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(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司火力發(fā)電技術(shù)研究所,北京 100040)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行業(yè)對(duì)電力的需求日益增加，對(duì)電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求也日益提高。電廠主機(jī)設(shè)備無論鍋爐還是汽輪機(jī)部分都有大量的管道，這些管道的焊接質(zhì)量直接影響到電廠的安全運(yùn)行，如近期發(fā)生的多起汽輪機(jī)插管異種鋼鎳基焊縫開裂引起機(jī)組非停的事故，給電廠造成了重大損失。

多種無損檢測(cè)方法被應(yīng)用到常規(guī)管道的焊縫質(zhì)量控制中，如射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)，以及超聲波衍射時(shí)差法(TOFD)等[1]。超聲檢測(cè)技術(shù)成熟，并有多部檢測(cè)工藝規(guī)程[2-4]作為技術(shù)支撐，使得焊縫焊接質(zhì)量能控、可控。但汽輪機(jī)插管焊縫多為SA335-P91與ZG15Cr2Mo1(F22)材料對(duì)接，用鎳基材料焊接。其焊縫組織為粗大的柱狀晶，使用常規(guī)超聲方法實(shí)施檢測(cè)時(shí)，存在聲束難以穿透焊縫、信噪比及靈敏度較低的問題，加上焊縫兩側(cè)檢測(cè)面狹窄使得探頭難以移動(dòng)等原因，目前對(duì)鎳基焊縫多進(jìn)行表面檢測(cè)。

相控陣超聲技術(shù)在發(fā)展初期由于系統(tǒng)的復(fù)雜性及成本費(fèi)用高等原因，在工業(yè)無損檢測(cè)中的應(yīng)用受限，而主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的醫(yī)學(xué)超聲成像中[5-6]。近些年得益于電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，相控陣超聲的發(fā)展較為迅猛，在使用壓電復(fù)合材料、納秒級(jí)脈沖信號(hào)控制、軟件大數(shù)據(jù)處理及計(jì)算機(jī)仿真等技術(shù)后，其以靈活的聲束偏轉(zhuǎn)、聲束聚焦、成像顯示檢測(cè)結(jié)果等特點(diǎn)[7]，在航空航天、國防、石油化工、機(jī)械制造、電力等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[8]。筆者基于相控陣超聲技術(shù)的諸多特點(diǎn)，將其引入到插管鎳基焊縫的檢測(cè)應(yīng)用中，從理論上分析了相控陣超聲技術(shù)檢測(cè)該類焊縫的可行性。

1 插管異種鋼鎳基焊縫對(duì)檢測(cè)的影響

1.1 晶粒組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鎳基焊材焊接時(shí)，在冷卻過程中，焊縫金屬從液相凝固成面心立方晶格結(jié)構(gòu)的奧氏體[9]，晶粒沿著散熱最快的方向生長，焊縫兩邊的晶粒垂直于坡口斜向生長，如圖1所示。在冷卻過程中，還有可能從一個(gè)焊道延伸到另一個(gè)或幾個(gè)焊道，改變生長方向；焊縫中間的晶粒豎向生長，且晶粒粗大，方向性明顯[10]。焊縫組織的變化不僅與焊材成分有關(guān)，其形態(tài)與過冷度、焊接工藝等都有密切關(guān)系。不同的焊接工藝，如手工電弧焊、自動(dòng)埋弧焊等會(huì)形成不同的焊縫組織結(jié)構(gòu)，即使是相同的手工電弧焊，不同的焊接順序也會(huì)導(dǎo)致晶粒結(jié)構(gòu)差異顯著。

