管板與筒體接頭相控陣超聲檢測技術(shù)應(yīng)用

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(福建省特種設(shè)備檢驗研究院，福州 350008)

高壓加熱器是發(fā)電機(jī)組的重要給水系統(tǒng)，對保障電站鍋爐出力和降低能耗起到重要作用。其在制造時，管板與筒體連接處的焊接是最終組裝工序，該處的焊接接頭常見缺陷為根部未焊透和裂紋，對其通常采用超聲檢測方法。由于受限于接頭形狀結(jié)構(gòu)影響，超聲反射法或衍射時差法始終不能覆蓋焊接接頭截面(見圖1)，同時底部結(jié)構(gòu)干擾了根部缺陷識別，現(xiàn)采用超聲衍射時差法(TOFD)與相控陣超聲(PA)組合的檢測方法，可發(fā)揮各自檢測技術(shù)優(yōu)勢。管板與筒體焊接接頭主要缺陷如圖2所示。

圖1 焊接接頭超聲檢測示意

圖2 管板與筒體焊接接頭主要缺陷

1 超聲檢測技術(shù)

1.1 相控陣超聲檢測技術(shù)

相控陣超聲檢測技術(shù)(PA)是利用多壓電陣元和延遲控制來激勵和接收超聲波信號的一種技術(shù)，其發(fā)射端的延遲法則能控制聲場的偏轉(zhuǎn)和聚焦，接收端采用聚焦法則補(bǔ)償相位差，從而得到最理想的回波。相控陣超聲法檢測焊縫時通常采用橫波方式進(jìn)行單線扇形掃查，可通過設(shè)置35°～75°扇掃角度和布置探頭位置實現(xiàn)焊縫覆蓋；使用C掃描發(fā)現(xiàn)缺陷并區(qū)分結(jié)構(gòu)回波；使用S掃描可進(jìn)行缺陷定位；使用D掃描能對缺陷進(jìn)行長度和深度測量，各種顯示方式如圖3所示。

圖3 相控陣檢測顯示方式

1.2 超聲衍射時差法(TOFD)技術(shù)

TOFD技術(shù)是基于衍射時差法，采用一發(fā)一收的探頭工作模式，主要利用缺陷端點的衍射波信號檢測和測定缺陷位置及尺寸的一種超聲檢測方法。其主要技術(shù)特點有：檢測數(shù)據(jù)便于記錄并可形成B掃描圖像；缺陷檢出率和定量不受缺陷方向影響；便于圖譜分析和大范圍覆蓋焊縫，但上下表面存在盲區(qū)，偏離中心的底面缺陷易被漏檢，因此常與超聲反射法組合應(yīng)用。

1.3 PA和TOFD組合檢測

將PA和TOFD兩種方法結(jié)合起來，采用角度覆蓋，PA選用純橫波檢測，在鋼中形成扇形的擴(kuò)散角一般選為40°～70°，角度小的能量高。TOFD探頭既有橫波又有縱波擴(kuò)散，縱波擴(kuò)散角比橫波的更大，更能覆蓋焊縫，上擴(kuò)散角邊界可達(dá)90°，能量集中在中心角度附近，交點選擇在被檢工件厚度范圍的2/3深度處。兩者組合起來具有技術(shù)互補(bǔ)性：PA法定位準(zhǔn)確；TOFD法可精確測量缺陷高度；TOFD法檢測上下表面時存在的盲區(qū)問題可用PA法解決，入射波覆蓋焊縫底部，反射法覆蓋焊縫上表面。

2 相控陣超聲檢測能力驗證

對5塊厚度分別為15,21,30,43,62 mm的試樣進(jìn)行PA超聲檢測，并與TOFD法的檢測結(jié)果進(jìn)行比對，研究不同工件厚度、焊縫寬度、底部狀況、缺陷位置和性質(zhì)等對PA檢出能力的影響。

(1) TOFD檢測結(jié)果

試樣的TOFD檢測結(jié)果如圖4所示。

圖4 TOFD檢測結(jié)果(顯示5處缺陷)

圖5 組1的PA檢測示意與檢測結(jié)果

圖6 組2的PA檢測示意與檢測結(jié)果

(2) PA檢測結(jié)果

試樣的PA檢測示意及檢測結(jié)果如圖5，6所示。組1的缺陷檢測情況為：C掃描顯示5處(見圖中編號)，雙側(cè)檢測時左側(cè)3處，右側(cè)5處，兩側(cè)均有3處。組2的缺陷檢測情況為：C掃描顯示3處(見圖中編號)，雙側(cè)檢測時左側(cè)2處，右側(cè)3處，兩側(cè)均有2處。

