08

0.11

0.19

蛇形管

窄间隙埋弧焊

2.0

全位置TIG

4

注:1. 缺陷发生率的统计值是按缺陷区或含缺陷底片长度与焊缝总长之比计算的。

2. TIG为钨极氩弧焊。

 

2  现场施焊的钢结构与球形储罐缺陷发生率的统计值

 

 

钢结构

船壳体

近海采油

平台节点

焊条电弧焊

埋弧焊

焊条电弧焊

埋弧焊

缺陷发生率(%)

6.39

1.59

4.85

3.42

4.92

5.94

3  现场施焊管道焊缝缺陷发生率的统计值

 

油田管道TIG

封底焊条电弧焊盖面

油田管道气体保护焊

建筑安装管道气体保护焊

电厂蒸汽给水厚壁管道

缺陷发生率(%)

916

6

5.4

6.9

 

1.2 焊接工艺对缺陷尺寸的影响

除了缺陷数量外,其尺寸与分布也是影响产品安全的重要参数。缺陷的尺寸与焊接方法和熔池大小有关,采用埋弧焊与电渣焊工艺焊成的焊缝,缺陷尺寸的统计结果见图1。可见,电渣焊缝的熔池大,缺陷尺寸也大。

M.G.Silk 曾经对大型化工容器焊缝中缺陷自身高度的分布状况作过统计,结果见表4

4  大型化工容器焊缝中缺陷自身高度的分布

缺陷高度/mm

2.5

5

7.5

10

15

20

25

内部缺陷

110

40

16

6.5

1.0

0.2

0.03

表面缺陷

14

1.0

0.06

0.005

注:表中数字为第km焊缝的缺陷数。

 

在焊接结构制造过程中焊缝的缺陷可分为两种情况:一类属于超过标准规定的缺陷,按照技术条件的规定应对缺陷处的焊缝进行返修;另一类是不超过标准规定的缺陷,这样的缝属于合格焊缝。但是,目前焊接件的检测技术还不足以完全检出所有的缺陷,特别是细小的裂纹,于是这就给焊接件以后的运行带来了潜在的危害。表5是美国1981年统计139台运行容器事故的起因,其中制造过程中漏检裂纹约占35.3%。由此可见,不断提高焊缝的无损检测技术与设备功能是很必要的。

5  容器制造时漏检的裂纹

缺陷类型

   

引起原因

蠕变等

不明原因

制造遗留

维护不当

蠕变

制造遗留

破坏台数

27

18

48

10

1

11

 

2. 焊接结构服役过程中引起的裂纹

投产后的焊接结构在服役过程中有的处于高温、高压和兼有介质腐蚀的环境,有的承受疲劳、冲击及辐照等工况条件,这往往会引起材质恶化、应力变动,并产生新的裂纹,给焊接结构的安全运行带来不利影响。例如:

1) 温度与压力  温度在465570之间的常规电厂,其主蒸汽管线中TYL形接头会出现蠕变裂纹以及焊缝区的石墨化现象。工作温度在350450之间的热壁加氢容器要经受母材与焊缝回火脆化倾向的影响。

2) 应力腐蚀  在尿素生产装置中,液氨贮罐会出现应力腐蚀裂纹,特别是液氨的含水量(质量分数)0.08%时更加严重。在石油加工系统中硫化氢体积分数大于5×10-3%,焊缝硬度大于240HV时也会引起应力腐蚀裂纹。

3) 中子幅照脆化  在反应堆压力容器的活性区,焊缝金属会呈现中子幅照脆化现象,特别是焊缝中含铜高时更加严重。

4) 焊接结构的疲劳  焊接结构的疲劳裂纹是常见的,特别是低周疲劳裂纹常发生在桥梁构件、采油平台节点与高层钢结构建筑物上。

裂纹的萌生与扩展是导致焊接结构最终破坏的主要原因之一。因此,加强焊接产品运行过程中的在役检查是防止裂纹发展到临界尺寸的有效措施。

3. 焊接产品运行中的失效

焊接产品制造过程中遗留的缺陷与运行中发生的裂纹都在不同程度上对其失效产生影响。以压力容器和管道为例,众所周知,在石油化工与电力工业中运行的压力容器和管道是具有开裂、泄漏和爆炸危险的设备。一旦发生破裂或泄漏,往往会并发为火灾或中毒,从而导致灾难性事故。为探索失效的宏观规律,国内外都进行了很多统计研究,借以得出防止容器失效的重点部位和有效途径,结果摘要如下。