圖1 鎳基焊縫粗大的柱狀晶

1.2 材料及組織對(duì)超聲傳播的影響

鎳基焊縫晶粒粗大，很多奧氏體焊縫的平均晶粒度直徑通常大于0.5 mm，柱狀晶長度往往超過10 mm，對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，當(dāng)焊縫晶粒的直徑接近超聲波波長的1/10時(shí)，就會(huì)有明顯的聲散射[11]，散射使超聲波能量急劇衰減，導(dǎo)致聲束穿透能力大幅下降；散射聲束被探頭接收到后，引起強(qiáng)烈的背景噪聲，會(huì)明顯降低信噪比，導(dǎo)致難以識(shí)別有效信號(hào)。因此相對(duì)于常規(guī)材料，鎳基焊縫的超聲檢測(cè)難度大，甚至也不能使用常規(guī)超聲檢測(cè)。

鎳基焊縫晶粒組織不均勻，且呈各向異性。超聲波在各向異性介質(zhì)中傳播時(shí)，聲衰減及聲速大小都受波束方向與晶軸之間夾角的影響。當(dāng)兩者之間的夾角在45°～49°間時(shí)聲衰減值最小，聲速最大；夾角在0°和90°時(shí)聲衰減最大，聲速最小。此外，在各向異性介質(zhì)中傳播的聲束，其能量的傳播方向并不與波前垂直，從而導(dǎo)致聲束發(fā)生扭曲。理論計(jì)算和試驗(yàn)表明，對(duì)于縱波最大的扭曲角約為15°～20°，而對(duì)于常用的水平極化橫波，最大扭曲角可達(dá)50°[11]，焊縫中心對(duì)聲束扭曲尤為顯著。聲束扭曲帶來的直接影響是會(huì)導(dǎo)致缺陷的定位不準(zhǔn)確。

鎳基焊縫與母材聲速不同，因此超聲波傳播穿過母材與焊縫界面時(shí)將產(chǎn)生折射，聲束偏離原傳播方向，因此按線性傳播進(jìn)行缺陷定位將產(chǎn)生偏差。

1.3 焊縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

多家電廠的汽輪機(jī)異種鋼插管鎳基焊縫汽缸側(cè)的直管段長度約100 mm，對(duì)于壁厚50 mm左右的焊縫檢驗(yàn)，常規(guī)超聲檢測(cè)時(shí)聲束難以完全覆蓋。

2 異種鋼鎳基焊縫的相控陣超聲檢測(cè)

2.1 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)原理與特點(diǎn)

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是近十來年發(fā)展起來的超聲無損檢測(cè)領(lǐng)域新技術(shù)，其基本概念來源于相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[12]。20世紀(jì)60年代Brand Field最早提出將相控陣概念引入無損檢測(cè)領(lǐng)域[13]。

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)使用的探頭由多個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片組成，各壓電晶片在空間上按一定方式排列組成一個(gè)陣列[14]；根據(jù)不同檢測(cè)要求，陣列制作成不同形狀，陣列中每個(gè)晶片稱為一個(gè)陣元，每個(gè)陣元可單獨(dú)控制收發(fā)延遲。

相控陣超聲技術(shù)是通過電子系統(tǒng)控制探頭陣列中的各個(gè)陣元，按照一定的規(guī)則和時(shí)序激發(fā)一組探頭陣元,通過調(diào)整激發(fā)陣元的序列、數(shù)量、時(shí)間來控制波形的超聲波電子掃查方式[15]。發(fā)射超聲波時(shí)，分別調(diào)整每個(gè)陣元發(fā)射信號(hào)的波形、幅度和相位延遲，各陣元發(fā)射的超聲子波束在空間疊加合成，從而形成發(fā)射聚焦、聲束偏轉(zhuǎn)、變孔徑、變跡等多種相控效果[16]，得到預(yù)先希望的波束入射角度和焦點(diǎn)位置。接收超聲波時(shí)，按照回波到達(dá)各陣元的時(shí)間差對(duì)各陣元接收信號(hào)進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，然后相加合成，就能將特定方向的回波信號(hào)疊加增強(qiáng)，而其他方向的回波信號(hào)減弱甚至抵消。相控陣系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)射、接收原理示意如圖2所示，波束形成原理如圖3所示。

