爆炸复合板压力容器径向裂纹的无损检测及其安全性分析

爆炸复合板压力容器径向裂纹的无损检测及其安全性分析
0 序言
复合板既能进行热压、冷弯，又能进行切割、焊接等各种加工，具有优良的工艺性能，与单一金属相比，复合板能较好地综合组成母材的优异性能，不锈钢复合板由基层(碳钢或低合金钢)和覆层(不锈钢)通过冶金复合而成，在减少不锈钢用量前提下，既能保证材料耐腐蚀性又充分利用基层提高力学性能，降低了设备制造成本，在化工、石油、海水淡化、造船工业等领域具有广泛的应用前景，金属复合板在工业生产中的应用也日益广泛[1-3].
随着复合板应用的日益广泛，金属复合板的制造工艺也在不断创新，金属复合板的生产工艺一般包括轧制复合法、爆炸焊接复合法、爆炸焊接+轧制复合法、扩散焊接复合法、超声焊接复合法等[4-9].其中，爆炸焊接复合法因可以实现两层或者多层金属板之间的良好复合且所获得的复合板材料具有良好的后续加工性能，在复合板加工工艺中得到广泛使用. 但爆炸焊接同时也存在一些缺点和局限，对于复合板的爆炸焊接来说，面积不能无限大，覆层的厚度不能太厚，基层的厚度不能太薄，同时，爆炸焊接常要求被焊的材料必须有很强的耐冲击性和很好的延展性，否则在爆炸焊接时，可能会使复合母材发生开裂甚至断裂；对于形状较为复杂的材料，爆炸焊接技术的应用受到一定限制[10-12]；此外，对于爆炸复合板压力容器来说，由于爆炸复合板特殊的工艺特性使得复合板结合层中熔化后又凝固的结晶组织容易产生夹杂、空洞等缺陷，在荷载作用下易形成裂纹[13-14]. 同时，这些裂纹在外力作用下易产生应力集中而导致材料失效. 所以在爆炸焊接复合法广泛运用于金属复合板的制造工艺的同时，对爆炸复合板压力容器进行无损检测对其安全使用十分重要[15-16]. 现有标准NB/T 47013.3—2015《承压设备无损检测超声检测》对承压设备用碳素钢、低合金钢和奥氏体不锈钢锻件的超声波检测方法中规定超声波检测探头应选用2～5 MHz的直探头进行检测，以判断其质量是否合格.
文中通过直探头、斜探头、TOFD等方法，对含径向裂纹的
S31603/Q345R复合板压力容器进行无损检测，以比较其缺陷检出能力；通过扫描电子显微镜观察其组成成分和微观结构，以分析其失效机理；最后，通过数值计算分析含径向裂纹复合板压力容器的安全性能，为S31603/Q345R复合板压力容器的安全使用提供依据.
田陈煤矿选煤厂于1994年投产，采用一段浓缩、一段回收的煤泥水工艺流程，由于该流程存在的缺陷，使循环水浓度一直在180 g/L 左右，生产处于精煤产率低、产品质量不稳定、生产管理难度较大的被动局面。

2008年进行技术改造，采用了尾煤泥水两段浓缩、两段回收工艺流程。

承担这个流程中四个作业的工艺设备，经工业性试验表明，均有良好的指标，确实起到了各司其职、相辅相成、承上启下的作用，实现了煤泥全部厂内回收、洗水良性闭路循环。

尤其是煤泥水深度澄清工艺，改变了田陈煤矿选煤厂煤泥水浓度居高不下的历史，做到了清水选煤，取得了显著的经济和社会效益。

1 无损检测
爆炸焊接后复合板的焊缝结合面容易出现包括裂纹、空洞和夹杂等缺陷，在长时间的作用下这些缺陷容易导致裂缝的产生或扩展，最终使材料断裂，所以对爆炸复合板压力容器进行无损检测对其安全性能有重要的影响. 文中通过直探头、斜探头、TOFD、渗透检测等方法，对含径向裂纹的S31-603/Q345R复合板压力容器进行无损检测，并通过现场切割以比较其缺陷检出能力.
朝敏很无奈，她无法改变周暄的江湖痞气，只能尽量少跟他一起出去，有些事情眼不见为净，不知道心里就不会这么难受了。

