小徑管焊縫的超聲爬波檢測方法

王維東，張振華，曹云峰，王亦民，魏忠瑞，肖 瀟

(1.徐州電力試驗中心，徐州 221009；2.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，合肥 230601；3.山東瑞祥模具有限公司，濟寧 272400；4.常州超聲電子有限公司，常州 213000)

小徑管焊縫的超聲爬波檢測方法

王維東1，張振華1，曹云峰1，王亦民2，魏忠瑞3，肖 瀟4

(1.徐州電力試驗中心，徐州 221009；2.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，合肥 230601；3.山東瑞祥模具有限公司，濟寧 272400；4.常州超聲電子有限公司，常州 213000)

采用爬波對小徑管內(nèi)壁1 mm×5 mm(深度×長度)模擬裂紋制作DAC(距離-波幅)曲線，在距離小徑管焊縫模擬缺陷10～20 mm間以直射波覆蓋全焊縫掃查，水平定位可直接讀取缺陷位置。當采用橫波檢測時，以φ1 mm橫通孔制作DAC曲線，實測管內(nèi)外壁1 mm×5 mm模擬裂紋時，其反射聲壓比DAC曲線高7～14 dB。試驗結(jié)果表明，橫通孔與點狀和面狀真實缺陷的反射聲壓差較大，如果采用小徑管內(nèi)壁等深模擬裂紋制作DAC曲線，在定量檢測時可避免誤差。

小徑管;超聲爬波檢測；模擬裂紋

小徑管(外徑32～89 mm)是超超臨界機組的主要部件，一臺機組鍋爐包含著數(shù)以萬計的小徑管焊縫，其質(zhì)量關(guān)系著鍋爐的安全運行。近年來超超臨界機組引進的鐵素體耐熱鋼及奧氏體耐熱鋼小徑管更為復(fù)雜，其焊縫易出現(xiàn)未熔合、未焊透、裂紋、夾雜等面狀及點狀缺陷。小徑管的頻繁泄漏給發(fā)電廠帶來了巨大損失，傳統(tǒng)超聲檢測采用φ1 mm橫通孔進行當量判定，但該方法易使點狀缺陷漏檢、面狀缺陷不能準確定量[1]。筆者采用超聲爬波檢測小徑管，直射波覆蓋掃查小徑管全焊縫的方法，可以直接對焊縫缺陷進行定位檢測。

1 超聲爬波檢測原理

當縱波以第一臨界角α1鄰近的角度(約±2.5°)入射到界面時，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生表面下縱波，即爬波，表面下縱波是接近表面?zhèn)鞑サ目v波，能探測近表面的缺陷，對表面的粗糙度不敏感, 爬波探頭聲場見圖1。爬波探頭所激發(fā)的聲場具有多波型的特征，在產(chǎn)生爬波的同時還產(chǎn)生橫波，理論研究表明，爬波在自由表面的位移有垂直分量，不是純粹的縱波。

圖1 爬波探頭聲場示意

在探頭固定不動的條件下，爬波和橫波是從入射點附近向外輻射的；而頭波(橫波的波前)是為滿足自由邊界條件，縱波沿表面?zhèn)鞑サ倪^程中不斷輻射出的橫波。在探頭固定不動的條件下，頭波的輻射點是不固定的，是在爬波傳播過程中不斷從爬波所在點向外輻射的。爬波主瓣的折射角范圍為75°～85°。

2 探頭及試塊的研制

爬波探頭結(jié)構(gòu)見圖2，探頭頻率為5 MHz，晶片材料為PZT(鋯鈦酸鉛壓電陶瓷)。探頭弧面應(yīng)不小于被探測小徑管外徑[2-3]。

研制的通用TY系列(TY1～TY6)對比試塊見圖3，覆蓋了φ32～φ76 mm，其中TY1～TY4試塊外徑為φ32～φ63 mm，適用于檢測壁厚不大于9 mm的管；TY5～TY6試塊外徑為φ32～φ76 mm，適用于橫波檢測壁厚范圍在9～16 mm的管。此6個多徑管與橫通孔試塊采用燕尾槽連為一體，在6種規(guī)格管的內(nèi)外壁加工1 mm×5 mm(長度×深度，下同)等深周向模擬裂紋。試塊材料為20G鋼,縱波聲速為(5 920±30) m·s-1，試塊的參數(shù)見表1[4]。

