LNG罐体焊接接头的相控阵超声检测工艺研究

1、. LNG罐体焊接接头的相控阵超声检测工艺研究中国船级社实业公司China Classification Society Industrial Co. 目录研究目的1材料特性实验检测方案23下一步研究方向42 一、研究目的LNG船是连接天然气液化厂和接收站的重要工具，是除海底长输管线以外进行天然气传输最有效的方法之一。2009年至今，中国所建LNG船在世界LNG船建造市场中的比重不断增加。9%NI、5%NI钢因在低温下具有低温冲击韧性良好、强度高且具有良好的焊接性能，是制造大型LNG船储罐的主要材料。LNG船3 一、研究目的9%NI、5%NI钢焊缝检测一般采用射线检测技术进行检测。ü

2、 漏检坡口未熔合等缺陷ü 辐射性检测时无法进行其他工作降低LNG船整体建造的效率，严重影响了LNG船的建造周期。建造现场4 一、研究目的难点p 晶粒粗大焊接接头包括焊缝、熔合区和热影响区。焊缝熔合区热影响区Ni含量高达55以 马氏体和贝氏体主要组成 奥氏体组织上组织阻止碳迁移，避免产生脆组织，保证低温韧性良好的低温韧性逆转奥氏体减少，使低温韧性下降。特性示意图1-焊缝；2-熔合区；3-热影响区；4-母材5 一、研究目的难点p 衰减严重ü扩散衰减ü散射衰减ü吸收衰减马氏体与奥氏体焊缝边界处，奥氏体焊缝晶粒粗大，超声因材料的声阻抗不同，会产生反射、 横波衰减

3、严重.折射。6 二、材料特性实验金相分析p 目的了解焊接接头区域内部晶粒大小及各向异性情况p 方法分别对9%NI、5%NI和碳钢母材及焊缝区域进行金相分析，取样位置编号及位置如图所示。取样位置及编号： 2-1、2-2、2-3焊缝；2-4 热影响区；2-5 母材7 二、材料特性实验金相分析例：9%NI取样位置2-1焊缝组织2-2焊缝组织2-3焊缝组织2-4热影响区2-5母材晶粒度等级2.7级2.6级2.6级7级奥氏体+铁 奥氏体+铁 奥氏体+铁奥氏体+铁素体组织组织过腐蚀素体素体素体显微组织照片晶粒平均直径0.125<焊缝组织<0.177mm0.030mm8 二、材料特性实验金相分析

4、钢的晶粒度测定(参考YB27-77)计算的晶粒平均直径(mm)弦的平均长一个晶粒的平均在1mm3内晶粒的粒度号度(mm)面积(mm2)平均数量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、材料特性实验金相分析p 结论超声波散射与材料晶粒平均直径有关,当晶粒平均直径与波长的比值小于0.1时，散射现象微弱，对超声检测不会造成大的影响；而当比值大于0.1时，散射现象将显著增强，超声检测的信噪比降低灵敏度下降。焊缝组织晶粒平均直径（2.6、2.7级的中间值0.14mm）与波长的比值声波类型探头频率波速波长横波纵波5MHz3200m/s0.64mm2.58mm0.22>0.10.05<0.12.25MHz 58

6、00m/s10 二、材料特性实验衰减实验p 目的测量待测9%NI、5%NI试块的长、宽和高三个方向的纵波衰减系数。试块示意图5800超声激励仪器p 方法示波器SYNC RCVROUTOUTT/R采用接触式脉冲回波法测量待测试件在各方向上的衰减系数。CHACHB直探头UPh实验系统待测试块11 二、材料特性实验衰减实验p 结论Ø 9%NI、5%NI在母材不同方向上平均衰减较小；Ø 焊材在不同方向上的平均衰减明显；Ø 在高度方向上焊材衰减系数是母材衰减系数4倍以上，因此在焊材区域高度方向上的衰减要大于母材。测量平均值(mm)平均衰减系数(dB/mm)最大衰减系数偏差

7、最小衰减系数偏差序号试块类型测量方向(dB/mm)(dB/mm)长度宽度高度长度宽度高度长度宽度高度长度宽度高度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试块1

8、9%Ni焊材试块2试块3试块49%Ni母材5%Ni焊材5%Ni母材00.00031.00E-040.00030.00020.000612 二、材料特性实验声速实验p 目的相控阵系统中材料声速决定了形成波束角度、位置等声速特性。5800超声激励仪器p 方法示波器工控机SYNC RCVROUTOUTT/RCHA母材区域和带焊缝区域两种试样，使用水浸法进行测试。CHB运动控制器水浸探头UPdhDOWN待测试块水浸池试块实验系统13 二、材料特性实验声速实验p 待测试块右图为待测试块模型示意图，待测试块分别为9%Ni钢的焊材和母材、5%Ni钢的焊材和母材。每个尺寸测量10次最后取平均值。待测试块模型示