1.1 超声波检测
对于复合板压力容器结合界面一般采用超声波检测，文中通过直探头、斜探头、TOFD对S31603/Q345R复合板进行了超声波检测并比较其检出缺陷的能力.
1.1.1 直探头检测
目前Airbnb和悦管家已经实现——在Airbnb平台上房东可直接在线预约悦管家的清洁服务，悦管家系统会即时得到服务需求，并自动确认服务时间和服务人员的分配，整个清洁服务已经做到了无人无
缝连接。

通过数据化的管理，单次清洁服务成本比房东自己管理清洁团队至少降低30%，更重要的是，用户得到了更好的服务体验，这是民宿市场得以快速发展的核心驱动力。

图1a为爆炸复合板超声波直探头检测结果，可以看到波底回波旁边有一个振幅很小的回波，即用圆圈出的波段. 但是这种回波现象并不明显、易被忽略，这是因为径向裂纹与直探头发射声束方向平行，回波面较小(图1b)，导致该类缺陷容易被漏检.
图 1 直探头检测
Fig. 1 Straight probe detection
1.1.2 TOFD检测
爆炸复合板超声波TOFD检测结果如图2所示，图2a，b分别为不含径向裂纹、含径向裂纹的复合板容器的TOFD检测结果. 可见在Q345R与S31603交界处均有明显回波，故对复合板界面处径向裂纹
无法有效检出，这是由于不锈钢的粗晶粒会产生回波，容易覆盖复合板压力容器中径向裂纹产生的回波，使TOFD检测不出复合板中存在的径向裂纹. 同时，由于受焊缝粗大柱状晶组织的影响，不锈钢焊缝的超声TOFD检测信号容易出现强烈衰减、散射及扭曲，不可避免地会造成缺陷衍射波能量弱、结构噪声强、信噪比低等问题，造成TOFD 检测对于不锈钢复合板中的径向裂纹并不灵敏，导致径向裂纹这类缺陷容易漏检.
图 2 复合板压力容器 TOFD 检测结果
Fig. 2 Composite plate pressure vessel TOFD test results
1.1.3 斜探头检测
图3a为爆炸复合板超声波斜探头检测结果，可以明显看出该复合板存在裂纹，且裂纹的回波面较大、易被检出. 这是因为斜探头发射声
束与径向裂纹呈一定角度，能产生较大的回波面(图3b).
婚礼乱成一锅粥，我在一旁咯咯大笑，老爹涨红了脸给了我一巴掌，我无所谓，摸着脸回家喜滋滋地说给我妈听，我妈却甩了我另一边脸一巴掌，两颊整齐地肿成一朵花。

1.2 渗透检测
为了更好地观察复合板结合界面中存在的裂纹缺陷，对复合板先进行碳弧气刨处理将表层S31-603去除,然后对该区域进行渗透检测，发现该区域有明显的径向裂纹(图4).
我们在语料的收集过程中发现，很多人体词并不经常为人们使用，它们更多地出现在科技或医学领域，符合基本等级范畴的人体词并不多。

通过查询《英汉大词典》、《牛津高阶英汉双解词典》及《朗文当代高级英语辞典》中的英语人体词，以及《现代汉语词典》中的汉语人体词，我们也发现，人们较常使用的基本人体词有五十多个，但有些人体词虽较为常用，却无隐喻意义，故该文不做探讨。

