汽包中徑管管座角焊縫超聲波探傷方法研究

(1.河北省電力試驗(yàn)研究所，河北 石家莊050021；
2.馬頭發(fā)電總廠，河北 邯鄲 056044)

    摘 要：提出了利用小角度縱波探頭和橫波探頭相結(jié)合對汽包中徑管管座角焊縫進(jìn)行超聲波探傷的方法，對小角度縱波探頭進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對兩種探頭的標(biāo)準(zhǔn)反射體與判傷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了統(tǒng)一。實(shí)踐證明，該方法可以有效解決汽包中徑管管座角焊縫超聲波探傷問題。
   關(guān)鍵詞：電站鍋爐；汽包；角焊縫；超聲波檢驗(yàn)

    在電站鍋爐承壓部件中，汽包是加熱、蒸發(fā)、過熱3個階段的連接樞紐，是承受壓力最高的部件，汽包質(zhì)量直接影響整個鍋爐的**運(yùn)行。
    汽包的上升管、飽和導(dǎo)汽管、分散降水管等一般為中徑管，其外徑108～213 mm,壁厚10～22mm，這些中徑管管座以角焊縫的形式與汽包筒體相連接。與汽包相連的管座在應(yīng)力作用下的變形與筒體孔邊緣的變形不一致，兩者要相互協(xié)調(diào)，必然引起附加的彎曲應(yīng)力，汽包中徑管管座角焊縫(以下簡稱角焊縫)在運(yùn)行時是應(yīng)力集中系數(shù)較高、受力復(fù)雜的部位，因此加強(qiáng)角焊縫的質(zhì)量檢驗(yàn)與監(jiān)督非常重要。
1  角焊縫超聲波探傷存在的問題
   超聲波探傷對面積和體積型缺陷的檢出靈敏度較高，但對于角焊縫的超聲波檢驗(yàn)存在如下問題。
1.1用普通探頭進(jìn)行超聲波探傷時存在不可探區(qū)
    角焊縫的結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)其結(jié)構(gòu)，采用縱波和橫波超聲波探傷，探頭在縱波探傷時置于A位置，在橫波探傷時置于B位置。普通縱波探頭置于A位置進(jìn)行探傷時，在角焊縫的根部存在一主聲束不能掃查的區(qū)域Z，以汽包筒體直徑1 790mm、母材厚度95 mm、引出管直徑φ159 mm×16 mm的角焊縫為例，計(jì)算其不可掃查區(qū)域Z為7.54mm。

 如果利用普通直探頭在A位置進(jìn)行探傷，主聲束不能掃查到根部易出現(xiàn)的未焊透缺陷，從而造成漏檢
1.2 角焊縫的缺陷波與結(jié)構(gòu)波不易區(qū)分
   由于汽包壁厚一般為85～203mm，中徑管管座的壁厚為10～22 mm，后者相對前者而言較小，其角焊縫尺寸也相對較小，在利用普通直探頭在A位置進(jìn)行探傷時，缺陷的回波聲程與底面、焊縫外表面的回波聲程相差不大，其回波不易區(qū)分。
1.3側(cè)壁效應(yīng)對探傷靈敏度的影響
    利用普通直探頭在A位置進(jìn)行探傷時,若探頭靠近開孔的邊緣，孔側(cè)邊反射的縱波和橫波與直接傳播至缺陷的聲波互相干擾。研究表明，干擾的結(jié)果改變了探頭的指向性和對稱性，靈敏度有極大值和極小值，且極大值并不在探頭的軸線上，在靠近開孔邊緣區(qū)域內(nèi)的靈敏度比無側(cè)壁效應(yīng)的區(qū)域低許多。
2  探頭的設(shè)計(jì)與選擇
  小角度縱波探頭是在普通直探頭前加一透聲楔，使其主聲束偏離探頭晶片軸線一定角度的探頭。在利用小角度縱波探頭在A位置進(jìn)行探傷時，主聲束與探頭軸線成一定的夾角，可以探測到普通探頭不能檢測的不可探區(qū)；底面和焊縫外表面的回波不能被小角度縱波探頭收到，這樣可以消除結(jié)構(gòu)波對缺陷波的影響；同時可以減少或消除側(cè)壁效應(yīng)的影響。
    利用小角度縱波探頭在A位置對角焊縫進(jìn)行掃查以后，再利用橫波斜探頭在圖1所示的B位置檢驗(yàn)中徑管管座側(cè)坡口未熔合、焊縫內(nèi)夾渣、未焊透等缺陷，這樣焊縫整個截面都能被掃查到。
2．1小角度縱波斜入射探頭入射角度的選擇
2.1.1 小角度縱波斜入射探頭入射后的波形分析
   當(dāng)超聲波以一定角度斜入射到異質(zhì)界面時會產(chǎn)生反射和折射，傳播方向遵循斯涅耳定律：
   
