承壓設(shè)備中、小徑管管座角焊縫的超聲檢測(cè)

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(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 火力發(fā)電技術(shù)研究所， 北京 100040)

近期，天津某電廠4號(hào)機(jī)主汽門(mén)入口溫度儀表管座發(fā)生脫落，內(nèi)蒙古某電廠主蒸汽管道蒸汽取樣管沿焊縫熔合線(xiàn)出現(xiàn)開(kāi)裂等事故。經(jīng)了解，其他各電廠也有承壓部件管座角焊縫開(kāi)裂失效事故發(fā)生[1-2]。因此，須采取有效措施進(jìn)行管座角焊縫質(zhì)量的有效監(jiān)控。但承壓部件上的管座形式多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雖然射線(xiàn)檢測(cè)具有檢測(cè)結(jié)果直觀的特點(diǎn)，但管座屬于大厚度比工件[3]，實(shí)際檢測(cè)中難以兼顧靈敏度與穿透性[4]；而對(duì)于在役小徑管座，由于位置等原因難以使用源在外膠片在內(nèi)的透照技術(shù)[5]對(duì)管座角焊縫實(shí)施有效檢測(cè)。由于管徑小、檢測(cè)位置的局限性、缺陷信號(hào)識(shí)別困難、缺陷定位難度大等原因[6]，管座角焊縫的超聲檢測(cè)也未能普及，長(zhǎng)期以來(lái)管座角焊縫多進(jìn)行表面檢測(cè)。而管座焊縫在焊接時(shí)，焊工可能作業(yè)不當(dāng)，致其內(nèi)部有焊接缺陷產(chǎn)生；另一方面設(shè)備在運(yùn)行中，焊縫內(nèi)部也可能產(chǎn)生危害性缺陷。因此有必要對(duì)火電機(jī)組承壓部件上各類(lèi)管座焊縫開(kāi)展深入的檢測(cè)研究，總結(jié)有效的檢測(cè)方法，避免其失效給電廠帶來(lái)?yè)p失。

管座角焊縫的超聲波檢測(cè)雖然存在種種困難，但仍不失為一種有效的檢測(cè)方法。筆者通過(guò)分析管座結(jié)構(gòu)形式，選擇合適的超聲檢測(cè)工藝并進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明所選工藝可滿(mǎn)足管座角焊縫內(nèi)部質(zhì)量的監(jiān)控需要。

1 承壓設(shè)備上的管座類(lèi)型及可檢測(cè)性分析

火電機(jī)組承壓部件上的溫度測(cè)點(diǎn)、壓力測(cè)點(diǎn)、疏放水管、排空氣管、取樣管以及其他用途管座的結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)歸納統(tǒng)計(jì)主要有直埋式(見(jiàn)圖1)、管座式(見(jiàn)圖2)和螺紋式(見(jiàn)圖3)[7]。直埋式與螺紋式多用于溫度測(cè)點(diǎn)、蒸汽取樣管座；管座式是用短節(jié)接管與承壓設(shè)備相連接的結(jié)構(gòu)型式，多用于排空、疏放水管座等。

圖1 直埋式管座結(jié)構(gòu)型式

圖2 管座式結(jié)構(gòu)型式

圖3 螺紋式結(jié)構(gòu)型式

針對(duì)這幾類(lèi)管座角焊縫分別進(jìn)行討論，確定超聲方法的可檢測(cè)性及檢測(cè)工藝。

為了提高檢測(cè)靈敏度和分辨力，常采用高頻(5 MHz)探頭對(duì)中小徑管座角焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)。鎳基、不銹鋼等焊縫由于晶粒粗大，信噪比低，缺陷信號(hào)識(shí)別困難[8]等原因，尚不適合進(jìn)行超聲波檢測(cè)，故文中討論的超聲檢測(cè)對(duì)象指非奧氏體接管座角焊縫。

對(duì)于螺紋式直埋式結(jié)構(gòu)，其用于密封的焊縫無(wú)適當(dāng)?shù)臋z測(cè)面，無(wú)法使用超聲波進(jìn)行檢測(cè)，僅能使用磁粉、渦流等進(jìn)行表面及近表面檢測(cè)或用滲透法進(jìn)行表面檢測(cè)。