图 3 斜探头检测
Fig. 3 Oblique probe detection 2 理化分析
2.1 化学成分分析
图 4 渗透性检测
Fig. 4 Permeability testing
对复合容器的基层、覆层分别取样进行成分分析，结果见表1和表2,可见各元素含量均符合GB713—2008《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》对Q345R钢及GB/T20878—2007《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》对S31603钢成分的技术要求.
2.2 力学性能分析
为研究复合板的失效机理，对复合板进行力学性能测试. 在爆炸复合板上取样，对复合板进行拉伸试验、0 ℃的冲击吸收功试验和布氏硬度试验，测试结果见表3和表4，力学性能均符合设计要求.
首先，航海保障部门本身既是提供助航服务的主体单位，一直致力于通过航标、海测、通信三大业务为航行安全提供保障，为提升航运效率服务，其提供的服务已覆盖大部分MS内容，航海保障本身既是MS海上服务。

2.3 微观结构分析
2.3.1 结合界面组织形貌
复合板结合界面在扫描电镜下的形貌如图5所示，不锈钢与低合金钢复合界面处，出现了特有的正弦波纹，呈明显的波状结合界面，波形的波长约为500 μm，波高约为200 μm，且在界面结合处附近的
金属的晶粒为细小扁平状，这充分说明，在爆炸焊接复板高速冲击基板的过程中，界面两侧的金属在周期性波和切向力作用下，使界面附近的金属层发生剧烈的塑性变形，导致晶粒细化呈扁平状.
表 1 Q345R 钢的化学成分 (质量分数，%)
Table 1 Chemical compositions of Q345R steel
项目 C Si Mn P S Al Nb V Fe实测值 0.17 0.34 1.4 0.018 0.003 0.029 0.001 0.002 余量标准值≤0.20 ≤0.55 1.20～1.60 ≤0.025 ≤0.015 ≥0.020 ––余量
表 2 S31603 钢的化学成分 (质量分数，%)
Table 2 Chemical compositions of S31603 steel
项目 C Si Mn P S Cr Ni Mo Fe实测值 0.024 0.60 1.16 0.033 0.001 16.77 10.08 2.00 余量标准值≤0.03 ≤1.00 ≤2.00 ≤0.045 ≤0.03 16.0～18.0 10.0～14.0 2.0～3.0 余量
表 3 Q345R 钢的力学性能
Table 3 Mechanical properties of Q345R steel
0 ℃冲击吸收功AKV2/J Q345R 543 354 27.7 129技术要求510 ～600 ≥345 ≥21 ≥34项目抗拉强度Rm/MPa屈服强度RP0.2/MPa断后伸长率A(%)
表 4 S31603 钢的力学性能
Table 4 Mechanical properties of S31603 steel
硬度H(HB)S31603 610 291 58.5 81.0技术要求≥480 ≥177 ≥40 ≤187项目抗拉强度Rm/MPa屈服强度RP0.2/MPa断后伸长率A(%)
图 5 结合界面组织形貌
Fig. 5 Morphology of composite interface
2.3.2 界面扩散
为了解界面处元素的扩散情况，分别选定图6中的A, B, C三个特征点，对爆炸焊接的复合板结合面微区进行能谱分析，以进一步了解结合界面处主要元素Fe, C, Cr, Ni, Mo的分布情况(其它合金元素由于含量较少暂不考虑)，测得特征点对应的元素含量见表5，可以看出从不锈钢到低合金钢方向(左为不锈钢，右为低合金钢)，结合界面处Fe, C, Cr,Ni, Mo元素含量发生了较为明显的变化，Fe，C元素从低合金钢侧向不锈钢侧扩散，而Cr，Ni，Mo元素从不锈钢侧向低合金钢侧扩散，即在爆炸焊接的过程中界面处不锈钢侧的元素会向低合金钢侧扩散. 而覆层S31603不锈钢材料是一种亚稳态结构，经冷轧处理时，可应变诱发马氏体, 在爆炸复合的过程中在结合界面处存在高温、高温变形率和快冷等马氏体产生的条件. 因此，在S31603/Q345R
爆炸复合的过程中结合界面会产生马氏体的转变，且随着界面金属层变形量的增加马氏体也在增加，故其结合界面的硬度、冲击韧性和抗拉强度等力学性能均会受到影响. 受到爆炸冲击波作用时，在复合板结合界面更容易产生空洞、裂纹等微观缺陷，影响复合板的强度.
图 6 结合界面能谱分析特征点
Fig. 6 Analysis of feature points by energy spectrum
表 5 特征点的能谱 (EDS)分析
Table 5 Analysis of feature points by EDS
特征点化学成分(质量分数，%)Fe C Cr Ni Mo 其它A 65.52 5.66 15.72 9.69 1.58 1.83 B 85.21 6.10 4.07 2.18 0.87 1.57 C 91.74 6.91 0.25 0 0 1.1
2.3.3 结合界面裂纹、空洞及熔融组织
其次要加强监管力度，多设置一些有意义的课程，想留守儿童之
所想，急留守儿童之所急，缩小城乡教育水平差异。