式中α₁——縱波入射角；
   β₁——縱波折射角；
   β₂——橫波折射角；
   c_L1——**介質(zhì)中的縱波速度；
   c_L2——**介質(zhì)中的縱波速度；
   c_s2——**介質(zhì)中的橫波速度。
   當(dāng)α₁小于**臨界角時，在鋼中將產(chǎn)生折射橫波和縱波，小角度縱波探頭正是利用折射原理獲得的。當(dāng)縱波傾斜入射后縱波和橫波的聲程差為△τ，即：

    式中，T為反射體聲程，對于小角度縱波入射，一般入射角比較小，cosβ₁≈1， cosβ₂≈1，鋼中的c_L2＝5900m/s、c_s2＝3 230 m/s。因此式(2)可變?yōu)椋?span lang="EN-US">△τ＝0.8T。對角焊縫超聲波探傷時，汽包壁超過100mm，利用小角度縱波探傷時，橫波在缺陷縱波訊號聲程后的0.8 T位置出現(xiàn)，折射橫波不會對縱波產(chǎn)生干擾。
2.1.2 小角度縱波探頭的反射聲壓
   在角焊縫探傷時，最容易出現(xiàn)未熔合和根部未焊透的現(xiàn)象。這兩種缺陷都是面積型缺陷，類似于端角反射。在利用小角度縱波探頭進(jìn)行探傷時，應(yīng)注意回波反射聲壓問題，即傾斜入射的小角度縱波在被這兩種缺陷反射后，應(yīng)有足夠的能量被探頭接收到。
    入射縱波在端角的反射系數(shù)如圖2所示，當(dāng)入射角度≤100°時，聲壓最低反射系數(shù)≥30％。因此設(shè)計(jì)入射角度時，折射角不應(yīng)超過10°。
2.1.3 小角度縱波探頭折射角的選擇
    200 MW以上機(jī)組的汽包壁厚最小為100mm，如果所設(shè)計(jì)的小角度縱波探頭主聲束能夠掃查到壁厚為100mm的汽包根部不可探區(qū)缺陷，那么，也能掃查到壁厚大于100mm的汽包根部不可探區(qū)缺陷。

    在200MW以上機(jī)組的汽包引出管中，159 mm×16mm管使用得最多。在此，以φ159 mm×16mm為例說明探頭折射角度的選擇。汽包規(guī)格選擇1 790 mm×100 mm,H為100 mm，如圖1所示。在A位置利用普通直探頭進(jìn)行探傷時，在角焊縫根部存在主聲束不能掃查的區(qū)域Z為7.54mm。如果利用小角度縱波探頭進(jìn)行探傷，其前沿l₀為10mm時，欲掃查到整個焊縫，其折射角應(yīng)為

   選擇小角度縱波探頭的折射角為9°，既滿足了根部不可查區(qū)域的掃查，又能滿足較高的聲壓反射率。為增強(qiáng)探頭的指向性，選擇探頭的頻率為5 MHz。
2.2斜探頭的選擇
    由于小角度縱波探頭在A位置對管座角焊縫進(jìn)行掃查時，對引出管座側(cè)的坡口未熔合檢驗(yàn)靈敏度較低；對于小角度縱波探頭所發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部缺陷如夾渣、氣孔需要進(jìn)行復(fù)核，在利用小角度縱波探頭在A位置進(jìn)行探傷以后，需要在圖1所示B位置利用橫波斜探頭對角焊縫進(jìn)行掃查。在利用斜探頭對角焊縫進(jìn)行探傷時，可選用普通斜探頭。
3  標(biāo)準(zhǔn)反射體的選擇與判傷標(biāo)準(zhǔn)的確定
3.1標(biāo)準(zhǔn)反射體的選擇
    小角度縱波探傷時可以采用φ2 mm平底孔作為探傷靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)反射體，斜探頭探傷時以CSK-IIIA作為標(biāo)準(zhǔn)試塊，φ1 mm×6mm短橫孔作為標(biāo)準(zhǔn)反射體。
  在利用小角度直縱波探頭進(jìn)行探傷時，如果采用平底孔作為標(biāo)準(zhǔn)反射體，要求平底孔與聲束軸線垂直，且應(yīng)包括不同聲程和不同直徑的平底孔，需要制作一系列的標(biāo)準(zhǔn)反射體試塊，不適合現(xiàn)場應(yīng)用。由于小角度直縱波探頭的主聲束和晶片軸線成一定夾角，類似于橫波斜探頭，因此可采用橫波斜探頭常采用的短橫孔來作為標(biāo)準(zhǔn)反射體。短橫孔反射體試塊的優(yōu)點(diǎn)是不同深度的短橫孔可以做成一個試塊，試塊的體積小，攜帶方便。
    在3倍近場區(qū)以外，縱波入射直徑為D_f、長為l_f的短橫孔的聲壓反射公式為：
   
