發(fā)電鍋爐主蒸汽管道與錐形管對接焊縫超聲反射波分析

宋全軒

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院 鄭州 450016)

1 前言

在對某電廠發(fā)電鍋爐（SG-1113/17.5-M881）定期檢驗中，過熱蒸汽出口管道錐形變徑管與主蒸汽管道對接焊縫，由于其位置、形狀、厚度和材料變化等特殊性，常常是定期檢驗的重點部位。其位置、形狀如圖1 所示。

圖1 左側(cè)為主蒸汽管道，對接焊道處實測外徑為568mm，壁厚為45mm，材質(zhì)為P91；右側(cè)為錐形變徑管，管徑外徑從568mm ～625mm（實測值）變化，壁厚對接處為45mm～79mm 逐漸增厚，材質(zhì)12Cr1MoV，而此處對接焊縫特殊性如下。

圖1 變徑圖片異種鋼焊接接頭實物圖

1.1 異種鋼焊接，焊接性能較差

圖1 中左側(cè)管道為美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)和燃燒工程公司共同研究開發(fā)的耐熱鋼P91，以其優(yōu)良性能應(yīng)用在電站鍋爐管道上，但其焊接性能較差，熱處理工藝也較復(fù)雜；右側(cè)為12Cr1MoV，此材料焊接條件雖然沒P91 要求的那么苛刻，但是其可焊性也是比較差的；兩種不同的可焊性都比較差的材料進(jìn)行異種鋼焊接，其焊接難度極大。

1.2 管道變徑

管道變徑處存在蒸汽沖刷及應(yīng)力集中。

1.3 壁厚變化

壁厚的變化，其薄膜應(yīng)力也發(fā)生變化，從數(shù)據(jù)可看出45mm～79mm 變化還是很大的。

2 檢測方案實施

在電站鍋爐定期內(nèi)部檢驗過程中，此處焊縫因其位置、形狀、材料及工作條件（此處蒸汽壓力為17.6MPa 即176kg/cm2，蒸汽溫度540℃）的惡劣，是定期檢驗的要點部位。在該鍋爐的首次檢驗中，也是檢驗中必檢部位，依據(jù)《鍋規(guī)》、《定檢規(guī)》和《檢驗方案》之要求，對此對接焊縫進(jìn)行了超聲波檢測和表面磁粉檢測，磁粉檢測未發(fā)現(xiàn)缺陷磁痕顯示，但在超聲波檢測中出現(xiàn)了使檢測人員困惑的反射波現(xiàn)象。

儀器型號：CTS-2020 數(shù)字超聲波檢測儀

探頭：2.5P13×13 K2， 2.5P9×9 K2.5，

2.5P13×13 K1， 2.5P20。

工件規(guī)格如圖2 所示。

圖2 工件規(guī)格圖

1） 首 先 用K2（ 實 測 角 度64.1 °， 前 沿L=13mm）在焊縫單面雙側(cè)進(jìn)行了掃描（A 面為變徑管錐形面，B 面為主蒸汽管道平面如圖2 所示）：

（1）在B 面的掃查中未發(fā)現(xiàn)可記錄波形顯示。

（2）在A 面掃查出現(xiàn)了兩處發(fā)射波高在Ⅲ區(qū)的波形顯示，1 號處出現(xiàn)在從A 面看8 ～9 點鐘方位，長度約15mm，顯示深度在38.4mm，距B 面焊縫邊緣約6mm；2 號處出現(xiàn)在10 ～11 點鐘方向，長度37mm，顯示深度36.7mm，距B 面焊縫邊緣約11mm。

2）為了確定該兩處反射波的性質(zhì)，根據(jù)其出現(xiàn)的位置在焊縫下部，深度較深，選用2.5P13×13 K1（實測為45.6°，前沿L=12mm)，對該焊縫進(jìn)行了雙側(cè)掃查，掃查結(jié)果：

（1）在A 面掃查未發(fā)現(xiàn)可記錄波形顯示；

（2）B 面掃查在上處兩位置出現(xiàn)了發(fā)射波：

1 號位顯示深度在44.5mm，2 號位顯示深度在42.4mm。

3）針對以上現(xiàn)象現(xiàn)場檢測人員產(chǎn)生了困惑。

（1）1、2 號位置顯示的可記錄波是不是缺陷波。

（2）兩種探頭各只是一邊出現(xiàn)波形顯示，另一邊卻沒有。

（3）兩種探頭反射波在工件同一水平位置出現(xiàn)，而其顯示深度不同，是否同一反射體產(chǎn)生。

3 可記錄反射波的驗證與分析

3.1 驗證

使用2.5P9×9 K2.5 探頭（實測值67.9°，前沿L=9mm）對該焊縫進(jìn)行雙側(cè)掃查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在B 側(cè)沒有可記錄波出現(xiàn)，在A 側(cè)發(fā)現(xiàn)1 號反射波顯示深度為38.5mm，2 號顯示深度在36.8mm 處。

