P91/P92鋼管道對接焊縫微裂紋的超聲波檢測

陳君平，楊文峰，韓　騰，寧繼強，齊曉平，劉建屏，季昌國

(華北電力科學研究院有限責任公司，北京 100045)

?

P91/P92鋼管道對接焊縫微裂紋的超聲波檢測

陳君平，楊文峰，韓騰，寧繼強，齊曉平，劉建屏，季昌國

(華北電力科學研究院有限責任公司，北京 100045)

隨著P91/P92鋼在國內火力發(fā)電機組的大量應用，對其焊接缺陷的檢測也成為質量監(jiān)督的重點工作。目前,在運行檢修過程中，超聲波檢測出的缺陷主要為以微小裂紋類缺陷為主的層間缺陷。通過對某廠P91鋼主蒸汽管道對接焊縫的超聲波檢測，對微小裂紋的缺陷回波波形特征進行了分析，對該類缺陷在超聲波檢測中的判斷和識別方法進行了探討和總結。

微小裂紋;層間缺陷;缺陷回波;波形特征;超聲波檢測

P91/P92鋼屬于改良型9Cr-1Mo高強度馬氏體耐熱鋼，具有較高的抗氧化性能和抗高溫腐蝕性能、良好的沖擊韌性、高而穩(wěn)定的持久及熱強性能，優(yōu)良的導熱系數(shù)和較小的膨脹系數(shù)。其在使用溫度低于620 ℃時的許用應力高于奧氏體不銹鋼。自1996年開始，國產300,600 MW及以上亞臨界和超臨界機組開始大量采用P91鋼作為主蒸汽、高溫再熱蒸汽管道及末級集箱的用材。2006年后,隨著國內超超臨界機組的相繼投產，P92鋼開始大量應用于超超臨界機組的主蒸汽、高溫再熱蒸汽管道及末級集箱制造[1]。目前，在對電力系統(tǒng)已安裝機組的運行檢修過程中，發(fā)現(xiàn)超聲波檢測出的缺陷主要以冷裂紋、熱裂紋、未熔及細小夾渣等為主，尤其以微小裂紋類缺陷為主的層間缺陷為多[2-3]。因此，采用合理有效的超聲波檢測方法來保證該類缺陷的檢出率,無疑是電站鍋爐安全運行的重要保障手段。筆者通過對某電廠的P91鋼主汽管道的檢驗，對該類缺陷的超聲波檢測方法進行了分析和探討。

1　P91/P92鋼橫波聲速測定

高強度新型耐熱鋼的共同特點之一是其合金元素含量大幅增加，導致材料聲速也發(fā)生變化，近年來引起了無損檢測工作者的關注[4-7]。使用數(shù)字超聲波檢測儀檢測時，聲速是影響檢測定位定性的重要因素。只有準確測定被檢材料的橫波聲速，才能對缺陷的深度、位置進行精確地測量。

因此，在檢測前，為了減小檢測過程中的定位、定量誤差，選用專用的P91鋼的半圓試塊、CSKⅠA和CSKⅢA試塊進行儀器參數(shù)的調節(jié)。為了得到更為精確的聲速，筆者利用數(shù)字式超聲波檢測儀在P91鋼的半圓試塊上進行聲速的測定，測定時預先設定近似聲速，以此聲速在半圓試塊上測定兩次底面反射聲程差為:

(1)

式中：:Sn，Sn-1分別為試塊第n,n-1次底面反射聲程。

將ΔS代入以下公式進行計算得:

(2)

式中：:d為試塊在鋼中聲程；c′為預先輸入儀器的近似聲速值。

2　檢驗過程及結果

在某電廠的1#機組檢修過程中，對鍋爐和汽機側主蒸汽管道對接焊縫分別進行了超聲波檢測，采用的檢測標準為JB/T 4730.3-2005《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》，檢測等級為B級。主汽管道的規(guī)格為φ453 mm×41 mm,φ337 mm×32 mm;材料為SA335-P91鋼。采用的檢測儀為漢威HS 611e數(shù)字式檢測儀，探頭型號為2.5P13×13K1、K2。按上述聲速測定方法對橫波聲速進行測定，并將測試值輸入儀器中，然后在同材料試塊上對儀器進行調節(jié)。

檢測發(fā)現(xiàn)焊縫7道主蒸汽管道焊口內部存在多處記錄性缺陷，缺陷當量幅值為定量線上下，多數(shù)缺陷測長為點狀缺陷，且有一定的方向性，并且有些缺陷的再現(xiàn)性較差，從焊縫兩側檢測時無法對應。檢測出的缺陷深度、最高波幅當量大小、最大缺陷測長及焊縫缺陷數(shù)量等如表1所示。表中SL為定量線。