切实加强对留守儿童的课业辅导，避免因农忙无人辅导的现象，并形成长效机制。

图 7 复合板结合区扫描电镜形貌
Fig. 7 SEM morphology of composite plate
结合界面裂纹、空洞及熔融组织在扫描电镜下的形貌如图7所示.图7a为结合界面处的裂纹形貌，可以看出裂纹在结合界面沿45°方向开始起裂，往基层Q345R方向扩展，呈现明显的方向性. 这是因为爆炸复合板特殊的焊接工艺使得炸药爆炸时产生高速、瞬时且具有方向性的破坏外力，即爆炸荷载，使复合板结合界面产生带有明显方向性的裂纹. 同时可以看到界面及裂纹处存在许多松散的金属颗粒(图7b)及空洞(图7c)，且空洞结晶金属颗粒并不连续，在爆炸焊接中称其为松散的颗粒结晶组织. 这是因为复合板基层与覆层空隙中存在着气体，在爆炸波的作用下被卷进旋涡，有的被分散在结晶颗粒之间，使凝固的金属不能连续生长，所以形成了松散状的结晶状态或金属颗粒. 同时，结合界面处有微小裂纹(图7d)的存在，与结合界面呈45°，这是由绝热剪切线 (adiabatic shear bands，ASB)在爆炸焊接完成后由ASB发展成的微裂纹. 而ASB的形成是由于在爆炸焊接的过程中，材料受到巨大的冲击力作用，塑性变形由局部开始向外扩展，此时的变形会产生热量，这些热量来不及散去，集聚在材料局部，使材料的温度升高，结果导致该区域材料的屈服强度降低. 当屈服强度小于材料由于受到冲击作用而产生的剪切力时，将发生剪切变形，导致ASB的产生.
由图7e可以看到结合界面裂纹处出现许多熔融的金属组织，这是由于爆炸焊接使基层和覆层在接触面上发生激烈碰撞，结合界面在力的作用下发生强烈的塑性变形，产生射流，由于射流具有很高的运动速度，且射流要受到来自基板与覆板的强大压力，因此在射流运动过程中会受到很大的摩擦力，根据有关摩擦生热的热流密度公式，即Q=fpv
式中：Q为摩擦产生的热量；f为摩擦系数；p为压力； v为速度. 可知，在此过程中会产生大量的热，产生的热量不仅促进射流熔化，而且对基板起到加热作用. 在这种情况下，金属的局部熔化将难以避免，在结合界面及裂纹处形成熔融物.
复合板结合界面裂纹、空洞、熔融组织等的存在会降低结合界面的强度，对爆炸复合板的质量及安全产生影响.
3 复合板压力容器的安全性能分析
3.1 有限元模型
利用ANSYS建立复合板压力容器的有限元模型. 其中Q345R的弹性模量E1为1.94×105 MPa，泊松比μ1为0.3；复合层S31603的弹性模量为1.94×105 MPa，泊松比为0.3. 复合板基层厚度为60 mm，复合层厚度为4 mm. 为研究径向裂纹对复合板的影响，在复合板结合界面中心处预制尺寸为4 mm×0.3 mm×20 mm的径向裂纹(模拟径向小裂纹). 由于容器模型中心对称，为简便计算，取模型的1/4作为研究对象，有限元模型如图8所示.
图 8 复合板有限元模型
Fig. 8 Finite element model of composite plate 3.2 模拟结果分析
