Badanie ultradźwiękowe spawów stali podwójnej: Określanie równowagi ferrytu i austenu oraz potencjalnych wad

Badanie ultradźwiękowe spawów stali podwójnej: Określanie równowagi ferrytu i austenu oraz potencjalnych wad

Stale nierdzewne typu duplex są podstawą współczesnej przemysłowości, cenione za wyjątkową wytrzymałość i odporność na korozję. Jednak ich złożona mikrostruktura dwufazowa (austenit i ferryt) stwarza unikalne wyzwania dla badań nieniszczących (NDT). Badania ultradźwiękowe (UT) są kluczowym narzędziem zapewniającym integralność spoin ze stali duplex, jednak wymagają dogłębnej wiedzy na temat wpływu właściwości materiału na inspekcję. Niniejszy przewodnik oferuje praktyczne podejście do stosowania badań ultradźwiękowych w ocenie jakości spoin oraz mikrostruktury stali nierdzewnych typu duplex.

Dlaczego badania ultradźwiękowe są kluczowe dla spoin typu duplex

Spawanie stali nierdzewnej typu duplex to delikatna sztuka równowagi. Proces ten musi spełnić dwa podstawowe cele:

1. Spoina bez wad: Wolna od pęknięć, braku spoinienia, porowatości i wtrąceń.

2. Zrównoważona mikrostruktura: Utrzymanie równowagi faz na poziomie około 50% austenitu i 50% ferrytu, aby zachować właściwości mechaniczne i odporność na korozję.

UT jest główną metodą weryfikacji pierwszego celu. Jednak drugi cel bezpośrednio wpływa na samą inspekcję UT. Niewyrównana struktura może maskować wady lub tworzyć fałszywe wskazania, dlatego dogłębne zrozumienie obu aspektów jest istotne.

Wyzwanie: Anizotropia akustyczna w strukturach duplex

Główne wyzwanie w inspekcji stali duplex to ich anizotropia akustyczna . Oznacza to, że prędkość fal dźwiękowych zmienia się w zależności od kierunku, w którym poruszają się one przez strukturę krystaliczną materiału.

• W materiałach izotropowych (takich jak standardowe stali austenityczne lub ferrytyczne), fale dźwiękowe poruszają się ze stałą prędkością we wszystkich kierunkach, co ułatwia interpretację.

• W materiałach anizotropowych (takich jak stali duplex i spoiny), wiązka dźwiękowa może ulegać rozproszeniu, skrzywieniu i podziałowi, prowadząc do:

  • Zakrzywienia wiązki: Fala dźwiękowa może nie poruszać się po linii prostej, co utrudnia dokładne zlokalizowanie wady.

  • Osłabienie: Strata siły sygnału, zmniejszając jego przenikanie oraz możliwość wykrycia małych lub głęboko położonych wad.

  • Wysoki poziom zakłóceń: Złożona struktura ziarnista generuje wysoki poziom tła (tzw. trawa) lub zakłóceń, które mogą zasłaniać rzeczywiste wady.

Anizotropia ta jest najbardziej widoczna w samym materiale spoiny, gdzie struktura krystalizowana kierunkowo ma gruboziarnistą postać, a jej nasilenie jest bezpośrednio związane z równowagą ferryt- austenit.

Procedura USG: Kluczowe zagadnienia dotyczące stali podwójnej

Aby pokonać te trudności, procedurę USG należy starannie zaprojektować i zweryfikować.

1. Dobór sprzętu i przetworników:

• Technika:  Time-of-Flight Diffraction (TOFD) jest bardzo skuteczny w badaniu spoin dwustronnych, ponieważ jest mniej wrażliwy na odchylenie wiązki i zapewnia doskonałe możliwości pomiaru wielkości wad płaskich. Fazowana technika badania ultradźwiękowego (PAUT) jest również lepsza od konwencjonalnej metody UT dzięki możliwości generowania wielu kątów wiązki i dostarczania szczegółowych map wizualnych objętości spoiny.

• Kąty: Używaj niższych kątów załamania (np. 45°), aby poprawić stosunek sygnału do szumu. Standardowe sondy 60° lub 70° mogą doświadczać większych zniekształceń wiązki.

