小徑管異種鋼對(duì)接焊縫層間未熔合缺陷的檢測方法

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(東方電氣集團(tuán) 東方鍋爐股份有限公司，自貢 643000)

在超臨界機(jī)組和超超臨界機(jī)組鍋爐的高溫再熱器、高溫過熱器、屏式過熱器等部件中存在大量小徑管異種鋼對(duì)接焊縫，按照TSG G0001—2012《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，對(duì)接焊縫需進(jìn)行射線檢測，檢測過程按照NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第2部分：射線檢測》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行射線橢圓成像或垂直成像檢測。

某電廠在安裝過程中通過斷口試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)批量異種鋼小徑管對(duì)接接頭存在層間未熔合類缺陷。受透照角度的影響，該類缺陷大致與射線透照方向垂直，不易被發(fā)現(xiàn)。所以需要開發(fā)一種小徑管層間未熔合缺陷檢測的專用方法。

1 小徑管異種鋼焊縫超聲檢測的特點(diǎn)

1.1 奧氏體焊縫組織對(duì)超聲檢測的影響

異種鋼焊縫為奧氏體組織，對(duì)超聲檢測的影響主要體現(xiàn)在焊縫晶粒粗大、各項(xiàng)異性、異質(zhì)界面和聲束衰減等方面，在超聲檢測過程中信噪比嚴(yán)重下降，產(chǎn)生聲束扭曲和虛假信號(hào)，最終無法完成超聲檢測。

1.2 鍋爐小徑管規(guī)格對(duì)超聲檢測的影響

鍋爐異種鋼小徑管對(duì)接焊縫具有直徑小、管壁厚、曲率大等特點(diǎn)，常見鍋爐異種鋼對(duì)接焊縫材料和規(guī)格如表1所示。

表1 常見鍋爐異種鋼對(duì)接焊縫材料和規(guī)格

焊接時(shí)采用熱絲TIG焊(非熔化極氣體保護(hù)電弧焊)，多道焊接成型，表面帶有余高，超聲檢測耦合效果差,采用U型坡口(見圖1)。為了避免錯(cuò)邊的產(chǎn)生，在鋼管對(duì)接之前，需要對(duì)管內(nèi)壁進(jìn)行機(jī)加(Do)，消除鋼管的橢圓度，這就增加了超聲檢測信號(hào)的識(shí)別難度。

圖1 異種鋼U型坡口結(jié)構(gòu)示意

2 常用超聲檢測方法對(duì)比分析

按照異種鋼小徑管層間未熔合缺陷的特點(diǎn)，分別采用了V形雙探頭法、超聲波測厚法、TOFD檢測和相控陣檢測等方法，從方法的可行性方面分別進(jìn)行了理論研究和試驗(yàn)[1]。

2.1 V形雙探頭法超聲檢測

將兩個(gè)探頭放置在同一個(gè)平面上，一個(gè)探頭發(fā)射的超聲波被缺陷反射，反射的回波剛好落在另一個(gè)探頭的入射點(diǎn)上，主要用來發(fā)現(xiàn)與檢測面平行的面狀缺陷。

2.2 超聲波測厚

利用超聲波在工件上下底面產(chǎn)生多次反射，反射波被探頭接收，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)經(jīng)放大器放大后輸入計(jì)算電路，由計(jì)算電路測出超聲波在工件上下底面往返一次傳播的時(shí)間，最后再換算成工件厚度顯示出來。

2.3 相控陣檢測

通過控制探頭陣列中各陣元激勵(lì)(或接收)脈沖的時(shí)間延遲，改變由各陣元發(fā)射(或接收)聲波到達(dá)(或來自)物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，就可實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化，從而進(jìn)行掃描成像。通過改變延時(shí)，實(shí)現(xiàn)超聲波聲束角度的偏轉(zhuǎn)。

2.4 TOFD檢測

將TOFD探頭對(duì)稱布置在焊縫兩側(cè)，在工件無缺陷部位發(fā)射超聲脈沖后，首先到達(dá)接收探頭的是直通波，然后是底面反射波。小徑管異種鋼對(duì)接焊縫經(jīng)過TOFD檢測的結(jié)果如圖2所示。

圖2 異種鋼對(duì)接焊縫的TOFD檢測圖譜

小徑管異種鋼焊縫通常由3層焊接而成，焊道間粗大的晶粒信號(hào)會(huì)從焊縫根部的焊接位置起始，延續(xù)到直通波位置，層間未熔合缺陷位置正好處于焊道層間，層間未熔合信號(hào)和焊道層號(hào)重合在一起，從而無法識(shí)別缺陷。異種鋼焊縫的解剖結(jié)果如圖3所示。

