700℃超超臨界火電機組無損檢測方法初探

摘 要：本文對火電機組目前采用的無損檢測技術(shù)的種類進(jìn)行簡單闡述，結(jié)合發(fā)展計劃對將來無損檢測帶來的影響進(jìn)行分析，提出無損檢測技術(shù)在將來實際應(yīng)用過程中發(fā)生哪些變化，各種檢測方法的適用性和局限性，以及新材料的大量使用給無損檢測技術(shù)帶來的變化和影響。

關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼；焊縫；檢測；700℃超超臨界

我國火電機組的主蒸汽參數(shù)不斷提高，蒸汽壓力從低壓、中壓、高壓、超高壓，不斷提升到亞臨界、超臨界，并一躍成為世界上超超臨界機組最多的國家，在節(jié)能、減排、低碳、提效的大背景下，700℃以上高效超超臨界機組的研究是當(dāng)今火電機組的發(fā)展方向，我國在2010年也開展了高效超超臨界機組的研究工作。

高效超超臨界研究的核心在于耐高溫材料的研發(fā)和應(yīng)用，這也是當(dāng)今世界需要解決共性問題。目前火電機組用鋼主要分為鐵素體鋼和奧氏體鋼兩大類，由于低合金鐵素體耐熱鋼的應(yīng)用受到抗高溫氧化性能的限制，對于700℃以上的選材，世界研究的方向為抗蒸汽氧化、耐高溫性能更好的新型奧氏體鋼和高溫鎳基合金。電站設(shè)備材料的變化也將給焊接工藝及無損檢測方法帶來改變。

1 電站設(shè)備常規(guī)無損檢測

用于電站設(shè)備安裝過程中質(zhì)量監(jiān)檢和在役設(shè)備使用過程中的定期檢驗的常規(guī)檢測方法有：磁粉、滲透、射線和超聲波檢測。粉檢測廣泛用于電站鍋爐集箱、壓力管道、大型鑄、鍛件、葉片等鐵磁性材料檢測；滲透檢測用在非鐵磁性材料表面檢測，如發(fā)電機護環(huán)、風(fēng)葉，軸瓦巴氏合金層等；受熱面管及薄壁管道焊縫大多采用射線檢測；超聲波檢測可用于集箱和管道焊縫、軸瓦、軸頸、螺栓、葉片等部件的檢測。無損檢測在電站設(shè)備安裝監(jiān)檢和金屬監(jiān)督中發(fā)揮重大作用，為設(shè)備安全穩(wěn)定運行提供重要保障。

任何一種進(jìn)行檢測方法都有一定的局限性，在對某一工件進(jìn)行無損檢測的檢測時，要會根據(jù)實際的情況對檢測方法進(jìn)行合理的組配，是檢測盲區(qū)減小或消除以達(dá)到工件百分百檢測。例如對于管道或集箱對接焊縫進(jìn)行檢測，通常表面缺陷優(yōu)先選用磁粉探傷方法進(jìn)行檢測，對于內(nèi)部埋藏缺陷的檢測使用超聲波探傷。

2 材料變化對檢測方法的影響

參數(shù)的提高，傳統(tǒng)的9-12%Cr耐熱鋼的高溫性能已經(jīng)不能滿足要求，集箱、主汽、再熱管道、汽缸、閥殼、高溫螺栓等用材由有磁性的鐵素體鋼變?yōu)闊o磁性的新型奧氏體耐熱鋼和鎳基合金（見下表），表面檢測只能選擇滲透檢測。參數(shù)提高帶來另一個變化就是厚壁增加，X射線對厚壁工件檢測效率極其低下甚至不能照透，而源檢測雖然能夠檢測，但對于在役設(shè)備出于安全考慮又有諸多不便，難以在機組檢修中得到應(yīng)用，固超聲波檢測將成為檢測內(nèi)部缺陷的主要手段。

奧氏體不銹鋼在核電、化工、石油等領(lǐng)域早已大量應(yīng)用，但對其超聲檢測存在以下難點：晶粒粗大超聲波衰減嚴(yán)重，各項異性定位不準(zhǔn)，信噪比低。當(dāng)晶粒接近超聲波波長1/10時，就會有明顯的聲散射，當(dāng)材料晶粒為波長的1/2時，對聲波散射劇增，小缺陷信號就完全被噪聲淹沒，無法進(jìn)行小缺陷的檢測。[1]

如何提高奧氏體不銹鋼焊縫檢測信噪比，提高定位定量準(zhǔn)確性，一直是國內(nèi)、外無損檢測研究人員致力研究的課題，經(jīng)過大量的理論研究和試驗工作[2-5]，分別從探頭頻率、檢驗波類型、角度、晶片尺寸等方面尋找突破口，已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。通過設(shè)計人工缺陷采用不同波形、不同K值、不同頻率的探頭對試樣上進(jìn)行超聲檢測，對檢測結(jié)果進(jìn)行分析，縱波探頭檢測奧氏體不銹鋼焊縫的信噪比高于橫波探頭，窄脈沖2.5MHz探頭比1MHz探頭信噪比高。橫波探頭雖然信噪比不如縱波，但其反射信號比縱波清晰，分辨率比縱波更高。[6]鄭中興[7]設(shè)計的縱波斜射雙晶探頭因采用了一發(fā)一收的T-R方式，采用IMHz的低頻大晶片縱波斜射，使得衰減明顯減小。檢查晶粒度為-2級的粗晶護環(huán)鋼，能清晰地發(fā)現(xiàn)垂直深度70mm處的刻槽反射，信噪比大于10dB，靈敏度余量30dB。金松虎[8]等對板厚75mm的工件焊縫采用45°/60°兩個角度縱波探頭進(jìn)行超聲檢測，通過檢測結(jié)果與實測解剖結(jié)果對比，深度在61mm處的缺陷能夠被發(fā)現(xiàn)，由于噪聲影響，檢測靈敏度有所下降，對缺陷定位也有一定影響。

