爆炸复合板压力容器径向裂纹的检测及安全性分析

侯仰博

（菏泽市产品检验检测研究院，山东菏泽 274032）

1 无损检测

复合板采取爆炸焊接的方式焊接后，其焊缝的结合位置容易产生裂纹、空洞等问题，而长期的使用则会致使上述问题不断发展，进而导致材料断裂，因此对于复合板压力容器开展无损检测非常重要。通过运用直探头、斜探头和超声波衍射时差法开展对复合板压力容器的检测，并使用切割的方法来对比上述方法的检出能力。

1.1 直探头

利用直探头开展无损检测显示，波底的回波旁边显示振幅低下的一个回波，而此现象容易被忽视，是因为检测时的直探头发射声束和径向裂纹呈现平行的状态，导致回波面小，容易被漏检。

1.2 超声波衍射时差法

超声波衍射时差法检测复合板的交界位置显示有明显的回波，因此也无法有效检测出复合板交界位置面的径向裂纹，此是因为不锈钢的粗晶粒有回波出现而对径向裂纹的回波加以覆盖，进而导致超声波衍射时差法无法检测出径向裂纹。另外，不锈钢的焊缝超声波衍射时差法检测时，其信号强烈地衰减、散射和扭曲，由此容易导致超声波衍射时差法检测径向裂纹不灵敏，进而容易漏检。

1.3 斜探头

运用斜探头无损检测时的结果显示，能够清晰显出复合板存在的裂纹，并且裂纹表现的回波面大，较为容易检测出裂纹，此多是因为斜探头检测时的发射声束和裂纹有一定的角度，进而产生回波面较大。

2 理化分析

2.1 化学成分

通过对复合板容器基层和覆层开展采集试样，然后对其成分进行分析。表1 为S31603、Q345R 的化学成分，显示各种元素均达到GB/T 24511—2017《承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带》和GB 713—2014《锅炉和压力容器用钢板》的技术标准要求。

表1 S31603 和Q345R 的化学成分（质量分数） %

2.2 力学性能分析

为分析爆炸焊接的复合板失效的相关机理而对其开展力学测试，通过采取复合板的试样开展拉伸、0 ℃冲击吸收功、布氏硬度的试验，最终得出表2 的结果，并确定各项力学性能达到标准。

表2 S31603 和Q345R 的力学性能

2.3 微观结构

2.3.1 结合界面形貌

利用扫描电镜对复合板的结合界面检测显示，在不锈钢和低合金钢的交界位置产生特有正弦波纹，并且波状结合的界面十分明显，波形长500 μm、高200 μm，并且位于界面结合位置的周边金属晶粒呈现细小的扁平状。表明爆炸焊接时，两侧金属受到周期性波及切向力的共同作用，界面周围金属层产生较大的塑性变化，致使晶粒细化且呈扁平状。

2.3.2 界面扩散

为分析复合板界面位置元素扩散的实际情况，选定图1 的A点、B 点和C 点，针对结合面的微区开展能谱分析，进而掌握结合界面位置Fe、C、Cr、Ni、Mo 分布的实际情况。结果显示不锈钢至低合金钢的方向（即图1中A 点至B 点），Fe、C、Cr、Ni、Mo 的含量均出现较大的变化，Cr、Ni、Mo 从不锈钢向低合金钢进一步扩散，而Fe、C 则从低合金钢向不锈钢进一步扩散。即在焊接时，界面位置的不锈钢侧元素逐步扩散至低合金钢侧，而S31603 冷轧处理时容易诱发α′马氏体，并且在爆炸焊接复合时的结合界面出现α′马氏体转变和增加，进而对结合界面硬度和冲击韧性和抗拉等性能造成不利的影响。再加上爆炸冲击波的作用容易造成空洞和裂纹等缺陷问题，进一步对复合板强度造成严重影响。

图1 结合界面能谱分析特征点

2.3.3 结合界面裂纹、空洞和熔融组织

根据扫描电镜对裂纹、空洞和熔融组织观察的形貌显示，结合界裂纹于结合界面顺45°方向起裂，并逐步扩展至Q345R 方向，进而呈现出非常明显的方向性。此主要受焊接工艺的影响而导致结合界面位置出现方向性裂纹，并且还可看到在界面和裂纹的位置存在金属的颗粒和空洞，且不连续，并将其称作松散的颗粒结晶组织。其主要是由于在复合板和覆层空隙中有气体的存在，进而在焊接时被卷入，一部分分散于结晶颗粒中，抑制凝固金属的生长，由此形成松散的结晶状态，又或生成金属颗粒。同时在结合界面位置还有微小的裂纹，并且和结合界面呈45°，此是在焊接后由绝热剪切线发展而来的微裂纹，绝热剪切线同样是由爆炸焊接形成的。在裂纹位置存在较多的熔融的金属组织，此是因为爆炸时导致基层与覆层产生激烈的碰撞而出现塑性变形，产生射流，射流运动的速度快，并且其还要受到基板和覆板的压力作用，因此产生较大的摩擦力，进一步制造大量的热，由此导致金属局部的熔化，最终形成了熔融物。

而裂纹、空洞和熔融组织的存在，将对结合界面造成一定的影响，特别是强度，进而对质量和安全造成严重的影响。

3 安全性能分析

3.1 有限元模型

通过使用ANSYS 有限元软件构建复合板压力容器的模型。S31603 弹性模量E2=1.94×105MPa，泊松比μ2=0.3；Q34SR 弹性模量E1=1.94×105MPa，泊松比μ1=0.34。复合板的厚度为4 mm，基层的厚度为60 mm。为研究裂纹影响，在复合板的结合界面中心位置预制4 mm×0.3 mm×20 mm 大小的径向裂纹。本次采取模型1/4 作为研究对象，图2 为有限元模型。

图2 复合板有限元模型

3.2 结果分析

当容器内压为1 MPa时，含裂纹和不含裂纹受到内压作用，其内壁应力高出外壁，而含裂纹的容器在同一内压下，其最大应力是不含裂纹容器的2.62 倍。并且，含裂纹的容器应力最大值在裂纹的尖端位置，测值为39.66 MPa。为计算裂纹导致的应力集中系数，通过选择不含裂纹的容器在同位置取一节点（等效应力值=15.03 MPa），得出含裂纹容器应力的集中系数2.64，表明在裂纹尖端出现较大的应力集中，即容器存在裂纹则会影响复合板压力容器的安全使用。

4 结论

通过运用不同的无损检测方法对S31603+Q345R 爆炸焊接的复合板压力容器检测，其中直探头和斜探头容易漏检，而超声波衍射时差法则能更准确地对缺陷检测。通过扫描电镜的观察表明，复合板存在裂纹及空洞等缺陷，容易导致复合板的强度下降，进而促使复合板压力容器存在一定的安全隐患，所以需要加强对其的检测力度，进一步确保使用的安全。