图 9 应力分布
Fig. 9 Stress nephogram
图9a，b分别为含径向裂纹与不含径向裂纹的复合板容器在内压为1 MPa时的应力云图，可以看出复合板压力容器由于受内压的作用，内壁的应力明显大于容器外壁,含径向裂纹的复合板压力容器在同样的内压作用下的最大应力是不含径向裂纹的复合板压力容器最大应力的2.62倍，且对于含径向裂纹的复合板压力容器，应力最大值出现在径向裂纹尖端处，大小为39.66 MPa，为计算径向裂纹引起的应力集中系数，在不含径向裂纹的复合板压力容器的同一位置取一节点，测得
此节点的等效应力值为15.03 MPa，计算可知含径向裂纹的复合板压力容器的应力集中系数为2.64，在裂纹尖端处产生了很明显的应力集中现象，即当复合板压力容器中存在径向裂纹时会对复合板压力容器的安全使用产生较大的影响.
图10a，b分别为含径向裂纹复合板容器裂纹尖端位置处和不含裂
纹复合板压力容器沿复合板容器厚度()方向(图10c)的应力分布曲线，可以看出复合板压力容器由于径向裂纹的存在使得应力曲线在裂纹处出现突变，即复合板压力容器出现应力集中，且越靠近裂纹尖端应力集中系数越大，在裂纹尖端应力出现最大值.
图 10 应力分布曲线
Fig. 10 Stress distribution
4 结论
(1) 文中通过直探头、斜探头、TOFD无损检测方法对S31603/Q345R复合板压力容器的径向裂纹进行无损检测，发现直探头检测径向裂纹回波面小，易漏检；TOFD对不锈钢检测有杂波、噪音易导致对复合板径向裂纹的漏检；而斜探头因对复合板径向裂纹能产生较大的回波面而具有良好的检测效果，建议采用斜探头对复合板压力容器进行无损检测,考虑在标准NB/T47013.3—2015《承压设备无损检测超声检测》中增加斜探头的检测项目，以保证复合板的质量和安全.
(2) 通过扫描电镜对复合板结合界面进行微观结构分析发现，复合板界面呈爆炸焊接特有的波状结合界面，且结合界面处产生了两种材料元素的相互扩散；爆炸焊接特殊的焊接工艺使得结合界面处产生了马氏体的转变，且随着界面金属层变形量的增加马氏体也在增加，故其结合界面的硬度、冲击韧性和抗拉强度等力学性能均会受到影响；而爆炸焊接产生的剧烈的塑性变形，在界面上产生的裂纹、空洞、熔化层等微观缺陷，也将对爆炸复合板结合界面的强度产生影响.
(3) 通过对含径向裂纹复合板容器进行数值计算发现，在径向裂纹尖端处会产生明显的应力集中现象，应力集中系数可达2.64，可见当复合板压力容器中存在径向裂纹时会对复合板压力容器的安全使用产生很大的安全隐患.
肥料的使用在葡萄促成栽培过程中是不可缺少的，为了更好的达到施肥效果，果农应该充分结合葡萄在不同时期的生长特性和肥料需求来针对性的进行施肥，如果条件允许的情况下可以进行测土配方，从而更好的保证肥料使用的科学性和合理性，提升葡萄植株的抗逆性和生长速度，为提高葡萄的产量和果实品质提供更好的保障。