表1　某機組主蒸汽管道對接焊縫中檢出的缺陷信息

通過對上述管道對接焊縫的檢測發(fā)現(xiàn)，這些缺陷在焊縫中普遍存在，檢測過程中一般反射波高不高(在評定線上下);按目前標準檢測時，如果不特別地確定缺陷性質，則一般對其按點狀缺陷判定，均符合標準要求。但是，P91/P92鋼在國內電力機組的安裝中，焊接工藝要求極為嚴格，通常在焊接過程中不會出現(xiàn)如此多的缺陷。通過對其中缺陷顯示較為嚴重的焊口進行解剖,發(fā)現(xiàn)該類缺陷性質為微小裂紋類缺陷，缺陷長度為3～5 mm，典型缺陷示例照片如圖1所示。

圖1　微裂紋典型缺陷解剖示例照片

3　分析和討論

3.1P91/P92鋼聲速的測定方法

在對P91/P92 鋼進行超聲波檢測前，應選用同材料的試塊調節(jié)檢測參數(shù)，盡量不使用普通碳鋼材料。若受條件限制，不得已采用普通材料的試塊調試時，應根據(jù)聲速差異在計算后進行修正。

如前所述，和普通碳鋼相比,P91/92鋼中的聲速變化較大，那么只有準確測定材料的橫波聲速，才能對缺陷的深度、位置進行精確地測量。超聲波檢測儀不是為了測量材料聲速而開發(fā)的，因此用超聲波儀器采用通過法測定的材料聲速不一定就是材料的精確聲速。數(shù)字式檢測儀所顯示的反射波位置，實際是通過測定從晶片開始發(fā)射超聲波到聲波返回至晶片的時間。這個時間既包括了聲波在探頭內及耦合劑中的縱波傳播時間，也包括了在鋼中的橫波傳播時間。因此，采用前文所述的聲速測定方法，即通過測量半圓試塊上產生的多次反射波聲程差并進行相關計算后所得到的橫波聲速精度較高，在實際檢測工作中也易于操作。

3.2缺陷波形特征分析

檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的微裂紋缺陷，普遍反射回波當量較低;對缺陷進行解剖后發(fā)現(xiàn)裂紋長度多在3～5 mm之間，缺陷自身高度較小。為了便于觀察微裂紋的波形特征，選取當量較高的一處缺陷進行分析。選取了表1所示的7#焊口中某缺陷的回波波形以及前后包絡圖形，如圖2所示。

圖2　典型缺陷的最高回波波形及動態(tài)波形

對圖2所示的缺陷最高回波波形和前后掃查動態(tài)波形進行分析，可以看出:該類缺陷的回波為一尖銳的鋸齒狀回波。當探頭進行前后、左右掃查時，反射波包絡線范圍很小，較為尖銳，根部干凈，探頭與焊縫成一定的角度，具有裂紋的特征[8];左右轉動探頭時，反射波幅度變化較快，會看到鋸齒狀的波峰交錯變化。

3.3微裂紋缺陷檢測特點

通過大量的調研及焊縫解剖結果發(fā)現(xiàn)，由于P91/P92鋼合金含量高，結晶溫度區(qū)間范圍變大，產生結晶裂紋的幾率也變大;其焊縫中微小裂紋產生的原因主要是焊接過程中焊條收弧時產生的弧坑裂紋缺陷。裂紋是焊接結構中危害最大的缺陷，即使是層間弧坑小裂紋，在高溫高壓管道運行過程中也會不斷擴展延伸，直至焊縫發(fā)生斷裂。超聲檢測時，細小的、方向不確定的弧坑裂紋很容易造成漏檢。超聲波檢測P91/P92鋼焊縫中微小裂紋一般有如下幾個特征：

(1) 當在焊縫一定厚度范圍內存在多個缺陷反射回波時，探頭移動過程中，缺陷反射波此起彼伏。

(2) 缺陷的反射回波波幅較低，個別反射回波在Ⅱ區(qū)或者Ⅲ區(qū)以上，多數(shù)缺陷反射波在Ⅰ區(qū);很多缺陷反射波與焊縫存在一定夾角，探頭轉動一定角度后，反射波出現(xiàn)，探頭稍一轉動，缺陷波即刻消失。

(3) 對單個缺陷從焊縫兩側進行檢測時，無法對應，反射波多出現(xiàn)在探頭本側。

(4) 如果出現(xiàn)個別波幅較大、長度較長的缺陷回波，要特別引起重視，這很可能是個別微小裂紋擴展的結果。

3.4缺陷判定原則

通過對缺陷特征的分析可以發(fā)現(xiàn)，由于缺陷本身尺寸較小，在檢測過程中對于一些尺寸接近3倍波長的缺陷，其缺陷波可類似看成球形分布，不論是垂直入射還是傾斜入射，都能得到一定幅度的缺陷反射回波[9]。實際解剖也表明，此類缺陷的尺寸大小有時與反射波波幅無線性關系。對于P91/92焊縫微裂紋的超聲波檢測，不能簡單地按反射波幅來判定，除了應對定量線(SL)和判廢線(RL)之間的反射波幅進行分析外，對于低于定量線(SL)的缺陷波形特征也應進行分析和判定[10]。

