P92蒸汽管道對接焊縫缺陷的超聲檢測及形成原因

田力男1，齊高君，李 戈1，朱海寶1，陳培生3，趙 強(qiáng)

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030；2.山東豐匯工程檢測有限公司，濟(jì)南 250200；3.華電江蘇望亭發(fā)電分公司，蘇州 215155)

P92耐熱鋼是在P91鋼的基礎(chǔ)上通過添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%左右的W(降低Mo含量以調(diào)整鐵素體與奧氏體內(nèi)元素的平衡)而制成的，并輔以微量元素B的添加(增強(qiáng)鋼的硬度和晶界強(qiáng)度)，其服役溫度比P91鋼的約高30℃。從2006年起，P92鋼被廣泛用于國內(nèi)超超臨界火電機(jī)組的主蒸汽管道、再熱蒸汽管道以及高溫聯(lián)箱。

P92鋼的合金成分含量高，在焊接過程中既有冷裂紋傾向，又有熱裂紋傾向，同時該鋼在550～650 ℃溫度范圍內(nèi)時，會發(fā)生Laves相和Z相的析出和長大，焊接接頭的沖擊韌性會明顯下降，因此必須嚴(yán)格控制焊接線能量和層間溫度[1]。在早期基建焊接過程中，各施工單位因不了解P92鋼的焊接性能，經(jīng)常出現(xiàn)各類焊接質(zhì)量問題。

某超超臨界發(fā)電廠4號機(jī)組鍋爐型號為SG-2024/26.15-M621，汽輪機(jī)型號為N660-25/600/600。投產(chǎn)日期為2009年9月，每年使用約7 500 h。過熱器出口壓力為26 MPa，過熱器出口溫度為605 ℃，再熱器出口溫度為603 ℃。在投運(yùn)6萬余小時后的一次管道普查中，通過常規(guī)超聲波檢測，在主蒸汽管道和再熱蒸汽管道的兩道焊縫內(nèi)分別發(fā)現(xiàn)有多處超標(biāo)反射信號。

1 檢測情況

1.1 管道規(guī)格與焊縫位置

主蒸汽管道規(guī)格(內(nèi)徑×壁厚)為292 mm×72 mm，材料為P92，其上的被檢焊縫位于鍋爐52 m標(biāo)高處，為主汽三通安裝焊縫，標(biāo)記為ZQ01，其位置示意如圖1所示；再熱蒸汽管道規(guī)格(內(nèi)徑×壁厚)為883 mm×51 mm，材料為P92，其上的被檢焊縫位于汽機(jī)20 m標(biāo)高處，為彎頭下部安裝焊縫，標(biāo)記為RD01，其位置示意如圖2所示；焊接方法均為GTAW+SMAW(氬弧焊+手工電弧焊)。

1.2 常規(guī)超聲波檢測

超聲波檢測儀為國產(chǎn)CTS-1010型數(shù)字式超聲波探傷儀，探頭型號為2.5P13×13K1/K2，試塊型號為CSK-ⅠA(P91鋼)和RB-Ⅲ(P91鋼)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為DL/T 820—2002《管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》，檢驗(yàn)靈敏度為φ3 mm×40 mm-16 dB，表面補(bǔ)償3 dB，耦合劑為工業(yè)漿糊，掃查方式因位置所限為單面單側(cè)。主蒸汽管道焊縫掃查方式示意如圖3所示，再熱蒸汽管道焊縫掃查方式示意如圖4所示。

圖1 主蒸汽管道焊縫

ZQ01位置示意

圖2 再熱蒸汽管道焊縫

RD01位置示意

圖3 主蒸汽管道焊縫

掃查方式示意

圖4 再熱蒸汽管道焊縫

掃查方式示意

檢測發(fā)現(xiàn)，ZQ01焊縫有4處波高位于Ⅲ區(qū)的超標(biāo)缺陷，最高波幅超出判廢線15 dB，最大連續(xù)指示長度為140 mm(見表1,表中SL為判廢線)；RD01焊縫有8處波高位于Ⅲ區(qū)的超標(biāo)缺陷，缺陷最高波幅超出判廢線12 dB，最大連續(xù)指示長度為90 mm(見表2)。主蒸汽管道缺陷在焊縫中的位置見圖5，再熱蒸汽管道缺陷在焊縫中的位置見圖6。