由于設(shè)備調(diào)節(jié)的誤差及工件聲速的變化使這些誤差是完全可以接受的，即在誤差范圍內(nèi)。說明在A側(cè)使用K2.5 與K2 探頭掃查時反射波出現(xiàn)的位置無論在水平還是深度方面都是一致的，為同一反射體產(chǎn)生的。

3.2 理論分析

從檢測結(jié)果分析，1 號位K2、K2.5 顯示深度在38.5mm 處，K1 顯示在44.5mm 處，二者相差6.0mm；2 號位K2、K2.5 顯示深度在36.7mm 處，K1 顯示在42.4mm 處，二者相差6.7mm；可知超聲波儀器顯示的反射波深度值相差是很大的。

●3.2.1 理論推導(dǎo)

假定在S 處存在反射體，在B 面檢測時，由于兩面是平行的，S 處儀器顯現(xiàn)的反射波深度是實際的距探傷表面深度，二者是一致的，是真實的距檢測面的深度值；但是在A 面檢測時，儀器顯示的反射波深度卻不是實際距檢測面的深度值，二者是有差距的，其真實的距檢測面深度H，如圖3 所示。

圖3 管道環(huán)焊縫縱截面圖

根據(jù)K 值的含義和三角定律有：其中H4為儀器上反射波顯示深度值，α 為A 面傾斜角度，b1為S 距A 面焊縫邊緣距離，a 為A 面與B 面對接時在A 面測出的平行面寬度，如圖8 所示。

經(jīng)推導(dǎo)在A 面檢測時反射波距檢測面的實際深度應(yīng)為：

●3.2.2 實際深度修正

在A 面檢測時對1、2 號反射波顯示的實際深度進(jìn)行修正：

把 1 號 處 已 知 數(shù) 據(jù)H4=38.5mm，a=20mm，b1=30-6=24mm，α=8°代入式（5)得H=45mm。

把2 號處已知數(shù)據(jù)H4=36.7mm，a=20mm，b1=30-11=19mm，α=8°代入式（5）得H=42.5mm。

●3.2.3 對比分析

1 號在A 面檢測時，反射波的實際深度為：45mm，在B 面反射波深度為44.5mm。

2 號 在A 面 檢 測 時， 反 射 波 的 實 際 深 度為：42.5mm，在B 面反射波深度為42.4mm。

由于設(shè)備調(diào)節(jié)和聲速變化的影響，這點誤差是完全可以接受的，可見三種探頭進(jìn)行掃查所出現(xiàn)的反射波應(yīng)是同一位置發(fā)出的。

4 單側(cè)出現(xiàn)反射波的分析

超聲波是有方向性的，反射波的幅度受反射體方向的影響極大，反射體方向和波束的方向接近平行時，幾乎沒有反射。

對于K1 探頭在A 面為什么沒有反射波，從下列計算可知（以2 號為例）K1 探頭一次波檢測到的最小深度為：

而對接處厚度只有45mm；56mm＞45mm，由此可見K1 在A 面掃查時，其波束是掃查不到2 號反射體的，當(dāng)然也就沒有2 號反射波出現(xiàn)了；1 號反射體位置距A 面焊縫邊緣更遠(yuǎn)（b1更大)，K1 探頭所需的最小深度更深，當(dāng)然更不會有反射波出現(xiàn)了。

5 缺陷反射體的判定及驗證

5.1 缺陷反射體的判定

由于板厚度為45mm，而1 號出現(xiàn)在45mm，經(jīng)判斷應(yīng)為底面棱角發(fā)射；而2 號處應(yīng)為缺陷反射體造成的顯示。

5.2 缺陷反射體的驗證

把1、2 號處表面焊縫磨平，使用2.5P20 直探頭進(jìn)行掃查，發(fā)現(xiàn)在2 號處出現(xiàn)了雙峰顯示。

前峰在41.9mm 處，由于波速的差異和儀器、探頭綜合性能及調(diào)整的誤差，41.9mm、42.4mm、42.5mm 之間的誤差是可以接受的，則可認(rèn)為是同一發(fā)射體形成的反射波。1 號處則無雙峰出現(xiàn)，只出現(xiàn)底面發(fā)射波。進(jìn)一步說明2 號為缺陷反射波，1 號則不是。

6 結(jié)束語

1）推導(dǎo)出的公式 H=H4/cosα+(a+b1)tanα 具有普遍意義，適用于各種角度的錐形面掃查情況。

2）在超聲波檢測中，不但應(yīng)使用多種K 值探頭進(jìn)行掃查， 還必須根據(jù)工件的形狀進(jìn)行波形定位分析，已確保對反射體的正確判定。

[1]鄭輝，林樹青.超聲檢驗測[M].北京:中國勞動保障出版社，2010.

[2]日本學(xué)術(shù)振興會制鋼第十九委員會編.超聲探傷法[M].李靖，馬羽寬，蔡清，等.廣州：廣東科技出版社出版，1981.