3.1 欧美对压力容器和管道失效的统计

统计结果表明,容器投产初期失效率偏高。这是由于制造过程误差引起的。在其寿命的末期也会因材质恶化与裂纹的扩展等因素促成失效率再次升高。按照事故引起的后果,通常可把失效的类型划分为以下三种:

1) 非危险性失效  容器的压力边界局部恶化或有裂纹,也可能产生少量泄漏但最终不会导致临界裂纹尺寸的出现。

2) 潜在性灾难失效  容器上的裂纹可能扩展到临界尺寸,如果不采取补救措施就可能发展成为灾难性失效。

3) 灾难性失效  容器壳体、封头、接管等破裂,并伴随有大量介质外流。

按照上述分类,各国对容器与管道失效的统计结果如下:

1)英国对压力容器失效的统计

英国压力容器规范不是强制执行的,是由用户和业主之间的规定体现的。英国的Smith等人对19621978年间229起压力容器与管道的失效原因与工况条件的统计分析结果见表6

6  英国压力容器与管道失效的原因、数量、检验方法与相关参数

失效

原因

缺陷类型

比例

()

失效原因

相关参数

潜在失效

数量 比例()

灾难失效

数量  比例()

疲劳裂纹

52

24

按材料划分

碳素钢

128   55.9

7    3.0

腐蚀裂纹

30

14

合金钢

80    35.8

6    1.8

制造中漏检裂纹

63

29

材料不明

8    3.5

原因不明裂纹

61

28

按压力划分

3.45MPa

3.45MPa

145   64.2

66    28.8

11    4.0

1     0.4

其它裂纹

10

6

压力不明

5    2.2

1     0.4

运行前遗留缺陷

5

2

按温度划分

315

515

101   44.1

44   19.2

3    1.3

5    2.2

腐蚀

1

温度不明

71   31.9

5    2.2

误操作

3

按运行年限划分

划分<5

89

6

蠕变

3

4

510

44

4

原因不明

1

1015

58

3

总计

229

100

1520

目测

88

38

2025

21

泄漏

76

33

原因不明

4

无损检测

49

21

按介质划分

气体介质

31   13.6

1    0.4

水压试验

3

2

蒸汽

107   47.0

8    3.5

运行时灾难性失效

13

6

蒸汽+

48   21.0

10    4.4

3    1.3

总计

229

100

化学介质

20    8.7

1    0.4

 

分析表6可以得出:①压力与温度较高,碳素钢件投产初期失效比例较高;②在229起的压力容器失效中裂纹占216起(94.3%),成为压力容器失效的主要原因;③无损检测方法发现的裂纹仅点49起(21.4%),其原因可能是早期采用射线检测对裂纹的检出率较低的结果。容器的失效率:潜在性失效率为6.9×10-4/容器年,灾难性失效率为4.2×10-5/容器年。

2)德国对压力容器失效的统计

德国IRS-TUV对压力容器失效的统计数据相当完整。表7列出了19581965年间30万台容器各种因素引起失效的比例。

7  Kellermenn统计19581965年间

德国压力容器失效率(每容器年)的数据

潜在失效总计

制造过程缺陷

运行过程缺陷

水压过程失效

灾难失效总计

因制造过程缺陷

2.1×10-4

1.4×10-4

5.6×10-5

1.9×10-6

9.0×10-5

3.8×10-5

 

进一步分析19591976年间TUV的检验数据可以发现,在7435年压力容器失效数据中有135起属于灾难性失效。选出其中40起有代表性的自然性失效(纯属于材料缺陷、制造偏差和部件维修引起的,并且不包括初期水压试验失效)进行分析得出,失效率从1960年前的1.83×10-5/容器年降到1970年的0.56×10-5/容器年和1976年的0.21×10-5/容器年。这反映出随着压力容器制造和检验技术的进步,其失效率相应地减小。

3)美国对锅炉与压力容器失效的统计

美国锅炉压力容器检验师协会(NBBPVI)对19711982年间近2百万台锅筒与非火压力容器进行了统计,取得如下两点结果:

·容器的平均设计寿命为25年,失效容器数量见表8

·容器的潜在或非灾难性失效率为2.4×10-4/容器年;灾难性失效为2.6×10-5/容器年。

8  美国压力容器年失效统计数据(S.H.Bush报导)  (台)