相控陣超聲常用的掃查形式有：線性掃查、扇形掃查。線性掃查是以相同的聚焦律和延時(shí)律在不同的時(shí)間激發(fā)不同組的晶片，從而使聲束以恒定角度沿相控陣探頭長度方向進(jìn)行掃查，見圖4(a)。扇形掃查是對(duì)同一組晶片，依次使用不同的延時(shí)律產(chǎn)生一組不同偏轉(zhuǎn)角度的聚焦聲束，形成一個(gè)扇形的檢測(cè)區(qū)域，見圖4(b)。

圖2 相控陣系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)射與接收原理

相控陣超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)信息量豐富，結(jié)果顯示為圖像識(shí)別，對(duì)缺陷評(píng)判的難度要比常規(guī)超聲低很多，因此檢測(cè)結(jié)果的判定受檢測(cè)人員的主觀影響小，且檢測(cè)數(shù)據(jù)能長期保存，具有可追溯性。常規(guī)超聲檢測(cè)與相控陣超聲檢測(cè)缺陷信號(hào)顯示對(duì)比如圖5所示。

相對(duì)傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)，相控陣超聲技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下所述。

圖3 相控陣超聲波束形成原理

圖4 相控陣超聲檢測(cè)常用的掃查方式

圖5 常規(guī)超聲檢測(cè)與相控陣超聲檢測(cè)缺陷信號(hào)顯示對(duì)比

(1) 具有良好的聲束可達(dá)性，能對(duì)復(fù)雜幾何形狀的工件及焊縫進(jìn)行聲束覆蓋而完成檢測(cè)。

(2) 通過優(yōu)化控制焦點(diǎn)尺寸、焦區(qū)深度和聲束方向，可使檢測(cè)分辨力、信噪比和靈敏度等性能得到提高。

(3) 可形成純縱波；常規(guī)超聲斜探頭產(chǎn)生的超聲波多為縱波進(jìn)行波型轉(zhuǎn)換后的橫波，若使用斜縱波檢測(cè)，不可避免地產(chǎn)生橫波，影響檢測(cè)。

(4) 能實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的多種視圖成像，檢測(cè)結(jié)果直觀，便于缺陷的識(shí)別與判定，適用于結(jié)構(gòu)特殊的部件檢測(cè)。

2.2 異種鋼鎳基焊縫的相控陣超聲檢測(cè)

考慮到插管異種鋼鎳基焊縫的晶粒組織特點(diǎn)，擬采用相控陣超聲的優(yōu)點(diǎn)克服常規(guī)超聲檢測(cè)的難點(diǎn)，達(dá)到檢測(cè)效果。

2.2.1 焊縫易產(chǎn)生的缺陷類型

插管采用鎳基焊條焊接時(shí)，熔池鐵水黏度較大，流動(dòng)性差，易產(chǎn)生未熔合等焊接缺陷[17]；鎳基焊縫有較高的裂紋敏感性，焊接時(shí)易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋、液化裂紋、應(yīng)變時(shí)效裂紋、高溫失塑裂紋等[18-19]；鎳的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于氧化鎳的熔點(diǎn)，焊接前焊材若清潔不徹底留有氧化鎳，焊接時(shí)摻雜在熔池中的氧化鎳會(huì)形成夾渣缺陷[20]。

運(yùn)行過程中，插管鎳基焊縫與兩側(cè)母材的熱膨脹系數(shù)及熱導(dǎo)率差異會(huì)在熔合線附近產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，在內(nèi)壓應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力等的疊加作用下，熔合線附近易形成裂紋[21]。插管鎳基焊縫一側(cè)為ZG15Cr2Mo1(F22)的母材，其組織為珠光體鋼，在熱疲勞工況下長期服役時(shí)，在靠近珠光體鋼側(cè)熔合線處很容易產(chǎn)生熱疲勞裂紋，并沿著脫碳區(qū)擴(kuò)展[22]。而插管鎳基與P91鋼焊接時(shí)，P91鋼側(cè)的細(xì)晶區(qū)蠕變強(qiáng)度的下降而導(dǎo)致Ⅳ型裂紋出現(xiàn)也是一個(gè)急需解決的難題[23-24]。在頻繁的調(diào)峰工況下，蠕變-疲勞之間發(fā)生交互作用，使得裂紋擴(kuò)展加速，降低工件的使用壽命[25-26]。當(dāng)機(jī)組處于頻繁啟停狀態(tài)以及變負(fù)荷運(yùn)行的工況下，受疲勞與蠕變交互作用，其裂紋很容易擴(kuò)展致使插管斷裂。