圖2 爬波探頭結(jié)構(gòu)示意

圖3 TY系列對比試塊

表1 試塊的參數(shù) mm

3 檢測工藝

(1) 掃查速度

根據(jù)被測管徑及壁厚，選用與試塊弧面相符的探頭置于TY系列對比試塊上，分別找出距試塊圓弧10 mm和20 mm的反射波，將反射波移至?xí)r基線第2格和第4格，掃查比例為水平定位2∶1。

(2) 檢測靈敏度

根據(jù)被測管壁厚范圍，將探頭置于TY試塊6 mm或9 mm的管壁上，將內(nèi)壁1 mm×5 mm等深模擬裂紋最強反射波調(diào)整為80%波高，增益3 dB。探頭此時距焊縫10～20 mm[5]。

(3) 爬波檢測的波形特點

圖4 爬波檢測缺陷波形

焊縫根部存在合格范圍的內(nèi)咬邊、內(nèi)凹等缺陷，直射波束會如實反映缺陷的反射當量，爬波檢測缺陷波形如圖4所示。從圖4可看出，焊縫中上部分缺陷波形的反射波單純、雜波少，根部缺陷波則有小缺陷波伴隨。定位時可根據(jù)缺陷波形，確定為根部或中上部缺陷。

(4) 距離-波幅(DAC)曲線的制作

采用TY系列對比試塊，以不同外徑、壁厚(6 mm或9 mm)的內(nèi)壁1 mm×5 mm等深模擬裂紋反射波的80%波高為基準波高制作DAC曲線。 將內(nèi)壁模擬裂紋波調(diào)至80%波高，增益3～6 dB，在屏幕上制作一條直線，圖5為制作的DAC曲線。

圖5 制作的DAC曲線

(5) 缺陷位置及定量檢測

以獲得缺陷最大反射波信號位置為基準，直接讀出缺陷軸周向位置，并根據(jù)波形確定缺陷位于焊縫中上部或根部，缺陷反射波位于或高于判廢線的缺陷應(yīng)判為不合格，并測定指示長度，確定缺陷范圍。

(6) 爬波與橫波檢測聲壓差

爬波檢測時采用TY系列試塊1 mm×5 mm等深模擬裂紋制作DAC曲線，分別對不同管徑內(nèi)外壁1 mm×5 mm模擬裂紋、φ1 mm×2 mm(直徑×長度)柱孔進行測定。爬波面狀與點狀缺陷聲壓差見圖6。

圖6 爬波面狀與點狀缺陷聲壓差

檢測結(jié)果：TY試塊外壁等深1 mm×5 mm模擬裂紋反射波比DAC曲線高3 dB，見1號線，內(nèi)外壁φ1 mm×2 mm柱孔反射波幅比DAC曲線低9 dB，見2號線。

橫波采用5P 6 mm×6 mm K3探頭、φ1 mm×15 mm(直徑×長度)橫通孔制作DAC曲線(無補償)。TY試塊內(nèi)壁面狀與點狀缺陷聲壓見圖7。

圖7 TY試塊內(nèi)壁面狀與點狀缺陷聲壓

檢測結(jié)果：試塊內(nèi)外壁1 mm×5 mm模擬裂紋反射聲壓比DAC曲線高7～14 dB，管內(nèi)外壁φ1 mm×2 mm柱孔反射聲壓比DAC曲線低8 dB。

4 檢測試驗

試驗1：某工程不合格焊接接頭(自然缺陷)，材料T91鋼,規(guī)格(外徑×壁厚)φ54 mm×8 mm，探頭弧面直徑φ54 mm，X射線檢測顯示缺陷為焊縫上部熔合線裂紋，深度約2 mm。探頭弧面直徑φ54 mm，A側(cè)掃查缺陷波高DAC-5 dB，指示長度小于5 mm；B側(cè)掃查缺陷波高DAC-2 dB，指示長度5 mm。圖8為焊縫上部熔合線裂紋檢測波形及缺陷位置，波形顯示為中上部缺陷。