通過對(duì)比分析以上4種方法可知：

(1) V形雙探頭超聲檢測受奧氏體晶粒的影響，信噪比差，聲束衰減嚴(yán)重，始脈沖較寬。

(2) 超聲波測厚時(shí)，因探頭晶片大，接觸不良，檢測效果不可靠。

(3) 相控陣檢測無法形成反射回波。

(4) TOFD檢測受焊道粗大晶粒信號(hào)的影響和缺陷信號(hào)重合而無法識(shí)別信號(hào)。

因此，以上4種方法都無法實(shí)現(xiàn)層間未熔合缺陷的檢測。

3 柔性楔塊相控陣檢測

為了避免小徑管焊縫余高和曲率對(duì)超聲波耦合的影響以及奧氏體晶粒對(duì)超聲波衰減的影響，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種小徑管層間未熔合缺陷檢測專用檢測工藝和探頭支架，并采用柔性的曲面楔塊，材料聲速為1 480 mm·s-1。

將相控陣探頭支架分別加工成沿著管子軸向和周向的曲面形狀，軸向曲率半徑與被檢管徑曲率一致，周向曲率基本與焊縫余高吻合。這樣有效避免了管徑曲率和焊縫余高對(duì)超聲波耦合的影響，探頭支架結(jié)構(gòu)外觀如圖4所示。

圖4 柔性楔塊相控陣檢測探頭支架結(jié)構(gòu)外觀

3.1 檢測原理

檢測時(shí)將5 MHz相控陣探頭安裝在0°縱波柔性曲率楔塊的專用探頭支架上，同時(shí)激發(fā)-10°，0°和10°縱波聲束，當(dāng)缺陷信號(hào)和超聲波聲束近似垂直時(shí)形成反射回波，檢測時(shí)形成D掃、B掃和A掃圖像，可直觀顯示出缺陷的長度、深度和幅度(見圖5)。

圖5 異種鋼焊縫的相控陣D 掃和A 掃視圖

通過相控陣D掃圖像進(jìn)行坡口設(shè)置，可顯示出焊縫余高和根部，并可利用焊縫兩側(cè)母材對(duì)超聲波的反射成像實(shí)現(xiàn)耦合和靈敏度監(jiān)控。其可以從A掃描中讀取缺陷的波幅，從B掃描中獲得缺陷的長度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的檢測和評(píng)判。

3.2 檢測驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該方法的有效性和可靠性，對(duì)帶有缺陷的3個(gè)樣管分別進(jìn)行了射線檢測(相隔120°透照3次)和相控陣檢測，檢測結(jié)束后進(jìn)行了金相解剖驗(yàn)證。射線檢測和相控陣檢測結(jié)果分別如圖6，7所示。

圖6 樣管的射線檢測結(jié)果

圖7 樣管的相控陣檢測結(jié)果

(1) 按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.2—2015對(duì)缺陷樣管進(jìn)行橢圓成像檢測，未發(fā)現(xiàn)任何缺陷。

(2) 采用專用相控陣檢測，發(fā)現(xiàn)1#樣管缺陷長度為20 mm，2#，3#樣管缺陷為整圈。

(3) 經(jīng)過射線檢測和相控陣檢測后，對(duì)有缺陷的樣管部位取樣并進(jìn)行金相分析(見圖8)。 從金相圖可以看出，該類缺陷產(chǎn)生在兩個(gè)焊道之間，其自身高度為0.74 μm～4.38 μm，寬度占焊道寬度的1/2以上。金相檢驗(yàn)結(jié)果與相控陣檢測結(jié)果一致，驗(yàn)證了該檢測方法的有效性。

圖8 有缺陷樣管的金相檢驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

采用專用的相控陣掃查裝置配合帶有曲率的柔性楔塊在焊縫上進(jìn)行檢測，可克服奧氏體晶粒對(duì)超聲波傳播聲束的影響，減少管徑曲率和余高對(duì)耦合的影響。通過在車間產(chǎn)品上的檢測應(yīng)用，該裝置取得了良好的檢測效果，可推廣應(yīng)用于超臨界機(jī)組和超超臨界機(jī)組鍋爐高溫部件的異種鋼和其他材料焊縫層間未熔合缺陷的檢測；彌補(bǔ)了射線檢測的局限性，并可用于氣孔、夾渣等焊接缺陷的檢測。