因此，新安裝的插管焊縫的缺陷類型為未熔合、裂紋、夾渣等；在役插管主要檢測(cè)的缺陷類型為裂紋，尤其是汽缸側(cè)的熔合線附近區(qū)域，包括熱影響區(qū)。

2.2.2 相控陣檢測(cè)工藝設(shè)置

如僅檢測(cè)坡口或熔合線處產(chǎn)生的缺陷，仍可使用常規(guī)相控陣檢測(cè)工藝參數(shù)進(jìn)行，此時(shí)超聲波只在非奧氏體母材中傳播到坡口處，鎳基焊縫對(duì)超聲波的影響可忽略，對(duì)于進(jìn)入鎳基焊縫的超聲波，可不予觀察分析。以下主要針對(duì)插管鎳基焊縫內(nèi)部缺陷檢測(cè)的工藝參數(shù)進(jìn)行討論，也適用于不銹鋼對(duì)接焊縫的檢測(cè)。

2.2.2.1 檢測(cè)波型選擇

在較多的焊縫超聲檢測(cè)工藝規(guī)程中[2-3]，均推薦使用橫波對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行檢測(cè)。因?yàn)槌Ｒ?guī)焊縫超聲檢測(cè)的晶粒細(xì)小，聲衰減很小。使用橫波探頭時(shí)，工件中波型單一(僅有橫波)，便于信號(hào)的辨識(shí)、定位；而使用斜縱波探頭時(shí)，工件中不可避免地會(huì)出現(xiàn)橫波，兩種波型的聲速差異大，同頻率下縱波聲速約為橫波聲速的2倍，因此缺陷反射回的信號(hào)難以識(shí)別、定位。因此常規(guī)金屬焊縫超聲檢測(cè)避免使用斜縱波波型。

而鎳基焊縫為組織粗大的柱狀晶，進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，晶界對(duì)超聲的散射引起的聲能衰減及噪聲干擾嚴(yán)重，當(dāng)材料晶粒為波長的1/2時(shí)，小缺陷信號(hào)就完全被噪聲淹沒[28]。且聲波的衰減不僅與波長有關(guān)，而且與波型有關(guān)，縱波的衰減比橫波的衰減低一個(gè)數(shù)量級(jí)[29]。晏榮明、李生田等人試驗(yàn)顯示：縱波能穿透120 mm的奧氏體焊縫，而橫波不能[30]，且鎳基合金對(duì)縱波聲束的畸變影響小于橫波，定位誤差小[31],因此對(duì)于鎳基焊縫，更適合用縱波進(jìn)行檢測(cè)。相控陣超聲產(chǎn)生的縱波波型雖也有橫波干擾，但由于相位抑制等，比常規(guī)超聲的橫波分量小很多，因此鎳基焊縫適合相控陣縱波檢測(cè)。

2.2.2.2 超聲波檢測(cè)頻率的討論

為了減少晶界散射的影響，采取降低超聲波頻率、增加波長的措施，使聲波繞過晶界。

對(duì)于平均直徑為0.5 mm的鎳基焊縫晶粒，聲波波長為5 mm及以上時(shí)，可以大幅降低晶界噪聲。鎳基材料聲速與組織、化學(xué)成分等有關(guān)，并不是定值，若縱波聲速取低值5 414 m·s-1[32]，為使波長λ≥5 mm，由波長、頻率(f)、聲速(c)的關(guān)系式(f=c/λ)計(jì)算可得f≤1.08 MHz。隨著晶粒尺寸的增加，超聲波聲速也在增加[33]，目前相控陣超聲檢測(cè)使用的低頻探頭頻率多為1 MHz，可以滿足使用要求。更低頻率的相控陣探頭由于檢測(cè)分辨力低、陣元加工困難等原因，極少生產(chǎn)。

