鍋爐受熱面異種鋼焊縫相控陣超聲與射線檢測(cè)分析

楊明昌，苑 達(dá)，陳 銘

(深能合和電力(河源)有限公司，廣東 河源 517025)

0 引言

隨著社會(huì)對(duì)電力供應(yīng)不斷旺盛的需求以及對(duì)能源利用效率的不斷追求,電站鍋爐經(jīng)歷了從超高壓(13～15 MPa,t≤540 ℃)、亞臨界(16～19 MPa,t≤540 ℃)、超臨界(24～26 MPa,t≤566 ℃)到超超臨界(24～31 MPa,t≥580 ℃)的發(fā)展歷程[1],設(shè)計(jì)溫度和壓力不斷提高,其發(fā)展離不開一系列高性能金屬材料的開發(fā)與應(yīng)用。為保證鍋爐的安全運(yùn)行,同時(shí)降低鍋爐建造成本,故在不同溫度區(qū)段采用不同等級(jí)的材料[2]。其中,鍋爐再熱器和過熱器等受熱面的高溫段主要選用奧氏體不銹鋼,低溫段仍然采用珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼等鐵素體耐熱鋼,兩種不同材料焊接時(shí)一般采用鎳基合金作為焊接填充材料。因此,電站鍋爐中存在著大量的鐵素體-奧氏體異種鋼焊接接頭。

鍋爐再熱器和過熱器作為受熱面,其管徑較小(32～89 mm)、壁厚較薄(4～14 mm)[3],由于其長(zhǎng)期在高溫高壓工況下運(yùn)行,對(duì)焊接接頭的質(zhì)量要求較高。鍋爐再熱器和過熱器存在的異種鋼接頭即使在焊接時(shí)未產(chǎn)生缺陷,但由于其兩側(cè)母材及焊縫的組織、成分、性能存在較大差異,焊接時(shí)也會(huì)產(chǎn)生宏觀偏析,在經(jīng)歷長(zhǎng)期的高溫運(yùn)行后,焊接接頭處可能會(huì)出現(xiàn)碳遷移、碳化物析出等現(xiàn)象[4],從而導(dǎo)致接頭組織性能惡化,進(jìn)而產(chǎn)生裂紋。

國內(nèi)外的運(yùn)行實(shí)踐表明,異種鋼焊接接頭容易發(fā)生早期失效導(dǎo)致電站非計(jì)劃停機(jī),造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此,及時(shí)、準(zhǔn)確檢測(cè)出在役鍋爐異種鋼焊縫存在的缺陷對(duì)于保證鍋爐安全運(yùn)行、減少機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)以及降低經(jīng)濟(jì)損失具有非常重要的意義。下面通過相控陣超聲檢測(cè)與射線檢測(cè)兩種方法對(duì)某異種鋼焊接接頭進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比,以期找出一種更適合鍋爐異種鋼焊縫的無損檢測(cè)方法。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的鍋爐異種鋼焊接接頭為已運(yùn)行91467 h的某超超臨界機(jī)組鍋爐低溫再熱器異種鋼焊接接頭1DZ-9-4和1DZ-10-8,規(guī)格為φ63.5×5 mm,兩側(cè)母材分別為12Cr1MoV鐵素體耐熱鋼和TP347H奧氏體不銹鋼,采用鎢極氬弧焊打底、焊條電弧焊填充和蓋面法焊制,填充材料分別為ERNiCr-3鎳基合金焊絲和ENiCrFe-3鎳基合金焊條,焊接完成后進(jìn)行730 ℃熱處理0.5 h。

2 試驗(yàn)方法

2.1 射線檢測(cè)

射線檢測(cè)技術(shù)適用于各種材料的檢測(cè),對(duì)工件幾何形狀無嚴(yán)格要求,檢測(cè)結(jié)果可直觀顯示且能長(zhǎng)期保存,對(duì)鍋爐受熱面異種鋼焊縫的檢測(cè)通常采用該方法進(jìn)行[5]。本次對(duì)12Cr1MoV-TP347H焊縫進(jìn)行射線檢測(cè)時(shí),采取傾斜透射和垂直透射兩種透射方式,其工藝參數(shù)見表1。

2.2 相控陣超聲檢測(cè)

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是一種新興的無損檢測(cè)技術(shù),具有多角度掃描、實(shí)時(shí)彩色成像、檢測(cè)結(jié)果直觀等特點(diǎn),可檢出焊接接頭中的各種面積型缺陷和體積狀缺陷,近年來逐漸應(yīng)用于電站承壓部件的檢測(cè)中。本次在對(duì)12Cr1MoV-TP347H焊接接頭進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)時(shí),采用的是HS PA20-E型相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備,相關(guān)參數(shù)見表2。采用斜射波接觸法以試塊編號(hào)PGD-4為對(duì)比,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試塊CSK-IA進(jìn)行檢測(cè)。

表2 相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果

采用傾斜和垂直透射方式對(duì)兩處1DZ-9-4和1DZ-10-8異種鋼焊縫進(jìn)行射線檢測(cè),結(jié)果均顯示焊縫內(nèi)不存在缺陷。對(duì)這兩處異種鋼焊縫進(jìn)行相控陣檢測(cè),顯示有裂紋傾向,檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 相控陣檢測(cè)結(jié)果

4 驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證兩種檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性,對(duì)異種鋼接頭進(jìn)行了破壞性的驗(yàn)證試驗(yàn)。根據(jù)相控陣超聲檢測(cè)數(shù)據(jù),將接頭表面車削加工至缺陷埋藏深度處,然后進(jìn)行滲透檢測(cè)和金相檢測(cè)。

驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)果顯示,焊縫中確實(shí)存在兩個(gè)缺陷,長(zhǎng)度分別為188 mm和200 mm,證明對(duì)于電站鍋爐受熱面異種鋼焊縫的檢測(cè),相控陣超聲檢測(cè)比射線檢測(cè)更準(zhǔn)確、可靠,這主要是因?yàn)樯渚€檢測(cè)對(duì)于裂紋、未熔合等面積型缺陷的檢測(cè)受缺陷形狀尺寸、透射角度、透射幾何條件、像質(zhì)計(jì)靈敏度、射線源、膠片種類等多種因素的影響,在焊縫兩側(cè)透照厚度差過大處形成了死區(qū),造成缺陷的漏檢。此外,射線檢測(cè)時(shí)存在輻射風(fēng)險(xiǎn),檢測(cè)時(shí)需要進(jìn)行清場(chǎng),嚴(yán)重影響檢修工期。相控陣超聲檢測(cè)則通過軟件單獨(dú)控制相控陣探頭中每個(gè)晶片的激發(fā)時(shí)間,從而控制波束的角度、聚焦位置和焦點(diǎn)尺寸,同時(shí)具備寬波束、多焦點(diǎn)的特性,故檢測(cè)結(jié)果更精準(zhǔn)。

5 結(jié)論

相控陣超聲檢測(cè)可以準(zhǔn)確檢測(cè)出缺陷長(zhǎng)度、深度和自身高度等,且相較射線檢測(cè)更易檢測(cè)出鍋爐受熱面異種鋼焊縫存在的缺陷。因此,在對(duì)鍋爐受熱面異種鋼焊縫進(jìn)行無損檢測(cè)時(shí),可采用相控陣超聲檢測(cè)替代射線檢測(cè),以便及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)其存在的裂紋、未熔合等面積型缺陷,盡早消除安全隱患,避免因異種鋼焊接接頭失效引發(fā)蒸汽泄漏造成非計(jì)劃停機(jī)。