對(duì)于螺紋式管座式結(jié)構(gòu)，接管內(nèi)壁螺紋面反射的超聲波雜亂，無(wú)法使用超聲二次波檢驗(yàn)，而一次波聲束僅能掃到焊縫根部，即使用相控陣超聲檢測(cè)，聲束也難以覆蓋整個(gè)焊縫檢測(cè)區(qū)。

2 管座超聲檢測(cè)工藝討論

超聲檢測(cè)工藝是超聲檢測(cè)技術(shù)要求和檢測(cè)過(guò)程的程序控制，是超聲檢測(cè)質(zhì)量好壞的技術(shù)性因素。對(duì)于能進(jìn)行超聲檢測(cè)的管座，分類(lèi)研究了其超聲檢測(cè)工藝。

2.1 管座式結(jié)構(gòu)的角焊縫檢測(cè)

2.1.1 檢測(cè)工藝

主汽、再熱熱段蒸汽管道上的疏水、排空及部分取樣管座，其結(jié)構(gòu)多為管座式，接管檢測(cè)面長(zhǎng)度及管壁厚關(guān)系符合表1的條件時(shí)，可參考DL/T 1105.2-2010《電站鍋爐集箱小口徑接管座角焊縫無(wú)損檢測(cè)技術(shù)導(dǎo)則 第2部分：超聲檢測(cè)》規(guī)程進(jìn)行普通A型脈沖反射法檢測(cè)。

表1 檢測(cè)面長(zhǎng)度及接管壁厚要求 mm

檢測(cè)時(shí)，探頭放置的檢測(cè)面為接管外壁，無(wú)須考慮管道曲面對(duì)缺陷定位的影響，依靠一次直射波和內(nèi)壁二次反射波進(jìn)行焊縫聲束覆蓋，該檢測(cè)類(lèi)似小徑管對(duì)接焊縫單面檢測(cè)，而小徑管超聲波檢測(cè)是一種成熟的檢測(cè)工藝。按該規(guī)程對(duì)一些管座式角焊縫進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)效果滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用要求。但由于管座結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，缺陷波容易和結(jié)構(gòu)波混淆，因此波形識(shí)別困難，對(duì)檢測(cè)人員的要求相對(duì)較高。劉健[9]研究了這種管座角焊縫的超聲波檢測(cè)方法，其工藝與DL/T 1105.2-2010規(guī)程所述類(lèi)似。

2.1.2 可能漏檢的缺陷

對(duì)于安放式管座型式，上述檢測(cè)可發(fā)現(xiàn)接管側(cè)坡口未熔合、根部未焊透，以及焊縫中的氣孔、夾渣、部分反射面較好的裂紋；但主管筒體不開(kāi)坡口或坡口角度很小而接管壁厚又較薄時(shí)，則可能漏檢主管道筒體坡口的未熔合缺陷。

插入式管座安裝時(shí)會(huì)在主管道上開(kāi)坡口，當(dāng)探頭K值選用合適時(shí)，主管道上的坡口未熔合缺陷可用一次波檢測(cè)到。因此從檢測(cè)角度而言，相對(duì)安放式管座，插入式管座的結(jié)構(gòu)好。

2.1.3 安放式管座主管道筒體坡口未熔合的危害性

未熔合是一種面積型缺陷，會(huì)減少部件的承載截面積，易產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，危害性?xún)H次于裂紋[10]。未熔合的開(kāi)裂擴(kuò)展型式與裂紋相同，裂紋的擴(kuò)展有三種基本類(lèi)型：張開(kāi)型(Ⅰ型)、滑移型(Ⅱ型)、撕開(kāi)型(Ⅲ型)[11]，如圖4所示。未熔合的擴(kuò)展以某種開(kāi)裂型式或多種開(kāi)裂組合型式進(jìn)行。其中撕開(kāi)型裂紋擴(kuò)展型式在管座中較少見(jiàn)，除非裝配不當(dāng)使得管座中存在三向應(yīng)力時(shí)。孫曉菊研究了殼體在兩向應(yīng)力作用下，Ⅰ+Ⅱ型復(fù)合型裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中，不同的擴(kuò)展成分在有效應(yīng)力強(qiáng)度因子中所占的比重。研究結(jié)果表明：Ⅱ型成分在有效應(yīng)力強(qiáng)度因子中所占比例趨近于0，幾乎不對(duì)裂紋擴(kuò)展做貢獻(xiàn)，Ⅰ型成分決定了裂紋的擴(kuò)展速率[12]。因此必須對(duì)安放式管座的主管面坡口處增加補(bǔ)充檢測(cè)。