綜合上述比對結(jié)果，TOFD檢測顯示的缺陷,PA均能檢測出來，缺陷的檢出率可達(dá)96%以上，被漏檢的缺陷主要為氣孔，其他性質(zhì)缺陷均能檢測出來，但裂紋的顯示大?？梢?，PA檢測具有較大的優(yōu)勢，例如，檢測數(shù)據(jù)記錄全面完整，掃描顯示方式多樣，對缺陷的定位和測量準(zhǔn)確，可以形成缺陷參考顯示圖譜指導(dǎo)缺陷定性。但PA檢測也有不足之處，例如，對檢測工藝要求高，一次波檢測不能覆蓋焊縫，二次波檢測可能受底面結(jié)構(gòu)形狀影響不能完全覆蓋焊縫；受缺陷的位置區(qū)域和取向影響較大，條件允許應(yīng)單面雙側(cè)或雙面雙側(cè)檢測，若受結(jié)構(gòu)影響采用單面單側(cè)檢測時有可能造成缺陷漏檢，盡量使用雙側(cè)兩組以上的掃查次數(shù)，增加大角度的檢測范圍和區(qū)域。

3 檢測應(yīng)用分析

3.1 結(jié)構(gòu)顯示區(qū)分

高壓加熱器管板與筒體焊接接頭的結(jié)構(gòu)目前有兩種形式，一種為自帶墊板的接頭，另外一種為對接接頭。采用PA檢測時無法實現(xiàn)焊縫截面的完全覆蓋，管板側(cè)放置探頭檢測時沒有可用底部，筒體側(cè)放置探頭檢測，自帶墊板加工成臺階后焊縫母材厚度發(fā)生變化，整圈厚度偏差大，同時焊接部位截面寬度尺寸變化大，缺陷信號經(jīng)底部反射后難以準(zhǔn)確定位；采用對接形式的接頭主要受焊縫錯邊的影響，焊縫厚度和底部焊寬尺寸相對穩(wěn)定，能實現(xiàn)單面單側(cè)的二次波檢測，經(jīng)驗證有漏檢的可能性。因?qū)嶋H接頭的主要缺陷是根部未焊透和裂紋，因此無論哪種接頭首先應(yīng)考慮使用一次波PA檢測以確保接頭底部的檢測。為了實現(xiàn)焊縫截面的完全覆蓋，應(yīng)增加TOFD檢測，同時補(bǔ)充進(jìn)行外表面磁粉檢測。

對于自帶墊板的接頭，TOFD法的檢測顯示如圖7所示，正常評定范圍內(nèi)有直通波、筒體側(cè)底波和管板側(cè)墊板底波顯示。

圖7 自帶墊板焊接接頭的TOFD顯示(底部多重波變化)

圖8 自帶墊板焊接接頭管板側(cè)PA檢測示意與底部顯示分析

在封頭側(cè)的PA檢測，只能采用一次波檢測，其會產(chǎn)生槽端角、間隙和墊板端頭回波信號，其中間隙信號會干擾根部未焊透的識別。但是在封頭側(cè)進(jìn)行PA檢測是有必要的，其能夠看清底部結(jié)構(gòu)的變化，尤其間隙位置的變化，形成數(shù)據(jù)對筒體側(cè)的PA檢測有幫助。其檢測示意與底部顯示分析如圖8所示。如圖8(b)所示，采用不同角度直線分析底部結(jié)構(gòu)顯示位置，結(jié)合C掃描區(qū)分缺陷和結(jié)構(gòu)，可見有3處結(jié)構(gòu)波。

在筒體側(cè)進(jìn)行PA檢測是主要的且不可缺少的，尤其在管板側(cè)無法進(jìn)行，只能從筒體側(cè)進(jìn)行單面單側(cè)檢測時，在本側(cè)正常情況底部一次波檢測只有階梯端信號顯示，若出現(xiàn)其他位置底部顯示均可視為缺陷，較好地排除了間隙干擾。其檢測示意及底部顯示分析如圖9所示，通過S掃描直線分析底部結(jié)構(gòu)顯示位置，結(jié)合C掃描區(qū)分缺陷和結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)只有階梯結(jié)構(gòu)波。

圖9 自帶墊板焊接接頭管板側(cè)PA檢測示意及底部顯示分析

對于采用對接形式的連接，焊縫結(jié)構(gòu)顯示基本為正常狀況,TOFD檢測評定范圍內(nèi)有直通波和底波顯示，底波單一無變化，如圖10所示。其PA檢測示意與檢測結(jié)果如圖11所示，管板側(cè)正常顯示有槽端角信號，同時多數(shù)情況下伴隨錯邊信號，而在主要的筒體側(cè)檢測時一般沒有結(jié)構(gòu)信號顯示，錯邊信號會干擾未焊透缺陷的識別，只有單側(cè)顯示可能為錯邊，雙側(cè)顯示的可定為未焊透，同時可以結(jié)合TOFD檢測的底波顯示變化進(jìn)行判斷。