試驗2：某廠鍋爐過熱器不合格焊接接頭(自然缺陷)，材料為20G鋼,規(guī)格(外徑×壁厚)為φ42 mm×5 mm，X射線檢測顯示為焊縫根部熔合線裂紋，深度約1 mm。探頭弧面直徑φ42 mm，A側(cè)掃查缺陷波高DAC+0.1 dB，指示長度5 mm；B側(cè)掃查缺陷波高DAC+2.3 dB，指示長度6 mm。圖9為焊縫根部熔合線裂紋檢測波形及缺陷位置，波形顯示為中下部缺陷[6]。

圖8 焊縫上部熔合線裂紋檢測波形及缺陷位置示意

圖9 焊縫根部熔合線裂裂紋檢測波形及缺陷位置示意

試驗3：某廠鍋爐水冷壁管不合格焊接接頭(自然缺陷), 規(guī)格(外徑×壁厚)φ60 mm×6 mm，材料為20G鋼， X射線檢測顯示為焊縫根部未焊透，深度約1.5 mm，探頭弧面直徑φ60 mm。 A側(cè)掃查缺陷波高DAC-2.2 dB，指示長度15 mm； B側(cè)掃查缺陷波高DAC-2.4 dB，指示長度10 mm。圖10為焊縫根部未焊透檢測波形及缺陷位置示意，波形顯示為中下部缺陷。

圖10 焊縫根部未焊透檢測波形及缺陷位置示意

試驗4:焊縫根部中心裂紋(模擬缺陷)深1.0 mm,寬0.15 mm,長10 mm，材料T23鋼,規(guī)格(外徑×壁厚)φ38 mm×7 mm。探頭弧面直徑φ42 mm,A側(cè)掃查缺陷波高DAC-1.5 dB，指示長度10 mm； B側(cè)掃查缺陷波高DAC+1.7 dB，指示長度10 mm。圖11為焊縫根部中心裂紋檢測波形及缺陷位置示意，波形顯示為中下部缺陷。

圖11 焊縫根部中心裂紋檢測波形及缺陷位置示意

試驗5:焊縫表面中心裂紋(模擬缺陷)深1.0 mm,寬0.15 mm,長10 mm，材料為20G鋼,規(guī)格(外徑×壁厚)φ60 mm×6 mm，探頭弧面直徑φ60 mm。A側(cè)掃查缺陷波高DAC-0.4 dB，指示長度10 mm；B側(cè)掃查缺陷波高DAC+0.4 dB，指示長度10 mm。圖12為焊縫上部中心表面裂紋檢測波形及缺陷位置示意，波形顯示為中上部缺陷。

圖12 焊縫上部中心表面裂紋檢測波形及缺陷位置示意

圖13 焊縫中下部氣孔檢測波形及缺陷位置示意

試驗6:某工程水冷壁焊接接頭(自然缺陷)，材料為T23鋼,規(guī)格(外徑×壁厚)φ38 mm×7 mm，X射線檢測顯示為焊縫中下部氣孔，直徑約1.0 mm。探頭弧面直徑φ42 mm，A側(cè)掃查缺陷波高DAC+8.9 dB，B側(cè)掃查缺陷波高DAC+8.6 dB。圖13為焊縫中下部氣孔檢測波形及缺陷位置示意，波形顯示為中下部缺陷。

試驗7：某廠過熱器焊接接頭(自然缺陷)，材料為20G鋼,規(guī)格(外徑×壁厚)φ42 mm×5 mm，X射線檢測顯示為焊縫中下部氣孔，直徑約1.2 mm。探頭弧面直徑φ42 mm，A側(cè)掃查缺陷波高DAC+6.1 dB，B側(cè)掃查缺陷波高DAC+9.3 dB。圖14為焊縫中上部氣孔檢測波形及缺陷位置示意，波形顯示為中上部缺陷。

圖14 焊縫中上部氣孔檢測波形及缺陷位置示意

5 結(jié)果分析

(1) 爬波檢測采用直射波覆蓋全焊縫，水平定位直接讀出缺陷位置。始脈沖不進入放大器，避免了始波占寬的影響，無波束發(fā)散，面狀缺陷定量誤差為0～3 dB[7]。

