Kiểm tra Siêu âm mối hàn Thép Duplex: Xác định sự cân bằng Ferrite-Austenite và các khuyết tật tiềm ẩn

Kiểm tra Siêu âm mối hàn Thép Duplex: Xác định sự cân bằng Ferrite-Austenite và các khuyết tật tiềm ẩn

Thép không gỉ duplex là một nền tảng quan trọng của ngành công nghiệp hiện đại, được đánh giá cao nhờ độ bền vượt trội và khả năng chống ăn mòn. Tuy nhiên, cấu trúc vi mô hai pha phức tạp (austenit và ferit) của chúng tạo ra những thách thức đặc biệt cho kiểm tra không phá hủy (NDT). Kiểm tra siêu âm (UT) là công cụ quan trọng để đảm bảo độ bền của mối hàn thép duplex, nhưng đòi hỏi phải hiểu rõ cách mà các đặc tính của vật liệu ảnh hưởng đến quy trình kiểm tra. Hướng dẫn này cung cấp một khuôn khổ thực tiễn để sử dụng UT nhằm đánh giá chất lượng mối hàn cũng như cấu trúc vi mô trong thép không gỉ duplex.

Tại Sao Kiểm Tra Siêu Âm Lại Quan Trọng Đối Với Mối Hàn Duplex

Quy trình hàn thép không gỉ duplex là một sự cân bằng tinh tế. Quy trình này phải đạt được hai mục tiêu chính:

1. Mối Hàn Không Khuyết Tật: Không bị nứt, thiếu liên kết, rỗ khí và tạp chất.

2. Cấu Trúc Vi Mô Cân Bằng: Duy trì tỷ lệ pha cân bằng khoảng 50% austenit và 50% ferit để bảo tồn tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn.

UT là phương pháp chính để kiểm chứng mục tiêu đầu tiên. Tuy nhiên, mục tiêu thứ hai lại ảnh hưởng trực tiếp đến việc kiểm tra UT. Một cấu trúc vi mô mất cân bằng có thể che giấu các khuyết tật hoặc tạo ra các chỉ thị sai, khiến việc hiểu rõ cả hai yếu tố đều trở nên thiết yếu.

Thách thức: Tính dị hướng âm thanh trong cấu trúc kép (Duplex)

Thách thức chính khi kiểm tra thép kép (duplex) là tính dị hướng âm thanh . Điều này có nghĩa là vận tốc sóng âm thay đổi tùy theo hướng mà chúng di chuyển qua cấu trúc tinh thể của vật liệu.

• Trong vật liệu đẳng hướng (như thép austenit hoặc ferit tiêu chuẩn), sóng âm di chuyển với vận tốc ổn định theo mọi hướng, khiến việc diễn giải trở nên đơn giản.

• Trong vật liệu dị hướng (như thép kép và mối hàn), chùm âm thanh có thể bị tán xạ, lệch hướng và tách đôi, dẫn đến:

  • Cong chùm tia: Tia âm có thể không di chuyển theo đường thẳng, khiến việc xác định chính xác vị trí khuyết tật trở nên khó khăn.

  • Suy hao: Mất mát độ mạnh tín hiệu, làm giảm khả năng thâm nhập và phát hiện các khuyết tật nhỏ hoặc nằm sâu.

  • Mức Ồn Cao: Cấu trúc hạt phức tạp tạo ra mức độ nhiễu nền ("cỏ") cao, có thể che lấp các khuyết tật thực tế.

Hiện tượng bất đẳng hướng này rõ rệt nhất trong kim loại mối hàn, nơi cấu trúc được kết tinh theo hướng có các hạt thô, và mức độ của nó liên quan trực tiếp đến sự cân bằng giữa ferit và austenit.

Quy Trình UT: Những Lưu Ý Chính Đối Với Thép Duplex

Để khắc phục những thách thức này, quy trình UT phải được thiết kế và xác nhận một cách cẩn thận.

1. Lựa Chọn Thiết Bị Và Đầu Dò:

• Kỹ thuật:  Phương Pháp Khuyếch Tán Thời Gian Bay (TOFD) rất hiệu quả cho các mối hàn kép vì nó ít nhạy cảm với độ lệch tia và cung cấp khả năng định cỡ tuyệt vời cho các khuyết tật phẳng. Phương pháp Siêu âm Mảng Pha (PAUT) cũng vượt trội hơn phương pháp UT thông thường nhờ khả năng tạo ra nhiều góc tia và cung cấp bản đồ hình ảnh chi tiết của toàn bộ thể tích mối hàn.

• Góc: Sử dụng các góc khúc xạ thấp hơn (ví dụ: 45°) để cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Các đầu dò tiêu chuẩn 60° hoặc 70° có thể gặp phải hiện tượng méo tia nghiêm trọng hơn.

