電站鍋爐無縫冷拔鋼管內(nèi)壁線性缺陷檢測方法分析

張艷飛，王英軍，劉 孝，趙曉春，韓 擴(kuò)

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

火電廠鍋爐受熱面無縫鋼管易在熱軋和冷拔過程中產(chǎn)生沿鋼管內(nèi)壁縱向分布的線性缺陷[1]。該缺陷對鍋爐壽命存在一定影響，有引發(fā)受熱面管泄漏失效的潛在風(fēng)險(xiǎn)。其危害性目前尚無一種有效可行的短時(shí)試驗(yàn)或理論仿真手段進(jìn)行準(zhǔn)確評估。因此，有必要在鍋爐安裝和在役階段對無縫鋼管內(nèi)壁縱向線性缺陷進(jìn)行檢測。本文介紹了兩種無縫鋼管內(nèi)壁縱向缺陷檢測方法——“金相+壓扁”聯(lián)合檢測方法和超聲導(dǎo)波檢測方法，并對2種檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比，為鍋爐安裝和在線階段及時(shí)、準(zhǔn)確檢測受熱面冷拔鋼管內(nèi)壁縱向線性缺陷提供思路和方法指導(dǎo)。

1 線性缺陷分析

某火電廠660 MW超臨界機(jī)組在安裝階段進(jìn)行水壓試驗(yàn)，壓力升至15.8 MPa時(shí)，1號鍋爐末級過熱器開裂泄漏。鍋爐型號為SG-2141/25.5-M972，過熱蒸汽出口溫度為571℃。開裂泄漏的末級過熱器管材質(zhì)SA213-T91，規(guī)格為38 mm×7 mm（外徑×壁厚）。

為查明原因，從1號和2號鍋爐的末級過熱器管屏中、隨機(jī)截取27根取樣管進(jìn)行理化檢測分析。宏觀形貌觀察發(fā)現(xiàn)，泄漏試樣鋼管外壁存在開口細(xì)小的縱向平直裂紋1處，沿管子壁厚方向裂穿，其余26根取樣管目視檢測未見缺陷?；瘜W(xué)成分分析表明，各元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求；力學(xué)性能測試表明，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和維氏硬度均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；顯微組織檢測分析結(jié)果顯示，2臺鍋爐末級過熱器T91鋼管內(nèi)壁普遍存在縱向分布線性缺陷，缺陷形狀類似裂紋，但不同于裂紋缺陷和直道劃痕缺陷，缺陷深度為0.010～0.256 mm，一部分缺陷細(xì)小尖銳，一部分缺陷寬大圓鈍，其中10號和11號取樣管內(nèi)壁線性缺陷顯微形貌如圖1所示；掃描電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)裂紋內(nèi)充滿填充物，經(jīng)能譜分析，填充物主要成分為Fe和O元素，即為高溫氧化產(chǎn)物，而非夾雜物。綜合分析表明，1號鍋爐末級過熱器水壓試驗(yàn)開裂泄漏的主要原因是鋼管內(nèi)壁在熱軋和冷拔過程中產(chǎn)生縱向線性缺陷，并在缺陷尖端形成應(yīng)力集中，在水壓試驗(yàn)過程中，缺陷尖端脹開形成裂紋并擴(kuò)展開裂，導(dǎo)致末級過熱器泄漏。

圖1 取樣管內(nèi)壁線性缺陷

2 線性缺陷檢測試驗(yàn)

鋼管制造中采用自動超聲或渦流、漏磁技術(shù)進(jìn)行檢測，但不適用于基建安裝和在役鍋爐的鋼管檢測。目視檢測、滲透檢測、磁粉檢測不能有效發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁線性缺陷?；ò惭b和在役鍋爐管排受結(jié)構(gòu)限制，無法使用A型脈沖超聲波、超聲波相控陣、渦流等常規(guī)無損檢測方法進(jìn)行排查性檢測，因此分別采用“金相+壓扁”聯(lián)合檢測方法、超聲導(dǎo)波檢測方法進(jìn)行試驗(yàn)和分析，驗(yàn)證其檢測鋼管內(nèi)壁線性缺陷的有效性、可行性。