圖4 裂紋擴(kuò)展的三種基本型式

2.1.4 補(bǔ)加檢測(cè)

針對(duì)主管道筒體焊接面未熔合缺陷，增加輔助檢測(cè)可提高可檢測(cè)區(qū)域。

(1) 當(dāng)接管壁厚為4～6 mm時(shí)，可在接管面上使用爬波探頭進(jìn)行輔助檢測(cè)[13]，爬波對(duì)于與聲束接近垂直的面積型缺陷很敏感[14]。

(2) 當(dāng)接管壁厚在6～9 mm范圍內(nèi)時(shí)，爬波檢測(cè)依然有效[15]，可用爬波探頭在支管上進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)壁厚超過(guò)9 mm后，橫波一次波基本上就能掃查到該位置的未熔合缺陷。

當(dāng)管座的接管厚度滿(mǎn)足表1要求，但檢測(cè)面長(zhǎng)度不滿(mǎn)足表1要求時(shí)，探頭聲束無(wú)法完全覆蓋管座角焊縫。而相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的聲束可達(dá)性強(qiáng)，其檢測(cè)面長(zhǎng)度需求遠(yuǎn)低于常規(guī)超聲檢測(cè)，故可使用相控陣超聲方法實(shí)施檢測(cè)[16-18]，具體檢測(cè)工藝可參照DL/T 1718-2017《火力發(fā)電廠焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行。

2.2 直埋式結(jié)構(gòu)的角焊縫檢測(cè)

圖5 直埋式管座角焊縫與T型角焊縫對(duì)比

由于中小徑管曲率半徑小、壁厚薄、檢測(cè)面短等原因，探頭移動(dòng)范圍小，對(duì)焊縫掃查區(qū)域有限，即使用相控陣超聲檢測(cè)，聲束也難以覆蓋全部檢測(cè)區(qū)。在這種情況下，可在主管道上實(shí)施檢測(cè)。直埋式管座角焊縫與T型對(duì)接焊縫結(jié)構(gòu)相似，其剖面對(duì)比如圖5所示。對(duì)圖5進(jìn)行分析，探頭放在直埋式管座的主管上檢測(cè)和探頭放置在T型角焊縫的腹板上檢測(cè)類(lèi)似，因此可參照T型角焊縫的檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，但其檢測(cè)面在管道面上，與T型焊縫檢測(cè)又有所不同。

2.2.1 檢測(cè)存在的問(wèn)題

探頭放置在管道上檢測(cè)直埋式接管角焊縫，存在的主要問(wèn)題有：

(1) 使用同一探頭在管道外壁檢測(cè)時(shí)，由于探頭所在位置圓周切線(xiàn)與管座軸向夾角不斷變化，聲束對(duì)焊縫的覆蓋性及反射回波的定位規(guī)則都在隨探頭位置的變化而變化，如圖6中的聲束線(xiàn)所示。

圖6 探頭在不同位置時(shí)的聲束路徑變化

這種反射回波的定位規(guī)則變化，使得反射回波難以定位。蔡偉[19]對(duì)主管檢測(cè)缺陷定位方法進(jìn)行了近似計(jì)算，將整個(gè)圓周分為八個(gè)區(qū)，每?jī)蓚€(gè)對(duì)稱(chēng)區(qū)用一套近似計(jì)算公式，精度低且復(fù)雜。因此,為了實(shí)現(xiàn)在主管上對(duì)角焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)，需要有一套簡(jiǎn)單快捷的定位計(jì)算方法。