(2) 橫波為多次波掃查，波束在管內(nèi)外壁發(fā)散，聲壓降低，同時油膜波(偽缺陷波形)與表面波干擾缺陷判定，探頭距離焊縫邊緣僅0～2 mm，掃查距離受限，受始波占寬影響，直射波定位易受雜波干擾，面狀缺陷定量誤差為7～14 dB。

(3) 點狀缺陷：爬波與橫波檢測均證明管內(nèi)外壁φ1 mm×2 mm柱孔低于各自DAC曲線(不大于9 dB)，兩種不同波形檢測結(jié)果接近。

6 結(jié)論

爬波DAC曲線對壁厚不大于9 mm小徑管焊縫的檢測方法，是建立在等深標準面狀缺陷的當量比較上的，定量準確，而相同條件下φ1 mm橫通孔與1 mm×5 mm面狀缺陷反射聲壓差較大。如采用φ1 mm橫通孔制作DAC曲線，應(yīng)參考相同壁厚1 mm×5 mm模擬裂紋反射聲壓修正dB差值。點狀缺陷的定量檢測，應(yīng)在爬波檢測靈敏度的基礎(chǔ)上增益9 dB，避免漏檢。

[1] 李陽，唐創(chuàng)基，李男.相控陣超聲檢測技術(shù)在海洋工程小徑管對接焊縫檢驗中的應(yīng)用[J].無損檢測，2013,35(9):41-44.

[2] 王維東，魏忠瑞, 韓玉峰,等.鎳基高溫緊固螺栓的超聲波探傷工藝[J].無損檢測,2014，36(5)：49-51.

[3] 羅瑯，王建平,奚延安,等.N08810鎳基合金焊縫的超聲探傷[J].無損檢測,2016,38(3): 60-65.

[4] 王維東，王亦民, 孟倩倩,等.超超臨界鍋爐小徑管焊縫的超聲相控陣檢測工藝[J].無損檢測,2015，37(12)：49-52.

[5] 曹云峰，花喜陽,田尉建,等.鎳基合金螺栓超聲檢測的典型案例[J].無損檢測，2016，38(11):79-82.

[6] 賽鵬，王佐森, 張建磊,等.焊縫根部及近根部垂直面積型缺陷的超聲檢測[J].無損檢測,2016，38(9)：53-56.

[7] 顏嘵亮，周清利.超聲檢測技術(shù)在核電站蒸汽發(fā)生器中的作用[J].無損檢測,2016，38(1)：63-65.

Ultrasonic Creeping Wave Testing Method for Small Diameter Pipe Welds

WANG Weidong1, ZHANG Zhenhua1, CAO Yunfeng1, WANG Yimin2, WEI Zhongrui3, XIAO Xiao4

(1.Xuzhou Electric Power Test Center, Xuzhou 221009, China; 2.State Grid Anhui Electric Power Company Electric Power Research Institute, Hefei 230601, China; 3.Shandong Ruixiang Mould Co., Ltd., Jining 272400, China; 4.Changzhou Ultrasonic Electronic Co., Ltd., Changzhou 213000, China)

A DAC (distance-amplitude) curve for detecting the 1 mm×5 mm (depth times length) simulated crack of small diameter tube inner wall was made by using the creeping wave. If tested with a direct wave range covering the whole weld at a distance of 10-20 mm from the simulated pipe weld defects, the horizontal positioning can directly read the defect position with quantitative accuracy. When the shear wave was used and DAC curve was made through drill hole of diameter 1 mm, the reflected sound pressure for the simulated cracks (1 mm×5 mm) of both inside and outside the tube should be 7-14 dB higher than DAC curve. The experimental results show that the reflecting acoustic pressure by transverse through hole and point and planar defect has big difference, and therefore if making DAC curve by the equal depth simulated crack of small diameter tube inner wall, the quantitative errors can be avoided.

small diameter tube; ultrasonic creeping wave testing; simulating crack

2017-01-03

王維東(1948-),男，主要從事電站無損檢測工藝方法研究工作

張振華，191547888@qq.com

10.11973/wsjc201707006

TG115.28

A

1000-6656(2017)07-0028-05