2.1 “金相+壓扁”聯(lián)合檢測

通過對鋼管圓截面進(jìn)行金相檢測，可準(zhǔn)確檢出線性缺陷及其沿壁厚方向深度，但不能反映缺陷在拉應(yīng)力狀態(tài)下的開裂和擴(kuò)展情況。壓扁試驗(yàn)可以充分暴露內(nèi)表面質(zhì)量狀況，即使很淺的缺陷（如深度0.04 mm）也可能在環(huán)向拉應(yīng)力作用下開裂、擴(kuò)展[2]。因此，可以“壓至兩板到一定距離，試樣內(nèi)壁不出現(xiàn)裂縫或裂口”[1]為判據(jù)，進(jìn)行內(nèi)壁線性缺陷檢測。

2.1.1 試驗(yàn)步驟

“金相+壓扁”聯(lián)合檢測分為兩步。

（1）在管子直段截取壓扁試驗(yàn)試樣，長度依據(jù)檢測標(biāo)準(zhǔn)而定，對壓扁試樣截面內(nèi)壁側(cè)進(jìn)行顯微觀察，檢測兩端截面內(nèi)壁側(cè)是否存在線性缺陷。

（2）將內(nèi)壁線性缺陷部位置于頂部或底部進(jìn)行壓扁試驗(yàn)。按照GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》要求[1]，當(dāng)管子壁厚外徑比S/D＞0.1時(shí)，底部和頂部位置內(nèi)表面的裂縫或裂口不應(yīng)作為不合格依據(jù)。因此，當(dāng)S/D＞0.1時(shí)，將線性缺陷置于上述位置之外，觀察試樣內(nèi)表面是否存在目視可見的有金屬光澤的裂縫或裂口，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)判定試樣質(zhì)量是否合格。

2.1.2 金相檢測

采用“金相+壓扁”聯(lián)合檢測方法對上述27根取樣管內(nèi)壁線性缺陷進(jìn)行檢測。發(fā)現(xiàn)2臺鍋爐末級過熱器T91鋼管內(nèi)壁普遍存在線性缺陷（如表1所示），其中8號試樣線性缺陷微觀形貌如圖2所示。根據(jù)金相檢測結(jié)果，88.9%的取樣管內(nèi)壁存在深淺不一的線性缺陷，深度超過0.2 mm的有4根。按照GB/T 5310—2017要求，此類非尖銳芯棒擦傷引起的線性缺陷深度不允許超過0.2 mm。

表1 27根取樣管內(nèi)壁線性缺陷數(shù)量統(tǒng)計(jì) 根

2.1.3 壓扁試驗(yàn)

圖2 8號試樣內(nèi)壁線性微觀形貌

上述試樣經(jīng)金相檢測線性缺陷深度，并標(biāo)注其在管橫截面中的方位，然后進(jìn)行壓扁試驗(yàn)。壓扁試驗(yàn)用于檢測圓形截面金屬管材工藝性能，包括抵抗軸向開裂（拉應(yīng)力所致）和抵抗軸向開裂（剪應(yīng)力所致）能力，并顯示其內(nèi)部缺陷和表面缺陷。壓扁試驗(yàn)試樣壁厚外徑比S/D＞0.1，試驗(yàn)時(shí)將金相檢測發(fā)現(xiàn)的線性缺陷置于壓扁試驗(yàn)的頂部和底部位置之外，雖然不能準(zhǔn)確反映鋼管的工藝性能，但可以準(zhǔn)確檢測線性缺陷。

8號試樣內(nèi)壁線性缺陷深度為0.126 mm，未超過標(biāo)準(zhǔn)范圍，但根據(jù)壓扁試驗(yàn)結(jié)果，試樣除底部之外發(fā)現(xiàn)目視清晰可見裂縫，因此判定為不合格（如圖3所示）。

圖3 壓扁試驗(yàn)觀察內(nèi)壁是否破裂

2.1.4 聯(lián)合檢測結(jié)果分析

壓扁試驗(yàn)后，取樣管不合格數(shù)量增加1根，總體不合格率為18.5%。由此可見，“金相+壓扁”聯(lián)合檢測方法可直觀判斷沿壁厚方向深度超過0.2 mm的線性缺陷，在壓扁過程中的拉應(yīng)力作用下，還將暴露部分應(yīng)力集中、類似裂紋的危害性線性缺陷。

2.2 超聲導(dǎo)波檢測試驗(yàn)

超聲波以一定角度射入管子中，并在內(nèi)外表面邊界內(nèi)反復(fù)不斷地反射、傳播形成導(dǎo)波，可用于檢測小徑管橫截面的缺陷，包括內(nèi)表面缺陷。導(dǎo)波傳輸距離遠(yuǎn)，檢測速度快，且不受工件位置狀態(tài)的影響，比常規(guī)方法方便、快捷[2-7]。

