Ultralydtest af duplexstålssvejsninger: Identificering af ferrit-austenit-balancen og potentielle fejl

Ultralydtest af duplexstålssvejsninger: Identificering af ferrit-austenit-balancen og potentielle fejl

Duplex rustfri stål er en hjørnesten i den moderne industri, priset for deres ekstraordinære styrke og korrosionsbestandighed. Deres komplekse tofasers mikrostruktur (austenit og ferrit) stiller dog unikke udfordringer for oedestruktiv prøvning (NDT). Ultralydtestning (UT) er et afgørende værktøj til at sikre integriteten af duplex stål-svejsesømme, men det kræver en dyb forståelse af, hvordan materialets egenskaber påvirker inspektionen. Denne guide giver en praktisk ramme til at bruge UT til at evaluere både svejsens kvalitet og mikrostrukturen i duplex rustfri stål.

Hvorfor ultralydtestning er afgørende for duplex svejsesømme

At svejse duplex rustfri stål er en fin balancegang. Processen skal opnå to nøgleobjektiver:

1. En fejlfri svejsesøm: Fri for revner, mangel på fusion, porøsitet og indeslutninger.

2. En balanceret mikrostruktur: Vedligeholdelse af en fasebalance på ca. 50 % austenit og 50 % ferrit for at bevare mekaniske egenskaber og korrosionsbestandighed.

UT er den primære metode til at verificere det første mål. Det andet mål har dog direkte indflydelse på selve UT-inspektionen. En ubalanceret mikrostruktur kan skjule fejl eller skabe falske indikationer, hvorfor en grundig forståelse af begge er afgørende.

Udfordringen: Akustisk anisotropi i duplexmikrostrukturer

Den primære udfordring ved inspektion af duplexstål er deres akustiske anisotropi . Dette betyder, at lydbølgernes hastighed ændres afhængigt af den retning, de bevæger sig i gennem materialets krystalstruktur.

• I isotrope materialer (som standard austenitiske eller ferritiske stål) bevæger lydbølger sig med en konstant hastighed i alle retninger, hvilket gør fortolkningen enkel.

• I anisotrope materialer (som duplexstål og svejsninger) kan lydelementet spredes, vrides og opdeles, hvilket fører til:

  • Bølgebøjning: Lydbølgen kan ikke rejse i en lige linje, hvilket gør det vanskeligt at lokalisere en fejl præcist.

  • Dæmpning: Tab af signalmængde, hvilket reducerer gennemtrængningsevnen og muligheden for at finde små eller dybe fejl.

  • Høj støjniveau: Den komplekse kornstruktur skaber et højt niveau af baggrundsstøj ("græsplæne"), som kan skjule reelle fejl.

Denne anisotropi er mest udtalt i selve svejsemetallet, hvor den rettede stivnede struktur har grove kanter, og hvor intensiteten er direkte forbundet med ferrit-austenit-balancen.

UT-procedure: Nøgleovervejelser for duplex-stål

For at overkomme disse udfordringer skal UT-proceduren være omhyggeligt designet og godkendt.

1. Udstyr og transducer-valg:

• Teknik:  Time-of-Flight Diffraction (TOFD) er meget effektiv til duplex-svejsninger, da den er mindre følsom over for stråleforvrængning og giver fremragende muligheder for at vurdere størrelsen af planære fejl. Phased Array Ultralydtesting (PAUT) er også bedre end konventionel ultralydtesting på grund af dens evne til at generere flere strålevinkler og give detaljerede visuelle kort over svejsevolumenet.

• Vinkler: Brug lavere refraktionsvinkler (f.eks. 45°) for at forbedre signalet-for-støjforholdet. Standard 60° eller 70° sonder kan opleve mere betydelig stråleforvrængning.

• Frekvens: En lavere frekvens (f.eks. 2 MHz) giver bedre penetration, men mindre opløsning. En højere frekvens (f.eks. 4-5 MHz) giver bedre opløsning, men kan opleve højere dæmpning. Der skal findes en balance ud fra materialets tykkelse.

2. Kalibrering og referenceblokke:

• Væsentlig praksis: Kalibrering skal udføres på en referenceblok fremstillet af samme duplex-kvalitet og produktform (f.eks. rør, plade) som komponenten, der skal inspiceres.

• Hvorfor det er vigtigt: Anvendelse af en referenceblok i kulfiberstål vil resultere i betydelige unøjagtigheder, fordi den akustiske hastighed er forskellig. Duplex-blokken tager højde for den faktiske lydhastighed og dæmpning i det anisotrope materiale.

3. Scanning og fortolkning af data:

• Operatører skal være trænet i at skelne mellem:

  • Geometriske indikationer: Refleksioner fra svejsningsrødder, -kapper eller fordybninger.

  • Mikrostruktursignalstøj: Det ensartede, kornede baggrundsmønster forårsaget af kornstrukturen.

  • Ægte defekter: Skarpe, tydelige indikationer, der tydeligt stikker ud over støjniveauet og kan følges over forskellige probevinkler.

Identificering af mikrostrukturel ubalance via ultralydtestning

Mens kvantitativ fasebalance-måling kræver metallografiske laboratorieteknikker (f.eks. punkttællingsanalyse), kan ultralydsscanning (UT) give stærke kvalitative indikationer på et problem:

Vigtig bemærkning: Hvis ultralydtesting (UT) antyder en mikrostruktur-anomal, skal det bekræftes ved destruktiv testning (f.eks. ved at skære en prøve til metalografisk analyse). UT er et screeningsværktøj for mikrostruktur, ikke en afgørende måling.

Almindelige svejsedefekter og deres UT-signaturer i duplex-stål

Bedste praksisser for pålidelig inspektion

1. Procedurkvalifikation: Kvalificér ultralydtestproceduren på en mock-up, der indeholder reelle, repræsentative fejl (f.eks. savne, EDM-furer) og områder med kendt mikrostrukturuel ubalance.

2. Trænet personale: Brug udelukkende ultralydsteknikere på niveau II og III med specifik erfaring i at inspicere anisotrope materialer som duplex rustfrit stål og svejser.

3. Dataregistrering: Registrér alle A-scans og, for PAUT/TOFD, hele sektorscans. Dette tillader efterfølgende analyse og anden mening i forhold til vanskeligt tolkbare angivelser.

4. Korrelation med andre NDT: Når der er tvivl, skal man korrelere UT-resultater med andre metoder. Væskeindtrængningsprøvning (PT) er fremragende til overfladeforstyrrelser, mens radiografisk prøvning (RT) kan give et andet perspektiv på volumetriske fejl.

Konklusion

Ultralydtestning af duplex rustfri stål-svejsninger kræver en ændring fra standardpraksis. Succes afhænger af at erkende, at materialets mikrostruktur ikke blot er en egenskab, der skal måles, men en fundamental variabel, der påvirker inspektionen selv. Ved anvendelse af avancerede teknikker som PAUT og TOFD, kalibrering på repræsentative referenceblokke og forståelse af de akustiske signaturer for både fejl og mikrostrukturelle anomalier kan inspektører pålideligt sikre integriteten og ydeevnen af kritiske komponenter i duplex rustfrit stål.