圖5 主蒸汽管道焊縫缺陷位置示意圖6 再熱蒸汽管道焊縫缺陷位置示意

上述缺陷的靜態(tài)波形特征有兩種：一種是波形陡直尖銳，波峰無分叉，缺陷波根部干凈，類似光滑平面造成的反射回波(見圖7)，初步判定為坡口未熔合缺陷；另一種是波峰有分叉呈鋸齒狀，根部較寬，較雜亂，類似粗糙平面造成的反射回波(見圖8)，初步判定為夾渣缺陷。缺陷的動態(tài)波形也對應(yīng)分為兩類：一類是當(dāng)探頭前后移動時總可找到陡直尖銳的回波，而當(dāng)探頭左右掃查時，回波波幅由零上升到峰值，然后又平滑下降到零，與波形模式Ⅱ相符；另一類是當(dāng)探頭前后移動時總是呈現(xiàn)層次不齊的鋸齒回波，而當(dāng)探頭左右掃查時，回波幅度呈現(xiàn)不規(guī)則的起伏態(tài)，與波形模式Ⅲa相符。

表1 主蒸汽管道焊縫ZQ01的超聲波檢測數(shù)據(jù)

表2 再熱蒸汽管道焊縫RD01的超聲波檢測數(shù)據(jù)

圖7 缺陷呈現(xiàn)的光滑平面反射體靜態(tài)波形圖8 缺陷呈現(xiàn)的粗糙平面反射體靜態(tài)波形

1.3 超聲相控陣檢測

為了進(jìn)一步確認(rèn)缺陷是否存在，采用超聲相控陣檢測技術(shù)對上述焊縫進(jìn)行了復(fù)核，超聲波相控陣檢測儀為以色列產(chǎn)的ISONIC 2010，探頭型號為PA-5M32E0.5P，晶片數(shù)量為32，單元寬度為0.5 mm，頻率為5 MHz，采用與探頭匹配的斜楔塊。檢測出的有代表性的焊縫缺陷如圖9所示，從圖9左上角的端視圖可以看出，缺陷具有坡口未熔合特征；從圖9右下角的扇掃圖中可以看出，坡口未熔合缺陷附近還存在多處點(diǎn)狀和條形缺陷信號。運(yùn)用相控陣3D成像功能對缺陷各項(xiàng)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，形成缺陷模型如圖10所示。

圖9 特征缺陷相控陣檢測界面

圖10 缺陷3D成像視圖

2 缺陷性質(zhì)評估及實(shí)際驗(yàn)證

通過分析缺陷在焊縫中的位置和動靜態(tài)波形特征，以及相控陣給出的缺陷模型，最終判斷為條形夾渣和未熔合共同存在的復(fù)合缺陷。

根據(jù)檢測方給出的缺陷檢測結(jié)果，電廠確定對兩道焊縫用環(huán)切機(jī)進(jìn)行逐層車削，確認(rèn)并徹底清除缺陷。

主蒸汽管道焊縫及再熱蒸汽管道焊縫內(nèi)的典型缺陷如圖11，12所示。缺陷的深度、長度、位置與超聲檢測結(jié)果較為吻合。上述典型缺陷均為條形夾渣，夾渣的一邊為較為粗糙的表面，另一邊基本與坡口熔合線平行，且?guī)缀鯙橹本€形狀，反映出此處沒有熔合。

圖11 主蒸汽管道焊縫ZQ01內(nèi)的典型缺陷外觀

圖12 再熱蒸汽管道焊縫RD01內(nèi)的典型缺陷外觀

對照實(shí)際缺陷，驗(yàn)證了之前對缺陷性質(zhì)的評估較為準(zhǔn)確：當(dāng)超聲反射回波主要來自未熔合的直邊時，信號就會呈現(xiàn)光滑平面發(fā)射體靜態(tài)波形和動態(tài)波形。當(dāng)超聲反射回波主要來自夾渣的粗糙邊時，信號就會呈現(xiàn)粗糙平面發(fā)射體的靜態(tài)波形和動態(tài)波形。