• Tần số: Tần số thấp hơn (ví dụ: 2 MHz) mang lại khả năng thâm nhập tốt hơn nhưng độ phân giải kém hơn. Tần số cao hơn (ví dụ: 4-5 MHz) mang lại độ phân giải tốt hơn nhưng có thể bị suy giảm cao hơn. Cần phải cân bằng dựa trên độ dày của vật liệu.

2. Hiệu chuẩn và Khối chuẩn:

• Thực hành quan trọng: Việc hiệu chuẩn phải được thực hiện trên một khối chuẩn được chế tạo từ cùng loại vật liệu kép và dạng sản phẩm (ví dụ: ống, tấm) như bộ phận đang được kiểm tra.

• Tại sao điều này quan trọng: Việc sử dụng khối chuẩn bằng thép carbon sẽ gây ra sai sót đáng kể vì vận tốc âm thanh khác nhau. Khối duplex tính đến vận tốc âm thanh thực tế và sự suy giảm trong vật liệu bất đẳng hướng.

3. Quét và Diễn giải Dữ liệu:

• Người vận hành phải được đào tạo để phân biệt giữa:

  • Chỉ thị Hình học: Các phản xạ từ chân mối hàn, bề mặt mối hàn hoặc lỗ loe.

  • Nhiễu vi cấu trúc: Mẫu nền hạt mịn nhất quán do cấu trúc hạt tạo ra.

  • Khuyết tật thực tế: Chỉ thị sắc nét, rõ ràng vượt trội so với mức nhiễu và có thể theo dõi qua các góc dò khác nhau.

Nhận diện Sự Mất Cân Bằng Vi Cấu Trúc Thông Qua Phương Pháp Siêu Âm

Trong khi việc đo lường cân bằng pha định lượng đòi hỏi các kỹ thuật phòng thí nghiệm kim loại học (ví dụ: phân tích đếm điểm), phương pháp kiểm tra bằng sóng siêu âm (UT) có thể cung cấp các chỉ báo định tính mạnh mẽ về vấn đề:

Lưu ý quan trọng: Nếu kiểm tra siêu âm (UT) cho thấy bất thường về cấu trúc vi mô, thì phải xác nhận bằng thử nghiệm phá hủy (ví dụ: cắt một mẫu coupon để phân tích kim tương). UT là công cụ sàng lọc để kiểm tra cấu trúc vi mô, không phải là phép đo mang tính xác định.

Các khuyết tật hàn phổ biến và đặc điểm nhận diện của chúng qua phương pháp UT trong thép duplex

Các Nguyên Tắc Tốt Nhất Để Kiểm Tra Đáng Tin Cậy

1. Chuẩn Hóa Quy Trình: Chuẩn hóa quy trình UT trên mô hình giả lập chứa các khuyết tật thực tế, điển hình (ví dụ: vết cắt bằng cưa, rãnh EDM) và các vùng có sự mất cân bằng vi cấu trúc đã biết.

2. Nhân Sự Được Đào Tạo: Chỉ sử dụng kỹ thuật viên UT cấp II và cấp III có kinh nghiệm cụ thể trong việc kiểm tra các vật liệu dị hướng như thép không gỉ duplex và mối hàn.

3. Ghi chép Dữ liệu: Ghi lại tất cả các tín hiệu A-scan và với PAUT/TOFD, ghi toàn bộ vùng quét sector. Điều này cho phép phân tích hồi cứu và xin ý kiến thứ hai đối với các dấu hiệu khó diễn giải.

4. Liên kết với các phương pháp NDT khác: Khi nghi ngờ, hãy đối chiếu kết quả kiểm tra siêu âm (UT) với các phương pháp khác. Kiểm tra thấm lỏng (PT) rất hiệu quả để phát hiện các khuyết tật hở bề mặt, trong khi kiểm tra bằng tia X (RT) có thể cung cấp một góc nhìn khác về các khuyết tật thể tích.

Kết Luận

Việc kiểm tra siêu âm mối hàn thép không gỉ duplex đòi hỏi phải thay đổi so với phương pháp tiêu chuẩn. Thành công phụ thuộc vào việc nhận thức rõ rằng cấu trúc vi mô của vật liệu không chỉ là một đặc tính cần đo lường mà còn là một biến số cơ bản ảnh hưởng đến quá trình kiểm tra. Bằng cách sử dụng các kỹ thuật tiên tiến như PAUT và TOFD, hiệu chỉnh trên các khối chuẩn đại diện, cũng như hiểu rõ các đặc trưng âm học của cả khuyết tật và các bất thường về cấu trúc vi mô, người kiểm tra có thể đảm bảo một cách đáng tin cậy về độ bền và hiệu suất của các bộ phận thép không gỉ duplex quan trọng.