陳君平，楊文峰，韓　騰，寧繼強(qiáng)，齊曉平，劉建屏，季昌國(guó)

(華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045)

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P91/P92鋼管道對(duì)接焊縫微裂紋的超聲波檢測(cè)

陳君平，楊文峰，韓騰，寧繼強(qiáng)，齊曉平，劉建屏，季昌國(guó)

(華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045)

隨著P91/P92鋼在國(guó)內(nèi)火力發(fā)電機(jī)組的大量應(yīng)用，對(duì)其焊接缺陷的檢測(cè)也成為質(zhì)量監(jiān)督的重點(diǎn)工作。目前,在運(yùn)行檢修過程中，超聲波檢測(cè)出的缺陷主要為以微小裂紋類缺陷為主的層間缺陷。通過對(duì)某廠P91鋼主蒸汽管道對(duì)接焊縫的超聲波檢測(cè)，對(duì)微小裂紋的缺陷回波波形特征進(jìn)行了分析，對(duì)該類缺陷在超聲波檢測(cè)中的判斷和識(shí)別方法進(jìn)行了探討和總結(jié)。

微小裂紋;層間缺陷;缺陷回波;波形特征;超聲波檢測(cè)

P91/P92鋼屬于改良型9Cr-1Mo高強(qiáng)度馬氏體耐熱鋼，具有較高的抗氧化性能和抗高溫腐蝕性能、良好的沖擊韌性、高而穩(wěn)定的持久及熱強(qiáng)性能，優(yōu)良的導(dǎo)熱系數(shù)和較小的膨脹系數(shù)。其在使用溫度低于620 ℃時(shí)的許用應(yīng)力高于奧氏體不銹鋼。自1996年開始，國(guó)產(chǎn)300,600 MW及以上亞臨界和超臨界機(jī)組開始大量采用P91鋼作為主蒸汽、高溫再熱蒸汽管道及末級(jí)集箱的用材。2006年后,隨著國(guó)內(nèi)超超臨界機(jī)組的相繼投產(chǎn)，P92鋼開始大量應(yīng)用于超超臨界機(jī)組的主蒸汽、高溫再熱蒸汽管道及末級(jí)集箱制造[1]。目前，在對(duì)電力系統(tǒng)已安裝機(jī)組的運(yùn)行檢修過程中，發(fā)現(xiàn)超聲波檢測(cè)出的缺陷主要以冷裂紋、熱裂紋、未熔及細(xì)小夾渣等為主，尤其以微小裂紋類缺陷為主的層間缺陷為多[2-3]。因此，采用合理有效的超聲波檢測(cè)方法來保證該類缺陷的檢出率,無疑是電站鍋爐安全運(yùn)行的重要保障手段。筆者通過對(duì)某電廠的P91鋼主汽管道的檢驗(yàn)，對(duì)該類缺陷的超聲波檢測(cè)方法進(jìn)行了分析和探討。

1　P91/P92鋼橫波聲速測(cè)定

高強(qiáng)度新型耐熱鋼的共同特點(diǎn)之一是其合金元素含量大幅增加，導(dǎo)致材料聲速也發(fā)生變化，近年來引起了無損檢測(cè)工作者的關(guān)注[4-7]。使用數(shù)字超聲波檢測(cè)儀檢測(cè)時(shí)，聲速是影響檢測(cè)定位定性的重要因素。只有準(zhǔn)確測(cè)定被檢材料的橫波聲速，才能對(duì)缺陷的深度、位置進(jìn)行精確地測(cè)量。

因此，在檢測(cè)前，為了減小檢測(cè)過程中的定位、定量誤差，選用專用的P91鋼的半圓試塊、CSKⅠA和CSKⅢA試塊進(jìn)行儀器參數(shù)的調(diào)節(jié)。為了得到更為精確的聲速，筆者利用數(shù)字式超聲波檢測(cè)儀在P91鋼的半圓試塊上進(jìn)行聲速的測(cè)定，測(cè)定時(shí)預(yù)先設(shè)定近似聲速，以此聲速在半圓試塊上測(cè)定兩次底面反射聲程差為:

(1)

式中：:Sn，Sn-1分別為試塊第n,n-1次底面反射聲程。

將ΔS代入以下公式進(jìn)行計(jì)算得:

(2)

式中：:d為試塊在鋼中聲程；c′為預(yù)先輸入儀器的近似聲速值。

2　檢驗(yàn)過程及結(jié)果

在某電廠的1#機(jī)組檢修過程中，對(duì)鍋爐和汽機(jī)側(cè)主蒸汽管道對(duì)接焊縫分別進(jìn)行了超聲波檢測(cè)，采用的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 4730.3-2005《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》，檢測(cè)等級(jí)為B級(jí)。主汽管道的規(guī)格為φ453 mm×41 mm,φ337 mm×32 mm;材料為SA335-P91鋼。采用的檢測(cè)儀為漢威HS 611e數(shù)字式檢測(cè)儀，探頭型號(hào)為2.5P13×13K1、K2。按上述聲速測(cè)定方法對(duì)橫波聲速進(jìn)行測(cè)定，并將測(cè)試值輸入儀器中，然后在同材料試塊上對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)焊縫7道主蒸汽管道焊口內(nèi)部存在多處記錄性缺陷，缺陷當(dāng)量幅值為定量線上下，多數(shù)缺陷測(cè)長(zhǎng)為點(diǎn)狀缺陷，且有一定的方向性，并且有些缺陷的再現(xiàn)性較差，從焊縫兩側(cè)檢測(cè)時(shí)無法對(duì)應(yīng)。檢測(cè)出的缺陷深度、最高波幅當(dāng)量大小、最大缺陷測(cè)長(zhǎng)及焊縫缺陷數(shù)量等如表1所示。表中SL為定量線。