• Częstotliwość: Mniejsza częstotliwość (np. 2 MHz) oferuje lepsze przenikanie, ale gorszą rozdzielczość. Wyższa częstotliwość (np. 4-5 MHz) oferuje lepszą rozdzielczość, ale może powodować większe tłumienie. Należy znaleźć optymalne rozwiązanie w zależności od grubości materiału.

2. Kalibracja i bloki wzorcowe:

• Istotna praktyka: Kalibracja musi być wykonana na bloku wzorcowym wykonanym z tego samego gatunku stali dwufazowej i postaci wyrobu (np. rura, płyta) co badany element.

• Dlaczego to ma znaczenie: Użycie wzorcowego bloku ze stali węglowej spowoduje znaczne niedokładności, ponieważ prędkość akustyczna jest inna. Blok duplex uwzględnia rzeczywistą prędkość dźwięku i tłumienie w materiale anizotropowym.

3. Skanowanie i interpretacja danych:

• Operatorzy muszą być przeszkoleni, aby rozróżniać:

  • Wskazania geometryczne: Odbicia od korzenia spoiny, powierzchni zewnętrznej lub wewnętrznych zaokrągleń.

  • Szum mikrostrukturalny: Spójny, ziarnisty wzór tła spowodowany strukturą ziarnową.

  • Rzeczywiste wady: Wyraźne, ostre wskazania, które wyraźnie wychodzą ponad poziom szumu i mogą być śledzone przy różnych kątach sondu.

Identyfikacja niezrównoważenia mikrostrukturalnego za pomocą USG

Chociaż pomiar ilościowego składu fazowego wymaga technik metalograficznego laboratorium (np. analizy punktowej), UT może dostarczyć silnych jakościowych wskaźników problemu:

Ważna Notatka: Jeśli badanie ultradźwiękowe (UT) wskazuje na nieprawidłowość mikrostrukturalną, należy ją potwierdzić przez badania niszczące (np. wycięcie próbki do analizy metalograficznej). UT jest narzędziem wstępnego badania mikrostruktury, a nie pomiarem ostatecznym.

Typowe wady spawów i ich sygnatury UT w stali duplex

Najlepsze praktyki dla wiarygodnych inspekcji

1. Kwalifikacja procedury: Zakwalifikować procedurę UT na makiecie zawierającej rzeczywiste, reprezentatywne wady (np. nacięcia piłowe, rowki EDM) oraz obszary znanej niezrównoważonej mikrostruktury.

2. Wykwalifikowany personel: Stosować wyłącznie techników UT II i III stopnia z konkretnym doświadczeniem w inspekcji materiałów anizotropowych, takich jak stal nierdzewna ferrytyczno-austenityczna oraz spoiny.

3. Rejestracja danych: Rejestrować wszystkie A-skany oraz, w przypadku PAUT/TOFD, pełne skany sektorowe. Pozwala to na analizę wsteczną oraz drugą opinię dotyczącą trudnych do zinterpretowania wskazań.

4. Korelacja z innymi metodami NDT: W przypadku wątpliwości należy skorelować wyniki badań ultradźwiękowych z innymi metodami. Badanie penetracyjne cieczą (PT) doskonale sprawdza się w wykrywaniu pęknięć powierzchniowych, natomiast radiograficzne badanie nieniszczące (RT) może zapewnić inną perspektywę dla wad objętościowych.

Podsumowanie

Badanie ultradźwiękowe spoin ze stali nierdzewnej typu duplex wymaga odstąpienia od standardowych procedur. Sukces zależy od uświadomienia sobie, że mikrostruktura materiału nie jest jedynie właściwością do zmierzenia, lecz zasadniczym czynnikiem wpływającym na samą inspekcję. Stosując zaawansowane techniki, takie jak PAUT i TOFD, kalibrując na reprezentatywnych blokach wzorcowych oraz rozumiejąc akustyczne charakterystyki zarówno wad, jak i anomalii mikrostrukturalnych, inspektorzy mogą wiarygodnie zagwarantować integralność i właściwości eksploatacyjne kluczowych elementów ze stali nierdzewnej typu duplex.