3 缺陷成因分析

電廠基建時期，新型質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%Cr的馬氏體耐熱鋼被應(yīng)用到國內(nèi)超超臨界機(jī)組上，焊工按照大電流、厚焊層、寬擺幅等傳統(tǒng)電力行業(yè)施焊手法給材料普遍造成了焊縫沖擊韌性不足，延遲冷裂紋等質(zhì)量問題[2]。經(jīng)多方確認(rèn)，確定了必須減少P91/P92焊縫層間溫度的焊接工藝。但由于P92鋼合金含量高, 熔池黏度大、流動性差, 如果僅是簡單通過選擇較小的焊接電流來降低層間溫度, 則熔渣黏度大，熔池?cái)噭硬蛔悖菀壮霈F(xiàn)夾渣、層間(坡口)未熔合等缺陷。正確的做法是，盡可能采用焊接工藝評定的上限電流，以保證熔池的流動和攪動, 通過薄焊層、小擺幅、提高焊接速度和采用小直徑焊條等手段減少層間溫度。同時，每層焊縫應(yīng)全部清渣后才能進(jìn)行下一層的焊接。

根據(jù)上述分析可以推斷，缺陷的形成原因是焊工在施焊這兩道焊縫時，采用的焊接電流過小，而且在小角度坡口處停留時間不足，同時每一層焊縫未能做到徹底清渣，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，錯誤以為未清除焊渣會在下一道燒熔后浮出表面，因此就產(chǎn)生了數(shù)量較多的坡口未熔合伴生夾渣缺陷。

4 對夾渣缺陷危害性的討論

按照傳統(tǒng)的說法，焊縫夾渣除了減少界面承載面積以外，在條形夾渣的前端或尖角處會因應(yīng)力集中而發(fā)展成為裂紋源，因此條形夾渣的危害性被認(rèn)為較大[3]。但檢查出缺陷后，通過宏觀目測或滲透檢測，卻幾乎難以發(fā)現(xiàn)在條形夾渣的前端或尖角處有裂紋萌生(見圖13及圖14)。

圖13 帶尖角形狀的夾渣缺陷外觀

圖14 滲透檢測后的條形夾渣缺陷外觀

焊縫中的夾渣通常指氧化物、硅酸鹽、硫化物及氮化物[4]。其中，硫化物和硅酸鹽屬于塑性夾渣，塑性夾渣具有高延展性，可隨鋼材一起變形。變形后的塑性夾渣物沿變形方向呈帶狀分布，且與鋼的界面上沒有相對位移，因此在夾渣物周圍產(chǎn)生裂紋的可能性會大大降低。P92鋼焊縫除根部為氬弧打底焊外，其余均采用超低氫鈉型堿性P92鋼焊條填充，焊條藥皮含有CaO-CaF2等堿性氧化物，熔渣為高堿度堿性渣。筆者認(rèn)為可能形成的焊渣為塑性夾渣，因而在超超臨界的壓力和溫度下，運(yùn)行近10 a仍未發(fā)生尖端裂紋。

酸性焊條含有Al2O3、MnO等，形成的夾渣為多為脆性夾渣，難以隨加工變形，形成了很大的內(nèi)應(yīng)力，加之與鋼基體的熱膨脹系數(shù)不同，故與堿性焊條相比，夾渣前端或尖角處產(chǎn)生裂紋的可能性要大得多。

5 結(jié)論和建議

(1) 發(fā)現(xiàn)的焊接缺陷主要是坡口未熔合與條形夾渣共同存在的復(fù)合缺陷。當(dāng)超聲反射回波主要來自未熔合的直邊時，信號就會呈現(xiàn)光滑平面發(fā)射體靜態(tài)波形和動態(tài)波形。當(dāng)超聲反射回波主要來自夾渣的粗糙邊時，信號就會呈現(xiàn)粗糙平面發(fā)射體的靜態(tài)波形和動態(tài)波形。

(2) 缺陷的產(chǎn)生是由于焊工片面通過采用小規(guī)范電流來降低層間溫度，且每層焊縫未能徹底清渣等。

(3) 重新補(bǔ)焊時，在保證焊接熱輸入量小于工藝評定上限的前提下, 應(yīng)采用焊接工藝評定電流的上限進(jìn)行焊接，通過提高焊接速度，采用小直徑焊條和減小焊層厚度的方法保證層間溫度。焊接過程中應(yīng)保持熔池清晰，焊條要適當(dāng)擺動，以便熔渣浮出，同時每層每道焊縫應(yīng)打磨干凈，特別要注意坡口小角度溝槽處的清理 。

(4) 在超超臨界溫度和壓力的作用下，焊縫內(nèi)部的條形夾渣缺陷運(yùn)行近10 a仍未發(fā)生尖端裂紋，從實(shí)例驗(yàn)證的角度說明，堿性焊條形成的塑性夾渣與酸性焊條形成的脆性夾渣相比，并不易萌生裂紋。