9、意图序号试块1试块2试块3试块4试块类型9%Ni焊材9%Ni母材5%Ni焊材5%Ni母材长（mm）40.01宽（mm）23.77高（mm）15.5939.5424.5915.5739.9724.9215.5739.2423.7515.5514 二、材料特性实验声速实验p 声速测试结果测量平均 平均速度 速度最大值 速度最小值 最大偏差 最小偏差 测量标序号 试块类型 测量方向长度值(mm)(m/s)(m/s)(m/s)(m/s)(m/s)准差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试块1 9%Ni焊材试块2 9%Ni母材试块3 5%Ni焊材试块4 5%Ni母材宽度高度长度宽度高度长度宽度高度长度宽度高度n 红 最大声速n 蓝 最小声速15 二、材料特性实验声速实验以测量试块中长度方向声速为准，当波束折射到试块中深度分别为10mm、20mm和30mm位置时，测量试块中高度方向声速相对于长度方向声速的水平位移相对偏差和垂直位移相对偏差。平均速 速度差绝对 速度最大偏差 折射角 折射角差序号试块类型 测量方向长度高度长

12、度高度长度高度长度高度度(m/s) 值C(m/s) 百分比（%） （°） 绝对值（°）5736.185721.125842.075665.275843.295606.495852.685749.5252.8452.6654.2952.0054.2951.1754.4953.03试块1 9%Ni焊材试块2 9%Ni母材试块3 5%Ni焊材试块4 5%Ni母材15.06176.8236.8103.280.263.124.221.800.182.293.121.4616 二、材料特性实验声速实验p 结论Ø 9%NI、5%NI的焊材和母材在试块的高度方向上有较大偏差，且为

13、负值，说明在测量不锈钢焊缝缺陷深度时会偏浅。测量方向（深度） 相对位移偏序号试块1试块2试块3试块4试块类型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、检测方案使用DMA探头双面双侧扇型扫描为主，使

14、用相控阵线阵探头横波线性扫描辅助检测坡口缺陷。检测工艺示意图如下：+18 三、检测方案人工伤对比实验p 试块设计：设计加工2种类型的对比试块类型1试块类型2试块对比试块：类型1和类型2试块各加工4块类型编号材料板厚坡口类型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、检测方案人工伤对比实验p 工艺设置：所有设置使用相应材料的校准试块进行灵敏度、TCG校准，保证具有相同的检测灵敏度。1、类型1试块使用5L64-A2探头在A2、类型2试块使用DMA探头在面90进行60°线扫二次波扫查，并使 试块双面双侧进行40°75°扇扫用DMA探头在试块的B面90进行扇扫 扫查。一次波扫查。5L64-A2DMA5L64-A2DMA20 三、检测方案人工伤对比实验p 检测设备：相控阵主机Omniscan 32/128 PR;两维面阵相控阵一发一收纵波探头DMA;一维线阵相控阵探头5L64-A2;TP-VIEW扫查器。相控阵主机DMA探头5L6

16、4-A2和扫查器21 三、检测方案人工伤对比实验例：类型1试块9NI-T16.5-SV-1检测结果线扫波幅扇扫波幅缺陷编号检测位置（5L64-A2）（DMA）A90B270A9064%/123/45%64%/B270A90/92%/31%/B270线扫结果DMA扇扫结果22 三、检测方案人工伤对比实验p 结论：通过对类型1试块的试验结果分析，结论如下，Ø 使用横波线扫能够检测同侧坡口的未熔合缺陷，并有较好的信噪比；Ø 使用垂直于坡口角度的横波线性扫描2次波，检测模拟坡口未熔合的平底孔缺陷时，相比于纵波扇型扫描得到的缺陷反射波幅更高（最大可达6dB以上）。23 三、检测方案人

17、工伤对比实验例：类型2试块9NI-T16.5-SV-2检测结果检测值实测值缺陷编号 检测位置波幅/深度水平备注深度水平A90/A270/13.5mm7.5mm11.5mm0mmB90100%100%45%82%100%100%100%100%/3.4mm0.4mm/B270A903.7mm4.5mm/信号不全A270/信号不全20mm0mmB907.3mm7.7mm10.8mm11.9mm/0.1mm4mm4.7mm3.1mm/B270A90A2703B90B270/24 三、检测方案人工伤对比实验例：类型2试块9NI-T16.5-SV-2检测结果检测值实测值缺陷编号 检测位置波幅/深度水平备