圖7 探頭在主管道檢測(cè)時(shí)的線(xiàn)接觸及探頭翹動(dòng)影響示意

(2) 在管座周圈的主管位置進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，理論上探頭和主管均為線(xiàn)接觸。對(duì)于管道，線(xiàn)接觸位置均為管道母線(xiàn)位置，如圖7(a)所示；對(duì)于探頭，線(xiàn)接觸位置各不相同，如圖7(b)所示。由于線(xiàn)接觸，探頭前后端不固定，會(huì)以接觸線(xiàn)為軸產(chǎn)生小角度翹動(dòng)，引起聲束在工件內(nèi)的傾斜角度發(fā)生變化。

圖7(c)及圖7(d)為K1探頭在管道腹部檢測(cè)角焊縫時(shí)，前后翹動(dòng)對(duì)主管內(nèi)聲束角度的影響示意。因此，按原已知K值計(jì)算的定量數(shù)據(jù)將不準(zhǔn)確，不利于缺陷定位。

上述回波定位問(wèn)題，限制了超聲波檢測(cè)技術(shù)在主管道上對(duì)直埋式結(jié)構(gòu)管座的檢測(cè)應(yīng)用。

2.2.2 針對(duì)定位的解決方案

針對(duì)影響主管面上檢測(cè)直埋式管座角焊縫缺陷的定位問(wèn)題，提出了解決方案。

(1) 回波定位算法

對(duì)于圖6(a)所示，在半徑為R，壁厚為T(mén)的主管上使用入射角β=atan(K)的斜探頭進(jìn)行一次波及二次波檢測(cè)，探頭軸線(xiàn)與主管母線(xiàn)夾角為α。α夾角可根據(jù)探頭所在位置測(cè)定。假定回波由缺陷引起，聲束傳播至焊縫內(nèi)部，遇到距離上表面埋藏深度為h的缺陷后，聲束發(fā)生反射，反射回波沿原路徑返回，聲束傳播的俯視圖如圖8(a)所示。對(duì)聲束傳播路徑A可進(jìn)行分解，分解為與主管軸向垂直的路徑B及沿主管軸向傳播的路徑C，如圖8(b)所示。其中A可由儀器直接讀取。因此定位僅需確定C及B在主管外壁圓周的投影弧長(zhǎng)L及在主管壁厚方向上的投影深度h，如圖9所示。

路徑A的分解對(duì)應(yīng)著探頭K值的分解及探頭前沿的分解，路徑矢量分解及K值的分解示意如圖8(b)所示。

圖8 管座檢測(cè)超聲波聲束路徑分解與K值分解示意

圖9 周向聲束路徑B的各項(xiàng)參數(shù)定義示意

根據(jù)幾何關(guān)系，可從圖8(b)得到以下關(guān)系

(1)

式中：Ky，Kz，B，C的定義見(jiàn)圖8(b)。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，定位所用各計(jì)算參數(shù)意義如圖9所示。劉長(zhǎng)福等[20]給出了該種情況下的定位計(jì)算公式，見(jiàn)式(2)。

(2)

因此，對(duì)于探頭在主管上非肩部位置檢測(cè)直埋式角焊縫的定位，結(jié)合式(1)，(2)可確定缺陷位置。當(dāng)使用二次波進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，缺陷距離主管外壁h2=2T-h?？捎肊XCEL輸入公式進(jìn)行多變量的數(shù)據(jù)計(jì)算，用于查詢(xún)。對(duì)于主管上距離上表面某一深度的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合式(1)與式(2)，可計(jì)算得到探頭周向移動(dòng)軌跡。

在某φ194 mm×25 mm(直徑×壁厚)的管上開(kāi)10 mm深的直徑為1 mm的徑向孔，用K1探頭檢測(cè)時(shí)，根據(jù)式(1)，式(2)編程計(jì)算出的移動(dòng)軌跡俯視投影及側(cè)視投影，如圖10所示。由圖10可見(jiàn)，俯視投影近似為橢圓，側(cè)視投影近似為馬鞍形，與實(shí)際檢測(cè)軌跡相符。