参考文献：
[1]Luo Z, Wang G, Xie G, et al. Interfacial microstructure and properties of a vacuum hot roll-bonded titanium-stainless steel clad plate with a niobium interlayer[J]. Acta Metallurgica Sinica,
2013,26(6): 754 - 760.
[2]Garnier C, Pastor M L, Eyma F, et al. The detection of aeronautical defects in situ on composite structures using non destructive testing[J]. Composite Structures, 2011, 93(5): 1328 - 1336.
[3]Faëse F, Raetz S, Chigarev N, et al. Beam shaping to enhance zero group velocity Lamb mode generation in a composite plate and nondestructive testing application[J]. Ndt &
E International, 2017,85: 13 - 19.
[4]Pascall M A, Richtsmeier J, Riemer J, et al. Non-destructive packaging seal strength analysis and leak detection using ultrasonic imaging[J]. Packaging Technology & Science, 2002, 15(6): 275 -285.
[5]Ma W B, Qi C L, Liu Q, et al. Adhesion force measurements between deep-sea soil particles and metals by in situ AFM[J]. Applied Clay Science, 2017, 148: 118 - 122.
[6]Murugan R, Venugobal P R, Ramaswami T P, et al. Studies on the effect of weld defect on the fatigue behavior of welded structures[J]. China Welding, 2018, 27(1): 53 - 59.
[7]Zhang M. Effect of heat treatment on microstucture and properties of explosive welding clad plate of TA1/Q345[J]. China Welding, 2018, 27(1): 26 - 31.
[8]朱晓红, 吕新峰, 陈国琦, 等. 复合板爆炸焊接的失效分析[J]. 金属热处理, 2014, 68(1): 144 - 148.Zhu Xiaohong, Lü Xinfeng, Chen Guoqi, et al. Failure analysis on explosive welded composite plate[J]. Heat Treatment of Metals,2014, 68(1): 144 - 148.
[9]王爽, 刘爱民, 郑燕, 等. 304/Q245R爆炸复合板结合区缺陷研究及相分析[J]. 压力容器, 2014(4): 20 - 24.Wang Shuang, Liu Aimin, Zheng Yan, et al. Analysis of defects and phase about 304/Q245R explosive welding composite plate[J]. Pressure Vessel Technology,
2014(4): 20 - 24.
[10]廖东波, 查五生, 李伟. 碳钢–不锈钢爆炸焊接复合板界面的显微结构[J]. 焊接学报, 2012, 33(5): 99 - 100.Liao Dongbo, Zha Wusheng, Li Wei. Microstructure of stainless steel-carbon steel composite plates produced by explosive welding[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2012, 33(5):99 - 100.
[11]陈振华, 张翀, 李新蕾, 等. 超声TOFD二次波检测技术在奥氏体不锈钢焊缝无损检测中的应用[J]. 无损检测, 2016, 38(6):1 - 5.Chen Zhenhua, Zhang Chong, Li Xinlei, et al. Application of ultrasonic TOFD secondary wave detection technology in nondestructive testing of austenitic stainless steel welds[J].Nondestructive Testing, 2016, 38(6): 1 - 5.
[12]富阳. 复合板压力容器裂纹的无损检测[J]. 无损检测, 2010,32(3): 227 - 229.Fu Yang. Non-destructive testing of cracks in composite plate pressure vessels[J]. Nondestructive Testing, 2010, 32(3): 227 -229.
[13]杨玉超, 邵元金, 闫君, 等. 复合板焊接裂纹分析及防治[J]. 焊接技术, 2015(10): 82 - 84.Yang Yuchao, Shao Yuanjin, Yan Jun, et al. Analysis and prevention of welding cracks in composite panels[J]. Welding Technology, 2015(10): 82 - 84.
[14]韩豫, 王可胜, 陈晓平, 等. 奥氏体不锈钢制压力容器应变强化工艺研究及安全性分析[J]. 中国机械工程, 2014, 25(24): 3359 -3364.Han Yu, Wang Kesheng, Chen Xiaoping, et al. Research on strain strengthening technology and safety analysis of austenitic stainless steel pressure vessel[J]. China Mechanical Engineering, 2014,25(24): 3359 - 3364.
[15]郭永良, 郑晖, 刘礼良, 等. 厚壁压力容器TOFD检测技术参数[J]. 无损检测, 2014, 36(5): 31 - 33.Guo Yongliang, Zheng Hui, Liu Liliang, et al. The parameters of TOFD detection of thick-walled pressure vessel[J]. Nondestructive Testing, 2014, 36(5): 31 - 33.
[16]Wang X J. Mechanical properties and microstructure of pure nickel PAW and PAW-TIG welded joints[J]. China Welding, 2017,26(4): 37 - 47.。