圖10 對接接頭的TOFD顯示(底部)

圖11 對接焊接接頭PA檢測示意與檢測結(jié)果

當(dāng)高壓加熱器管板與筒體焊接接頭結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，只能在筒體側(cè)單面單側(cè)檢測且TOFD法無法實施時，應(yīng)對檢測面焊縫余高進(jìn)行磨平處理，并且增加掃查次數(shù)。

3.2 未焊透顯示

主要根據(jù)實際檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷形成典型圖譜，指導(dǎo)根部未焊透缺陷的判斷。

自帶墊板形式的筒體側(cè)檢測發(fā)現(xiàn)的未焊透，PA法和TOFD法均能顯示，如圖12所示缺陷，其高度較大或間隙位置靠近焊縫中心線。

圖12 自帶墊板形式的筒體側(cè)未焊透的TOFD和PA檢測顯示分析

圖13 自帶墊板形式的筒體側(cè)未焊透的PA顯示分析

自帶墊板形式的筒體側(cè)檢測發(fā)現(xiàn)的未焊透，PA法檢測能顯示而TOFD法檢測未能顯示，如圖13所示缺陷，其高度較小或間隙位置靠近階梯端(偏離焊縫中心線)。

對接形式焊接接頭顯示的根部未焊透，應(yīng)經(jīng)PA檢測進(jìn)行單面雙側(cè)顯示，必要時需結(jié)合TOFD檢測的底部顯示狀況來進(jìn)行判定，如圖14所示，注意管板側(cè)常產(chǎn)生錯邊信號，而未焊透信號會隱含其中，而錯邊只是單側(cè)結(jié)構(gòu)問題。

3.3 裂紋顯示

主要根據(jù)實際檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷形成典型圖譜，指導(dǎo)裂紋缺陷的判斷。

3.3.1 熱影響區(qū)裂紋顯示

自帶墊板的接頭形式，在筒體側(cè)檢測時發(fā)現(xiàn)的裂紋，如圖15所示。圖15(b)中的左上圖S掃描結(jié)構(gòu)波與未焊透和裂紋位置相距較近，有高度；右上圖B掃描缺陷深度、長度狀態(tài)和形狀與TOFD顯示狀況接近；下面的C掃描圖中可區(qū)分結(jié)構(gòu)波和缺陷，未焊透與裂紋顯示位置重合。通過各種掃描圖譜的定位分析可知，裂紋是因原來存在的未焊透發(fā)展形成的，同時周邊伴隨存在夾渣缺陷，間隙位置靠近底部階梯。

圖15 TOFD與PA組合檢測得到的熱影響區(qū)裂紋顯示

3.3.2 橫向裂紋檢測顯示

由于管板與筒體焊接接頭為異種鋼的焊接，運行時管程與殼程工作溫度相差較大，在交變載荷作用下易產(chǎn)生裂紋，故有必要進(jìn)行橫向裂紋檢測。其檢測示意及裂紋顯示如圖16所示，進(jìn)行橫向裂紋檢測時應(yīng)將焊縫余高磨平， PA采用平行法按兩個方向沿焊縫進(jìn)行掃查，同時TOFD采用平行法沿焊縫進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)橫向裂紋顯示均為點狀密集顯示。

圖16 橫向裂紋的組合檢測顯示

4 結(jié)論

(1) 高壓加熱器管板與筒體焊接接頭經(jīng)超聲檢測后發(fā)現(xiàn)存在裂紋，其主要是在焊接過程和設(shè)備服役中產(chǎn)生的，定期檢驗時應(yīng)重點檢測該部位，必要時應(yīng)進(jìn)行橫向裂紋的檢測。

(2) 高壓加熱器管板與筒體焊接接頭的最佳超聲檢測方法是采用相控陣超聲與衍射時差法的組合檢測，這樣可發(fā)揮各自技術(shù)優(yōu)勢，能全面記錄檢測數(shù)據(jù)，得到完整的結(jié)構(gòu)顯示，采用文章建立的圖譜結(jié)構(gòu)對比分析方法能有效識別根部未焊透和裂紋。

(3) 相控陣超聲單面單側(cè)檢測管板與筒體焊接接頭會造成漏檢，應(yīng)采取磨平檢測面焊縫余高、增加大角度檢測范圍,使用和增加掃查次數(shù)等有效措施，獲得最佳檢測工藝。

(4) 通過相控陣超聲檢測方法的研究應(yīng)用，獲得了未焊透和裂紋的圖譜分析識別方法，并建立了典型缺陷圖譜，對今后類似焊縫的超聲檢測有指導(dǎo)意義。