表1　某機(jī)組主蒸汽管道對(duì)接焊縫中檢出的缺陷信息

通過對(duì)上述管道對(duì)接焊縫的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，這些缺陷在焊縫中普遍存在，檢測(cè)過程中一般反射波高不高(在評(píng)定線上下);按目前標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)時(shí)，如果不特別地確定缺陷性質(zhì)，則一般對(duì)其按點(diǎn)狀缺陷判定，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。但是，P91/P92鋼在國(guó)內(nèi)電力機(jī)組的安裝中，焊接工藝要求極為嚴(yán)格，通常在焊接過程中不會(huì)出現(xiàn)如此多的缺陷。通過對(duì)其中缺陷顯示較為嚴(yán)重的焊口進(jìn)行解剖,發(fā)現(xiàn)該類缺陷性質(zhì)為微小裂紋類缺陷，缺陷長(zhǎng)度為3～5 mm，典型缺陷示例照片如圖1所示。

圖1　微裂紋典型缺陷解剖示例照片

3　分析和討論

3.1P91/P92鋼聲速的測(cè)定方法

在對(duì)P91/P92 鋼進(jìn)行超聲波檢測(cè)前，應(yīng)選用同材料的試塊調(diào)節(jié)檢測(cè)參數(shù)，盡量不使用普通碳鋼材料。若受條件限制，不得已采用普通材料的試塊調(diào)試時(shí)，應(yīng)根據(jù)聲速差異在計(jì)算后進(jìn)行修正。

如前所述，和普通碳鋼相比,P91/92鋼中的聲速變化較大，那么只有準(zhǔn)確測(cè)定材料的橫波聲速，才能對(duì)缺陷的深度、位置進(jìn)行精確地測(cè)量。超聲波檢測(cè)儀不是為了測(cè)量材料聲速而開發(fā)的，因此用超聲波儀器采用通過法測(cè)定的材料聲速不一定就是材料的精確聲速。數(shù)字式檢測(cè)儀所顯示的反射波位置，實(shí)際是通過測(cè)定從晶片開始發(fā)射超聲波到聲波返回至晶片的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間既包括了聲波在探頭內(nèi)及耦合劑中的縱波傳播時(shí)間，也包括了在鋼中的橫波傳播時(shí)間。因此，采用前文所述的聲速測(cè)定方法，即通過測(cè)量半圓試塊上產(chǎn)生的多次反射波聲程差并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算后所得到的橫波聲速精度較高，在實(shí)際檢測(cè)工作中也易于操作。

3.2缺陷波形特征分析

檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的微裂紋缺陷，普遍反射回波當(dāng)量較低;對(duì)缺陷進(jìn)行解剖后發(fā)現(xiàn)裂紋長(zhǎng)度多在3～5 mm之間，缺陷自身高度較小。為了便于觀察微裂紋的波形特征，選取當(dāng)量較高的一處缺陷進(jìn)行分析。選取了表1所示的7#焊口中某缺陷的回波波形以及前后包絡(luò)圖形，如圖2所示。

圖2　典型缺陷的最高回波波形及動(dòng)態(tài)波形

對(duì)圖2所示的缺陷最高回波波形和前后掃查動(dòng)態(tài)波形進(jìn)行分析，可以看出:該類缺陷的回波為一尖銳的鋸齒狀回波。當(dāng)探頭進(jìn)行前后、左右掃查時(shí)，反射波包絡(luò)線范圍很小，較為尖銳，根部干凈，探頭與焊縫成一定的角度，具有裂紋的特征[8];左右轉(zhuǎn)動(dòng)探頭時(shí)，反射波幅度變化較快，會(huì)看到鋸齒狀的波峰交錯(cuò)變化。

3.3微裂紋缺陷檢測(cè)特點(diǎn)

通過大量的調(diào)研及焊縫解剖結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于P91/P92鋼合金含量高，結(jié)晶溫度區(qū)間范圍變大，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的幾率也變大;其焊縫中微小裂紋產(chǎn)生的原因主要是焊接過程中焊條收弧時(shí)產(chǎn)生的弧坑裂紋缺陷。裂紋是焊接結(jié)構(gòu)中危害最大的缺陷，即使是層間弧坑小裂紋，在高溫高壓管道運(yùn)行過程中也會(huì)不斷擴(kuò)展延伸，直至焊縫發(fā)生斷裂。超聲檢測(cè)時(shí)，細(xì)小的、方向不確定的弧坑裂紋很容易造成漏檢。超聲波檢測(cè)P91/P92鋼焊縫中微小裂紋一般有如下幾個(gè)特征：