因此，對于此類性質缺陷的超聲波檢測，應在常規(guī)缺陷檢測標準規(guī)定的檢測靈敏度的基礎上再提高6 dB作為檢測靈敏度。也就是說，對于缺陷當量波幅超過SL-6 dB的反射回波，應根據(jù)探頭位置、方向、反射波的位置、波形的變化及焊接接頭的具體情況進行分析，判斷其是否具有微小裂紋的特性。

值得注意的是，該判定原則是基于P91/92鋼的材料特點、焊接工藝及產生缺陷的性質等進行的綜合判定，不具有普遍性，因此不能將該判別方法直接應用到其他材料上去。此外，由于該方法能大致檢測出P91/92鋼內部小裂紋，因此其是對焊接接頭的一個整體評價，而不僅僅是對單一缺陷的評定。

4　結論

(1) 由于P91/P92鋼中合金元素含量大幅增加，其聲學特性發(fā)生了很大變化，對超聲波檢測焊縫缺陷時的定位及定性造成了影響，故在實際檢測中應對材料橫波聲速加以測定。

(2) 對于P91/P92鋼對接焊縫中的微裂紋類性質的缺陷，應在常規(guī)檢測過程中提高6 dB的檢測靈敏度，對缺陷當量波幅超過SL-6 dB的反射回波，應根據(jù)探頭位置、方向、反射波的位置、波形的變化及焊接接頭的具體情況，進行綜合分析和判斷。

[1]電力規(guī)劃設計總院管道專業(yè)技術小組.關于我國火電廠主蒸汽管道采用P91鋼的建議[J].中國電力,1996,29(7):3-9.

[2]梁軍.加強金屬材料技術監(jiān)督研究 確保超(超)臨界機組可靠運行[C]//(超)臨界鍋爐用鋼及焊接技術協(xié)作網(wǎng)第三屆論壇大會論文集. 天津：[出版者不詳]，2009.

[3]嚴正，龍華明，李振山. 超聲波檢測P92鋼焊接接頭的幾個特殊問題[J].焊接技術，2009,38(1):50-52.

[4]牛曉光,焦榮格,李海生,等.T91鋼小徑管焊縫超聲波探傷缺陷的定位[J].華北電力技術，2006(7):8-10.

[5]宿修平,蘇德瑞.P91鋼焊縫缺陷檢測及原因探討[J]. 華北電力技術,2006(7):44-47.

[6]黃文大,金南輝.電站鍋爐SA335-P91鋼焊接接頭的超聲波檢測[J].無損檢測，2007,29(10):62-63.

[7]李振山,嚴正,柳傳志,等.P91/P92鋼管道焊接接頭的無損檢驗[J].電力建設,2010,31(8):94-100.

[8]王志永,李樹軍,郝曉軍,等.P91鋼管對接焊縫層間裂紋的超聲波檢測[J].無損檢測，2011,33(5):55-57.

[9]鄭暉，林樹青.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[10]楊美媛,郭建新. P92鋼焊接接頭超聲波檢測缺陷的分析[J]. 無損檢測，2013,35(3):15-18.

The Ultrasonic Testing of Micro-crack in P91/92 Steel Pipe Butt Weld

CHEN Jun-ping,YANG Wen-feng,HAN Teng,NING Ji-qiang,QI Xiao-ping,LIU Jian-ping,JI Chang-guo

(North China Electric Power Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100045,China)

Due to the large number application of P91/P92 steel of thermal power generating units in domestic,weld defects detection problem also gradually became the focus of quality supervision work. In the process of operation maintenance,the defects detected by Ultrasonic inspection were mainly micro-cracks in the interlayer. In this paper,by means of ultrasonic inspection on the P91 steel butt weld of main steam pipe in a factory,the waveform character of micro-cracks was analyzed,and the way how to judge and identify the defects in ultrasonic testing was studied and discussed.

Micro-crack;Interlayer defects;Defect echo;Waveform character;Ultrasonic testing

2015-12-10

陳君平(1980-)，男，高級工程師，碩士，主要從事電站鍋爐壓力容器檢驗及金屬監(jiān)督工作。

陳君平,E-mail: realsnow@163.com。

10.11973/wsjc201608011

TG115.28

A

1000-6656(2016)08-0044-03