經(jīng)過長時間理論分析和試驗?zāi)M，國內(nèi)對奧氏體超聲檢測有了一定認(rèn)知，技術(shù)難點也有所突破，并初步形成了推薦性檢測標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3-2015 附錄 I，規(guī)定了工件厚度10-80mm奧氏體不銹鋼對接接頭的超聲檢測方法和質(zhì)量分級。盡管有了推薦性標(biāo)準(zhǔn)，但對于奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測仍有一定難度，特別是小缺陷檢出率及大厚壁材料缺陷定位，不乏一些特殊結(jié)構(gòu)的工件需要定制的探頭才能檢測，同時對檢測人員的技術(shù)水平要求比較高，還應(yīng)繼續(xù)開展研究得以廣泛開展工程應(yīng)用。

3 TOFD和相控陣新技術(shù)的應(yīng)用

隨著新技術(shù)的發(fā)展和仿真技術(shù)引入，超聲波衍射時差法（TOFD）、相控陣技術(shù)以及CIVA仿真在工業(yè)中的應(yīng)用越來越多，大量技術(shù)人員將這些新技術(shù)應(yīng)用到不銹鋼超聲檢測中并取得不錯的效果，在核電、石油、化工等領(lǐng)域相控陣超聲檢測技術(shù)已有工程實際的應(yīng)用。

陳振華[9]等進(jìn)行了奧氏體不銹鋼焊縫超聲TOFD檢測中聲波傳播特性分析，總結(jié)出缺陷衍射波幅度檢測因素的影響，提出奧氏體不銹鋼焊縫超聲TOFD檢測時，探頭應(yīng)放置于焊縫根部側(cè)進(jìn)行檢測；探頭不能放置在根部時，應(yīng)采用二次波法進(jìn)行檢測。

嚴(yán)宇[10]等采取理論分析、數(shù)值模擬以及超聲相控陣檢測、射線檢測等多種手段相結(jié)合的方式，制定了核工程奧氏體不銹鋼焊縫相控陣超聲檢測工藝，實現(xiàn)了相控陣超聲檢測方法在核電站主管道焊縫檢測中的應(yīng)用。

4 結(jié)論

（1）對高溫集箱、主汽、再熱管道、汽缸、閥殼、高溫螺栓等鎳基合金和新型奧氏體不銹鋼表面檢測采用滲透檢測。

（2）奧氏體不銹鋼超聲波檢測已有了推薦性的檢測標(biāo)準(zhǔn)，選用合適的頻率、角度和檢驗波類型可實現(xiàn)對其檢測，但同時對檢測人員素質(zhì)要求比較高，今后還應(yīng)繼續(xù)開展研究得以廣泛開展工程應(yīng)用。

（3）通過CIVA仿真技術(shù)與TOFD、相控陣檢測技術(shù)結(jié)合，在核電和石化領(lǐng)域檢測取得較好的工程應(yīng)用效果，是將來700℃超超臨界機組不銹鋼焊縫檢測主要檢測手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]張鷹，張延豐，雷毅.奧氏體不銹鋼焊縫的超聲波檢測方法研究[J].無損檢測，2006，28（3）：119-122.

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[5]劉金宏.厚壁奧氏體鋼焊縫超聲波探傷研究[C].中國無損檢測學(xué)會第五屆年會文集，中國無損檢測學(xué)會出版，1991：143-146.

[6]張鷹，雷毅，程真喜，等.奧氏體不銹鋼焊接接頭超聲波檢測研究[J].石油化工設(shè)備，2004，（33）2：15.

[7]鄭中興.大厚度奧氏體鋼焊縫超聲檢測用縱波斜射雙晶探頭研制[J].北方交通大學(xué)學(xué)報，1999，（23）3：115-119.

[8]金松虎，薛擁軍.大厚度奧氏體不銹鋼對接焊接接頭超聲波檢測[J].無損探傷，2012，36（3）11-14.

[9]陳振華，張翀，盧超，楊湘杰.奧氏體不銹鋼焊縫超聲TOFD 檢測中聲波傳播特性分析及其應(yīng)用[C].焊接學(xué)報，2016，37（8）91-96.

[10]嚴(yán)宇，張曉峰，楊會敏，周煒璐.核電主管道奧氏體不銹鋼焊縫的相控陣超聲檢測[J].無損檢測，2018，40（2），24-28.

作者簡介：劉彥如（1984-），男，北京人，本科，工程師，主要從事電站材料研究及無損檢測技術(shù)開發(fā)應(yīng)用。