本文使用超聲導(dǎo)波周向模式對上述2臺鍋爐的末級過熱器管內(nèi)壁線性缺陷進(jìn)行檢測。

2.2.1 對比試樣

為調(diào)節(jié)導(dǎo)波檢測靈敏度、評定檢測發(fā)現(xiàn)的自然缺陷當(dāng)量，參照GB/T 5777—2019《無縫和焊接（埋弧焊除外）鋼管縱向和/或橫向缺欠的全圓周自動超聲檢測》制作對比試樣[8]。

取樣管材質(zhì)為T91、規(guī)格38 mm×7 mm（外徑×壁厚），由鍋爐廠提供同批號備品，經(jīng)金相檢測未發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁線性缺陷，采用電蝕法加工橫截面為V形的縱向缺陷對比試樣，V形槽截面及分布位置見圖4。

圖4 V形槽截面及分布位置示意圖

2.2.2 超聲導(dǎo)波檢測

以0.2 mm為判定尺度，對1號和2號鍋爐的末級過熱器進(jìn)口管屏和出口管屏T91鋼管進(jìn)行超聲導(dǎo)波檢測。共計(jì)檢測8341根彎管，其中彎管的直段檢測長度為2000 mm。掃查部位及方式如圖5所示。

圖5 掃查部位及方式示意圖

檢測結(jié)果顯示，2號鍋爐2根彎管直段部位存在超標(biāo)缺陷信號，其余8339根彎管未發(fā)現(xiàn)深度超過0.2 mm的缺陷信號。對發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷信號的2根管子割管進(jìn)行金相復(fù)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁線性缺陷深度分別為0.28 mm和0.23 mm，如圖6所示。

2.3 檢測結(jié)果分析

采用“金相+壓扁”聯(lián)合方法檢測27根末級過熱器T91取樣管的不合格率為18.5%。采用超聲導(dǎo)波檢測同批次的8341根末級過熱器T91鋼管的不合格率為0.02%。超聲導(dǎo)波檢測結(jié)果經(jīng)金相檢測復(fù)驗(yàn)，確認(rèn)為內(nèi)壁線性缺陷。

2.4 超聲導(dǎo)波檢測不合格率低的原因分析

圖6 金相復(fù)驗(yàn)內(nèi)壁線性缺陷

（1）超聲導(dǎo)波的檢測方法雖然有效，但是對比試樣的V形槽與實(shí)際線性缺陷的形狀存在較大差別，部分內(nèi)壁線性缺陷沿徑向發(fā)生傾斜，缺陷前端圓鈍不尖銳的形貌特征及缺陷走向與聲波傳播方向的關(guān)系影響缺陷反射波幅的大小。對比試樣上的人工缺陷是評定自然缺陷當(dāng)量的依據(jù)，但即使檢測發(fā)現(xiàn)的自然缺陷信號與人工缺陷的反射波幅相等，也不能代表自然缺陷與人工缺陷的尺寸必然相等，同時(shí)人工缺陷尺寸也不能代表可檢測的最小缺陷尺寸[9]。

（2）導(dǎo)波檢測靈敏度與聲波傳播方向橫截面積缺損率有關(guān)。線性缺陷在多道冷拔后具有細(xì)小、閉合的特點(diǎn)，其造成的橫截面積缺損較少，不利于產(chǎn)生清晰導(dǎo)波反射信號。

3 結(jié)論

（1）采用“金相+壓扁”聯(lián)合方法檢測鍋爐受熱面鋼管內(nèi)壁線性缺陷，結(jié)果準(zhǔn)確，并利于排除深度雖淺但危害性大的線性缺陷，其缺點(diǎn)是需割管取樣檢測，檢測效率低，檢測周期長。采用周向模式的超聲導(dǎo)波能夠?qū)崿F(xiàn)對鍋爐受熱面鋼管內(nèi)壁線性缺陷的檢測，并具有檢測速度快，檢測前打磨工作量小的優(yōu)點(diǎn)，但是受限于線性缺陷的特征，其檢出率較低。

（2）按照DL/T 612—2017《電力行業(yè)鍋爐壓力容器安全監(jiān)督規(guī)程》的要求，火電機(jī)組應(yīng)在安裝前開展安全性能檢驗(yàn)[10]。鑒于線性缺陷的檢測難度較大，受熱面鋼管應(yīng)在制造廠組焊組裝前開展“金相+壓扁”聯(lián)合檢測，及時(shí)及早發(fā)現(xiàn)和掌握線性缺陷信息，便于采取有針對性處理措施。