圖10 K1探頭檢測(cè)徑向孔的計(jì)算軌跡

圖11 主管檢測(cè)時(shí)，反射體與探頭的相對(duì)位置

探頭晶片激發(fā)的超聲波，從圖7(b)所示的接觸線(xiàn)進(jìn)入管道，遇到缺陷產(chǎn)生反射回波，當(dāng)探頭不在管道的肩部及腹部位置時(shí)，缺陷并不位于探頭的正前方，因?yàn)椴慌c軸線(xiàn)垂直的直線(xiàn)在管壁上為螺旋線(xiàn)。不同檢測(cè)位置時(shí)，缺陷可以位于探頭的左側(cè)、右側(cè)、或正前方上。因此，在主管道上腹部肩部之間發(fā)現(xiàn)缺陷進(jìn)行定位時(shí)，不能按缺陷位于探頭正前方進(jìn)行直線(xiàn)測(cè)量(見(jiàn)圖11)，必須按分解的兩個(gè)方向分別測(cè)量，然后矢量合成確定缺陷位置(探頭前沿也需被分解)，經(jīng)過(guò)多次檢測(cè)驗(yàn)證，矢量分解合成定位較準(zhǔn)確。

(2) 探頭翹動(dòng)控制

如圖7(c)，7(d)所示，探頭翹動(dòng)會(huì)使得聲束在工件內(nèi)的傾斜角度發(fā)生變化，而引起定量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。但在主管上對(duì)角焊縫檢測(cè)時(shí)，探頭翹動(dòng)情況是難以避免的，目前減小這種影響的主要途徑是減小探頭接觸面積。

在探頭內(nèi)壓電晶片面積確定的情況下，只能通過(guò)探頭結(jié)構(gòu)改變探頭接觸面積。圖12是一種小面積的新型探頭結(jié)構(gòu)，可見(jiàn)同樣尺寸的壓電晶片，其接觸面積比傳統(tǒng)探頭的小很多。例如9 mm×9 mm(長(zhǎng)×寬)壓電晶片的常規(guī)探頭的底部接觸面積約為22 mm×14 mm，而新型探頭的接觸尺寸約為12 mm×14 mm，約為前者的55%，有效降低了探頭翹動(dòng)的幅度。

圖12 新型探頭與常規(guī)探頭尺寸比較

(3) 靈敏度的變化

對(duì)圖11中所示的圓孔，用2.5P9×9K1探頭進(jìn)行檢測(cè)，探頭從管肩部移動(dòng)到管腹部時(shí)，圓孔反射回波最高幅值差別約2 dB，對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響較小。

對(duì)直埋式管座角焊縫的檢測(cè)工藝參數(shù)的設(shè)定，可參照NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分:超聲檢測(cè)》附錄M中的L接頭的檢測(cè)要求執(zhí)行。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

對(duì)某電廠主汽管道，再熱熱段管道，主給水管道的溫度、壓力取樣管，排空管，疏水管管座等進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)管座分類(lèi)不同選用不同的檢測(cè)工藝，共檢驗(yàn)各類(lèi)管座23只，其中管座式18只，直埋式管座5只，發(fā)現(xiàn)3只管座有超標(biāo)缺陷。通過(guò)機(jī)械方式對(duì)管座進(jìn)行挖除，觀察到了缺陷的實(shí)際存在，驗(yàn)證了檢測(cè)的有效性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)承壓部件上的管座型式的歸納分類(lèi)，討論了不同型式的管座角焊縫的超聲檢測(cè)工藝：管座式角焊縫在接管座面上進(jìn)行檢測(cè)，參考DL/T 1105.2-2010要求進(jìn)行普通A型脈沖反射法檢測(cè)；當(dāng)接管長(zhǎng)度不滿(mǎn)足常規(guī)超聲檢測(cè)要求時(shí)，也可參照DL/T 1718-2017對(duì)角焊縫進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)。對(duì)于直埋式管座，以主管道面檢測(cè)為主，參照NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)附錄M中的L接頭的檢測(cè)要求進(jìn)行檢測(cè)，缺陷定位按式(1)，式(2)計(jì)算。檢測(cè)用探頭推薦選用新型結(jié)構(gòu)的橫波探頭，接觸面積小，弱化了檢測(cè)時(shí)探頭扭動(dòng)對(duì)缺陷定位的影響。而螺紋式管座不適合進(jìn)行超聲波檢測(cè)。