(1) 當(dāng)在焊縫一定厚度范圍內(nèi)存在多個(gè)缺陷反射回波時(shí)，探頭移動(dòng)過程中，缺陷反射波此起彼伏。

(2) 缺陷的反射回波波幅較低，個(gè)別反射回波在Ⅱ區(qū)或者Ⅲ區(qū)以上，多數(shù)缺陷反射波在Ⅰ區(qū);很多缺陷反射波與焊縫存在一定夾角，探頭轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后，反射波出現(xiàn)，探頭稍一轉(zhuǎn)動(dòng)，缺陷波即刻消失。

(3) 對(duì)單個(gè)缺陷從焊縫兩側(cè)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，無法對(duì)應(yīng)，反射波多出現(xiàn)在探頭本側(cè)。

(4) 如果出現(xiàn)個(gè)別波幅較大、長(zhǎng)度較長(zhǎng)的缺陷回波，要特別引起重視，這很可能是個(gè)別微小裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。

3.4缺陷判定原則

通過對(duì)缺陷特征的分析可以發(fā)現(xiàn)，由于缺陷本身尺寸較小，在檢測(cè)過程中對(duì)于一些尺寸接近3倍波長(zhǎng)的缺陷，其缺陷波可類似看成球形分布，不論是垂直入射還是傾斜入射，都能得到一定幅度的缺陷反射回波[9]。實(shí)際解剖也表明，此類缺陷的尺寸大小有時(shí)與反射波波幅無線性關(guān)系。對(duì)于P91/92焊縫微裂紋的超聲波檢測(cè)，不能簡(jiǎn)單地按反射波幅來判定，除了應(yīng)對(duì)定量線(SL)和判廢線(RL)之間的反射波幅進(jìn)行分析外，對(duì)于低于定量線(SL)的缺陷波形特征也應(yīng)進(jìn)行分析和判定[10]。

因此，對(duì)于此類性質(zhì)缺陷的超聲波檢測(cè)，應(yīng)在常規(guī)缺陷檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測(cè)靈敏度的基礎(chǔ)上再提高6 dB作為檢測(cè)靈敏度。也就是說，對(duì)于缺陷當(dāng)量波幅超過SL-6 dB的反射回波，應(yīng)根據(jù)探頭位置、方向、反射波的位置、波形的變化及焊接接頭的具體情況進(jìn)行分析，判斷其是否具有微小裂紋的特性。

值得注意的是，該判定原則是基于P91/92鋼的材料特點(diǎn)、焊接工藝及產(chǎn)生缺陷的性質(zhì)等進(jìn)行的綜合判定，不具有普遍性，因此不能將該判別方法直接應(yīng)用到其他材料上去。此外，由于該方法能大致檢測(cè)出P91/92鋼內(nèi)部小裂紋，因此其是對(duì)焊接接頭的一個(gè)整體評(píng)價(jià)，而不僅僅是對(duì)單一缺陷的評(píng)定。

4　結(jié)論

(1) 由于P91/P92鋼中合金元素含量大幅增加，其聲學(xué)特性發(fā)生了很大變化，對(duì)超聲波檢測(cè)焊縫缺陷時(shí)的定位及定性造成了影響，故在實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)對(duì)材料橫波聲速加以測(cè)定。

(2) 對(duì)于P91/P92鋼對(duì)接焊縫中的微裂紋類性質(zhì)的缺陷，應(yīng)在常規(guī)檢測(cè)過程中提高6 dB的檢測(cè)靈敏度，對(duì)缺陷當(dāng)量波幅超過SL-6 dB的反射回波，應(yīng)根據(jù)探頭位置、方向、反射波的位置、波形的變化及焊接接頭的具體情況，進(jìn)行綜合分析和判斷。

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The Ultrasonic Testing of Micro-crack in P91/92 Steel Pipe Butt Weld

CHEN Jun-ping,YANG Wen-feng,HAN Teng,NING Ji-qiang,QI Xiao-ping,LIU Jian-ping,JI Chang-guo

(North China Electric Power Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100045,China)

Due to the large number application of P91/P92 steel of thermal power generating units in domestic,weld defects detection problem also gradually became the focus of quality supervision work. In the process of operation maintenance,the defects detected by Ultrasonic inspection were mainly micro-cracks in the interlayer. In this paper,by means of ultrasonic inspection on the P91 steel butt weld of main steam pipe in a factory,the waveform character of micro-cracks was analyzed,and the way how to judge and identify the defects in ultrasonic testing was studied and discussed.

Micro-crack;Interlayer defects;Defect echo;Waveform character;Ultrasonic testing

2015-12-10

陳君平(1980-)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事電站鍋爐壓力容器檢驗(yàn)及金屬監(jiān)督工作。

陳君平,E-mail: realsnow@163.com。

10.11973/wsjc201608011

TG115.28

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1000-6656(2016)08-0044-03