18、注深度水平A90/A270/43.5mm0mm0mm0mmB90100%100%66%60%66%90%64%64%/2.7mm7.7mm/B270A90/信号不全/信号不全A2709mm3.8mm/58mmB907.5mm5.8mm/B270A90/信号不全12.4mm4.6mm/A27012.9mm1mm612mmB90/B270/Ø 缺陷深度误差小于1mm，水平误差大于1mm25 三、检测方案人工伤对比实验例：类型2试块9NI-T30-DV-2检测结果检测值实测值缺陷编号 检测位置波幅/深度水平备注深度水平A90/A270/13mm8mm0mmB9098%100%/4.8mm+

19、3.3mmB270A906mm-2.5mm/A270/9mm11mm/20mm0mmB90100%100%64%58%100%100%+3.3mm-3.8mm/B270A90/信号不全A270/信号不全311.5mmB9015mm14.4mm+1.8mm-1.4mm/B27026 三、检测方案人工伤对比实验例：类型2试块9NI-T30-DV-2检测结果检测值实测值缺陷编号 检测位置波幅100%100%100%25%100%100%/深度水平备注深度水平A9013.9mm+3.6mm/A27014.2mm-2.4mm/416mm0mm0mm0mmB90/信号不全B270A90/信号不全17.6m

20、m+4.9mm/A27019mm-3.2mm520.5mm25.5mmB90/B270A90/100%100%/23.3mm+4.7mmA27024.9mm-3.3mm6B90/B270/27 三、检测方案人工伤对比实验例：类型2试块9NI-T30-DV-2检测结果检测值实测值缺陷编号 检测位置波幅/深度水平备注深度水平A90/A270/73.5mm8mm10.5mmB9068%98%67%60%100%100%/5mm-9mm/B270A906.6mm-13.8mm/ /信号不全/ A270/信号不全88mm6mmB90/信号不全B270A9011mm-10.6mm/A270100%/11.

21、2mm/+4.6mm/912mmB90B27080%14.6mm-7.7mm28 三、检测方案人工伤对比实验例：类型2试块9NI-T30-DV-2检测结果检测值实测值缺陷编号 检测位置波幅69%93%/深度水平备注深度水平A90/信号不全+1.4mm/A27015mm/1017mm26mm4mmB90/B270A9070%83%100%/信号不全+11.7mm+4.3mm24mm/A27025.2mm116mmB90/B270/Ø 缺陷深度误差大于1mm，水平误差大于1mm29 三、检测方案人工伤对比实验p 结论：通过对类型2试块的试验结果分析，结论如下，Ø 厚度较小的试块

22、9NI-T16.5-SV-2和5NI-T18-SV-2检测的深度误差小于1mm；Ø 厚度较大的试块9NI-T30-DV-2和5NI-T32-DV-2部分缺陷深度误差大于1mm；ü 试块在加工缺陷之前进行焊接加工时，试块出现了较大变形；ü 在厚度方向加工的6个横通孔较密，而且反射波幅较高，导致显示信号叠加，影响了数据判读的准确性，从而造成了判读上的误差；Ø 类型2试块检测中部分缺陷水平方向的误差大于1mm。30 三、检测方案自然伤对比实验p 试块设计：根据现场焊接工艺，加工自然伤试块4块，每块试板中有5处典型焊接缺陷。试块编号公称板厚 缺陷数量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-中心线裂纹，B-侧壁未融合，C-夹渣，D-根部裂纹，E-根部未焊透或未融合31 三、检测方案自然伤对比实验p 结论：通过对类型2试块的试验结果分析，结论如下，Ø 双面双侧纵波检测，能够发现全部缺陷，部分缺陷能够被不同组扇型扫描同时发现，印证了波束的相互覆盖和缺陷的位置信息。32 四、下一步研究方向爬波p 相控阵超声激发爬波超声爬波又称为表面下纵波

24、，对表面粗糙度不敏感，特别适合检测像奥氏体不锈钢类的粗晶材料表面及近表面缺陷。单触发脉冲Ø 一个探头Ø 一个楔块时间Ø 多个波束角度Ø 检测结果图像化Ø 数据实时记录可永久保存33 四、下一步研究方向爬波p 存在问题Ø 激发爬波分量时，会产生其他信号么？Ø 如何选择相控阵超声扇型扫描角度？Ø 相控阵超声系统哪些参数影响最终波束角度的形成？p 验证实验光弹实验声速测试34 四、下一步研究方向爬波p 光弹实验Ø 光弹法可以实现超声场的可视化，是一种研究固体中超声波动现象的重要方法，其物理基础是暂时双折射现象。85°折射纵波入射到实验样品（K9光学玻璃）后，