 

1973

1974

1975

1976

1977

1978

1979

1980

1981

1982

潜在或非灾难性失效

59

139

157

99

200

390

411

296

352

240

壳体断裂

17

2

30

15

5

47

8

29

23

45

 

分析欧美的统计数据得出以下几点结论:

·压力容器灾难性失效率的上限近似小于2×10-5/容器年,潜在性失效率一般在(25)×10-4/容器年左右。

·周期性检验是提高压力容器可靠性的有效措施。射线检测与超声检测促进了压力容器制造过程缺陷的检查,但对其可靠性还需要作进一步的研究与提高。

·焊缝是压力容器失效的主要因素。特别应当注意,当钢材含有碳化物形成元素时,应力释放处理引起焊缝金属及热影响区出现裂纹的原因。

·水压试验是一种有用的但并非很有效的压力容器缺陷检验方法。

3.2 国内外压力容器事故率的对比

我国压力容器和管道分布很广,据90年代的统计,固定式压力容器近112万台,年增长率约为10%。由于超期服役和技术与管理等因素,使压力容器事故率较高。据1984年与1991年两次不完全统计,万台锅炉压力容器年爆炸事故率是发达国家的10倍以上,如图2所示。

4. 对焊接结构无损检测技术的要求

如上所述,焊接结构在制造过程中和服役期间会产生这样或那样的缺陷。从失效统计中得知:焊缝是压力容器失效的多发区;随着压力容器制造和检测技术的改进,压力容器的失效率呈逐步下降的趋势。所以加强焊接结构无损检测技术的研究与开发,如解决超期服役产品出现的检测要求,克服重型设备检测技术的困难,开发恶劣环境下的检测设备以及提供高速焊接产品的检测方法等是保证焊接产品安全所必须认真对待的课题。

1)设备超期服役

按照目前焊接产品普遍采用的设计标准,压力容器等的设计寿命大体上如表9所示。但是,从追求设备投资的最大回收效益考虑,一般超期服役的设备都不会到达寿命期就采取全装置或全系统报废的措施,而是通过严格检测与认真评定进行局部维修与更换的政策。因此,要求不断地提高检测技术的可靠性和测量缺陷尺寸的精确度。同样对材料组织是否变化,性能是否稳定等检测技术的研究也应给予更多的重视。

9  各类焊接结构的设计寿命

容器类型

电站锅炉

加氢容器

固定式采油平台

核容器

寿命年限/

15

20

25

40

 

2)设备大型化

众所周知,设备大型化会带来高效率,在这样的目标驱动下,电力和石油化工设备等不断地向大型化发展,见表10

10  典型电站与石油炼制设备的大型化趋势

电站锅炉的蒸发量

            410t/h1980t/h,甚至出现了4400t/h的系统

核电站单机容量

            300MW发展到了1300MW

加氢容器年处理能力

            50t提高到200t

 

随着设备尺寸与质量的不断增大,将会引起制造、运输和安装过程中的许多困难。因此,在设备的制造过程中都尽量地采用高强度高韧性材料,优化构件的应力分布以及深入地研究材料的断裂机理等。在此基础上尽量地采用较小的设计安全系数,力求减小构件的尺寸与质量。尽管如此,设备的单件质量仍然不断增加。设备的大型化更增加了检测技术难度,并使得单侧检测的厚度高达200500mm

3)检测环境恶劣、危险并对人体有危害

近代的能源与化工企业多数产生了恶劣的检测环境,例如核电厂幅射区的作业、海洋采油平台的深水操作、地下油气输送管道使人员无法靠近等。此外还有大量的高空、高温、易燃、有毒设备的检验。在这种环境下检验结果的可靠性会有不同程度的降低。因此,要研究解决恶劣环境下的自动化、远程化与智能化的检验技术与设备。

4)高速焊接生产过程的产品质量检验

随着焊接生产步伐的加快,一般都要求检测速度与焊接速度同步。例如,钢管厂的自动焊管生产线要求实时地检测其焊缝质量;石油与天然气管道的铺设,每天焊制多达80100个接头,也要随时确定出每个接头的质量;海上铺管船的铺管作业更要求随焊随检等。因此,高速探伤系统的研究与开发已成为无损检测技术的重要内容之一。

 

 
 
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