低温绝热容器异种钢接头交流电磁场检测研究

胡 栋，李成良，孙志鹏

(泰安市特种设备检验研究院，山东 泰安 271000)

1 前 言

低温绝热压力容器是储存低温液化气体的重要设备，通常由储液内容器和维持真空绝热空间的外壳组成[1]，内容器通常采用低温韧性良好的奥氏体不锈钢或低温合金钢制成，外壳采用具有良好强度和焊接性的碳钢低合金钢，内外间采用多层真空或真空填充物实现绝热。低温绝热压力容器常见的储存介质包括液化天然气、液氢等清洁能源气体及液氧、液氮、液氩等工业低温液化气体。由于低温液化气体介质遇热急剧膨胀，造成压力快速升高，因此此类容器一旦发生事故将产生巨大能量，为经济社会的发展埋下巨大隐患[2]。

造成低温绝热压力容器失效的主要因素包括开裂失效、真空失效及焊缝泄漏失效[3]，其中内容器接管与外壳连接部位由于采用异种材料焊接，容易产生缺陷[4]。目前，针对部位通常采用渗透法进行检测，渗透法基于毛细效应，仅对表面开口型缺陷有效，容易漏检。交流电磁场(ACFM)检测技术基于电磁感应原理，通过均匀感应电流在缺陷部位的磁场扰动，对缺陷进行定性与定量分析。本文针对低温绝热压力容器异种钢焊接接头的结构特点，采用ACFM检测技术进行检测研究，并针对模拟试块进行实验，讨论ACFM检测技术的可行性。

2 低温绝热压力容器ACFM检测分析

2.1 低温绝热压力容器异种钢焊接结构特征

某LNG储罐异种钢焊接部位如图1所示，其内筒接管采用堵板与杜瓦式绝热套管连接，堵板与杜瓦式绝热套管采用与内筒介质相同的S 30408材质，外壳为Q 345R，杜瓦式绝热套管与外壳间采用角焊缝连接，自动焊焊丝牌号为H12 Cr24 Ni13，手工焊焊条采用A 302。由于该焊缝两侧的母材化学成分不同，焊接时会使焊接接头各区域的化学成分发生改变[5]，在母材和焊缝间可能产生碳的扩散迁移，引起熔合线附近热影响区的组织和性能变化，在焊接残余应力的作用下，易产生裂纹及未融合缺陷[6]。

2.2 ACFM检测原理

如图1所示，根据电磁感应原理[7]，对交流电磁场激励探头施加交流电后，在工件表面感应出均匀交变电流，在无缺陷或远离缺陷处，感应磁场未产生较大变化，当从缺陷位置经过时，由于缺陷处空间不连续导致的电阻率变化，感应电流从缺陷的两边和底部(对开口型缺陷)或顶部(对近表面非开口型缺陷)绕过，引起表面磁场扰动。

将空间磁场在笛卡尔坐标系中分解，可以得到磁通密度在三个维度上的分量，其中平行于电流方向的分量为By，沿表面垂直于电流方向的分量为Bx，垂直于工件表面的分量为Bz，在缺陷部位，电流发生绕行，流经缺陷的电流密度减小，感应磁场的磁通密度将出现极小(表面开口型)或极大值(非表面开口型)，故Bx会以单谷或单峰形式出现，而流经缺陷两端的电流密度增大，因此缺陷两端的磁通密度将处于极大值，根据右手定则，缺陷两端点的相位会发生180°的变化，因此Bz会以类似正弦信号的形式出现，By的数量级较小，在不需要特殊处理下，可不用于缺陷的判定。

2.3 ACFM缺陷检测模型

缺陷引起的电磁场扰动包含检测电流感应的矢量势函数A0(X,Y,Z)和缺陷引起的电场扰动感应的矢量势函数AP(X,Y,Z)两部分：

A(X,Y,Z)=A0(X,Y,Z)+AP(X,Y,Z)

(1)

A0(X,Y,Z)和AP(X,Y,Z)均满足Laplace方程[8]：

(2)

式中，A0(X,Y,Z)满足无缺陷时的边界条件：

(3)

式中，AP(X,Y,Z)满足含缺陷状态的边界条件：

(4)

式中，c为缺陷宽度。

3 实验与分析

3.1 ACFM检测设备

实验设备采用LKACFM-X1型智能交流电磁场检测仪，该设备基于Windows系统设计，支持16通道检测，检测灵敏度可达3 mm，涂层穿透厚度可达10 mm。探头采用角焊缝定制探头，探头激励频率为1 kHz，横向分辨率可达1 mm。

3.2 低温绝热压力容器异种钢接头模拟试块

参照图1加工含不同类型缺陷的异种钢接头模拟试块，接管公称直径为DN 100，材质为S 30408，壳体采用Q 345R，厚度为6 mm，接头采用A302焊条手工焊焊接，焊缝宽度为8 mm，在熔合区附近背面加工两处刻槽，模拟未融合及裂纹缺陷，刻槽深度为1 mm，宽度为0.5 mm，长度分别为3 mm和5 mm，在焊缝表面沿中心线加工3处钻孔，模拟气孔缺陷，孔径为Φ3 mm，孔深分别为0.5 mm，1 mm和2 mm。

3.3 检测实验及分析

采用时基扫描方式对模拟进行检测实验，分别沿焊缝融合线及中心进行检测，结果见图2、3。

图2为沿融合线扫查时的检测结果，其中a为Bx检测分量，b为Bz检测分量，图中横坐标为距离，单位为mm；纵坐标为磁感应强度，单位为T。无缺陷扰动时，Bx基值约3540 T，Bz基值约11 950 T，Bx分量中3 mm缺陷引起的磁感应强度畸变量约为30 T，5 mm缺陷引起的畸变量约为90 T，Bz分量中3 mm缺陷引起的磁感应强度畸变量约为50 T，5 mm缺陷引起的畸变量约为225 T。根据Bx检测分量特征可知，当检测表面非开口型缺陷时，Bx不随缺陷深度增加而降低，反而呈现升高特征，原因是缺陷引起电流从缺陷上方绕过，造成缺陷部位的磁感应强度增大。

a.Bx分量

图3为沿焊缝中心扫查时的检测结果，a为Bx检测分量，b为Bz检测分量，Bx分量中0.5 mm和1 mm深钻孔引起的畸变量特征不明显，2 mm深钻孔引起的畸变量约为17 T，Bz分量中0.5 mm、1 mm和2 mm深钻孔引起的畸变量约20 T，60 T和80 T，且具有较高的信噪比。

对比图2和图3检测结果，圆形缺陷引起的磁感应强度变化低于条形缺陷，但由于电流的集肤效应，开口型缺陷的信噪比较高。

a.Bx分量

4 结束语

理论分析及检测实验表明，ACFM检测技术能够适用于低温绝热压力容器异种钢焊接接头检测，针对圆形及裂纹、未融合等缺陷，都具有较高的灵敏度，且能够有效检出表面非开口型缺陷，对非导磁性材料具有较好的适应性，但随非开口型缺陷埋藏深度的增加，ACFM的灵敏度及信噪比都会有所降低，所以针对厚壁接头检测时，应进行合理的灵敏度校验并严格控制检测工艺，当工艺不能满足灵敏度要求时，应采用其他检测技术如超声相控阵等对根部或近根部进行检测。