   在3倍近場區(qū)以外，縱波反射面積為F_f的平底孔的聲壓反射公式為：
   
(3) 式除以（4）式得：
    
    令H_f1＝H_f2,將5MHz時縱波波長λ=1.18 mm, l_f=6mm,D_f＝1 mm代入（5)式得＝φ2.03 mm。由此可知，利用5 MHz的小角度縱波探傷時，φ1 mm×6mm的短橫孔在3倍近場區(qū)以外的聲壓反射強(qiáng)度與φ2 mm平底孔相同，因此可以用φ1 mm×6 mm的短橫孔代替φ2 mm平底孔作為標(biāo)準(zhǔn)反射體來確定探傷靈敏度。
3.2判傷標(biāo)準(zhǔn)的確定
3.2.1 點(diǎn)狀缺陷的判傷標(biāo)準(zhǔn)
    根據(jù)JB4730-1994《壓力容器無損檢測》對焊縫射線探傷的規(guī)定，點(diǎn)狀缺陷最大尺寸不能超過壁厚的一半，鍋爐汽包中徑管管座的壁厚為10～22 mm,取最薄壁厚10 mm，允許最大的氣孔尺寸為φ5mm,可以推算出其當(dāng)量為φ1×6+7dB。斜探頭采用的JB1152-1981中的判廢標(biāo)準(zhǔn)為壁厚8～15 mm，判廢當(dāng)量為φ1×6+2 dB; 壁厚15～46 mm判廢當(dāng)量為φ1×6+5 dB。與φ1×6+7 dB相比，顯然 JB 1152-1981規(guī)定的判廢標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格。利用小角度縱波探頭對角焊縫進(jìn)行探傷時可以采用JB 1152-1981規(guī)定的判廢標(biāo)準(zhǔn),這樣，采用小角度縱波探頭在A位置對角焊縫進(jìn)行掃查和利用橫波斜探頭在B位置對角焊縫進(jìn)行掃查時，可以采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)反射體和探傷靈敏度進(jìn)行探傷。探傷靈敏度見表1。

3.2.2未焊透的判傷標(biāo)準(zhǔn)
   根部未焊透類似于端角反射，不能采用以上探傷靈敏度，利用超聲波探傷方法檢驗(yàn)未焊透時宜采用對比法，在試塊上模擬未焊透缺陷。未焊透的尺寸可以參考DL/T 820-2002《管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，見表2，標(biāo)準(zhǔn)反射體采用1.5mm深的月牙槽。

    當(dāng)缺陷反射波波幅大于或等于用1.5 mm深的月牙槽的反射波幅時，以缺陷反射波幅評定；當(dāng)缺陷反射波波幅小于用1.5 mm深的月牙槽的反射波幅時，以缺陷的指示長度評定。
3.3危險性缺陷
   探傷中如檢驗(yàn)人員能判定缺陷性質(zhì)為裂紋、未熔合等危險性缺陷時，該焊接接頭為不合格接頭。
4  現(xiàn)場角焊縫超聲波探傷應(yīng)用
    馬頭發(fā)電廠^＃7爐為DG670/13.7-8，汽包壁厚為95 mm,分散降水管管座角焊縫的尺寸為φ159 mm×16 mm，飽和導(dǎo)汽管管座的規(guī)格為φ108 mm×10 mm，材質(zhì)為20G。檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)全部管座存在根部未焊透、坡口未熔合等缺陷訊號，缺陷存在于整個管座角焊縫，缺陷訊號清晰。在返修中解剖證實(shí)超聲波探傷發(fā)現(xiàn)的缺陷全部存在，最嚴(yán)重的根部未焊透、坡口未熔合、裂紋距根部已達(dá)到11mm深。缺陷產(chǎn)生的原因是由于管座角焊縫的坡口設(shè)計(jì)不合理，焊工在焊接時未進(jìn)行打底接，直接進(jìn)行了蓋面焊接。
5  結(jié)論
    a.針對汽包中徑管管座角焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用小角度縱波探頭結(jié)合橫波探頭，在對角焊縫進(jìn)行掃查時，可以將整個角焊縫截面掃查到，缺陷回波清晰，不受結(jié)構(gòu)回波的影響，減少了側(cè)壁效應(yīng)的影響，可以完成角焊縫的內(nèi)部質(zhì)量檢驗(yàn)。
    b.將小角度縱波探頭和橫波斜探頭的標(biāo)準(zhǔn)反射體與探傷靈敏度進(jìn)行了統(tǒng)一，統(tǒng)一采用1 mm×6mm短橫孔作為標(biāo)準(zhǔn)反射體，使標(biāo)準(zhǔn)反射體試塊結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶方便。
    c.實(shí)踐證明，利用小角度縱波探頭和橫波探頭對角焊縫的內(nèi)部缺陷進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)的方法具有理論正確、操作簡單、易于推廣的特點(diǎn)。