實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)結(jié)合檢測(cè)工件厚度，考慮檢測(cè)靈敏度及噪聲、衰減等問題，綜合比較后確定恰當(dāng)?shù)某暡z測(cè)頻率。

2.2.2.3 超聲波聲束角度選擇

為降低鎳基焊縫晶柱對(duì)超聲波傳播的影響，控制波束方向與晶軸之間的夾角在45°～70°范圍[34]，效果較好。

在相控陣檢測(cè)中，為保證各聲線角度一致，使用電子線性掃查，而非常規(guī)金屬焊縫相控陣檢測(cè)用的扇形掃查。實(shí)際檢測(cè)中，可設(shè)定不同的線性掃查聲束入射角度，進(jìn)行比較、優(yōu)化。

2.2.2.4 雙晶探頭的應(yīng)用

雙晶探頭相對(duì)于單探頭具有很多優(yōu)點(diǎn)，最明顯的優(yōu)勢(shì)是雜波少、盲區(qū)小[35]。雙晶探頭的發(fā)射與接收分開，消除了發(fā)射壓電晶片與延遲塊之間的反射雜波，且始脈沖未進(jìn)入放大器，避免了阻塞現(xiàn)象，大大減小了盲區(qū)，有利于檢測(cè)近表面缺陷。雙晶探頭的晶片排列順序、布置形式及其外觀如圖6所示。雙晶探頭的兩個(gè)晶片一發(fā)一收，發(fā)射晶片用發(fā)射靈敏度高的壓電材料(如鋯鈦酸鉛)制成；接收晶片由接收靈敏度高的壓電材料(如硫酸鋰)制成，這樣探頭發(fā)射和接收靈敏度都較高，這是單晶探頭無法比擬的[36]。相控陣檢測(cè)可借鑒常規(guī)超聲的雙晶探頭，一組用于發(fā)射超聲波，一組接收反射回的超聲波,可有效降低鎳基焊縫超聲檢測(cè)中的雜波和噪聲信號(hào)的干擾[37]。為進(jìn)一步降低晶粒噪聲，發(fā)射探頭可使用寬頻帶窄脈沖探頭[38]。

圖6 雙晶線陣相控陣超聲探頭的晶片排列順序、布置形式及其外觀

2.2.2.5 減小定位誤差的工藝措施

由于鎳基與鐵素體鋼中的聲速差異及鎳基焊縫內(nèi)部的各向異性，焊縫超聲檢測(cè)時(shí)聲束方向會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)而造成定位不準(zhǔn)確?？v波檢測(cè)降低了定位偏差，為更進(jìn)一步降低定位誤差，檢測(cè)時(shí)若發(fā)現(xiàn)反射信號(hào)回波，應(yīng)從信號(hào)本側(cè)進(jìn)行定位。這樣做，一是可減少超聲在鎳基焊縫中傳播的聲程;另一方面可避免超聲波穿越焊縫中心的對(duì)聲束扭曲較嚴(yán)重的部位，兩方面均能弱化聲束偏轉(zhuǎn)的程度，可提高定位精度。

3 結(jié)論

鎳基焊縫的組織特點(diǎn)使得常規(guī)超聲檢測(cè)難以實(shí)施或效果不好。針對(duì)該問題，對(duì)異種鋼鎳基焊縫的特點(diǎn)及其對(duì)超聲檢測(cè)的影響進(jìn)行了深入分析。結(jié)合相控陣超聲的特點(diǎn)提出了相控陣超聲檢測(cè)的實(shí)施重點(diǎn)，從理論上闡述了插管鎳基焊縫相控陣檢測(cè)的可行性，對(duì)以后的檢測(cè)實(shí)踐過程具有一定的指導(dǎo)意義。

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