超聲無損檢測在壓力容器焊縫檢測中的應(yīng)用

袁曙斌，曾琢鋼

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

超聲無損檢測在壓力容器焊縫檢測中的應(yīng)用

袁曙斌，曾琢鋼

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

摘要：無損檢測技術(shù)（簡稱NDT），又稱非破壞檢查技術(shù)或非破壞性檢測，具有對檢測對象無損傷、檢測范圍廣、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點。超聲波無損檢測是無損檢測技術(shù)中最為常用的一種。本文重點探討了超聲無損檢測技術(shù)在壓力容器焊縫檢測中的應(yīng)用，并分析了其中存在的問題及可行的解決辦法。

關(guān)鍵詞：無損檢測；超聲無損檢測；壓力容器；焊縫檢測

0　引言

作為五大常規(guī)無損檢測技術(shù)之一，超聲無損檢測對缺陷定量評價精準(zhǔn)迅速，現(xiàn)場檢查攜帶方便、自動化程度高，這些優(yōu)點使超聲無損檢測技術(shù)成為目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高且發(fā)展較快的一種無損檢測技術(shù)。超聲檢測適用于板材、復(fù)合板材、碳鋼和低合金鋼鍛件、管材、棒材、奧氏體不銹鋼鍛件等鍋爐、壓力容器及壓力管道原材料和零部件的檢測；也適用于鍋爐、壓力容器及壓力管道對接焊縫、T型焊縫、角焊縫以及堆焊層等的檢測。本文以凌津灘電廠壓油槽焊縫檢測為例進行分析，介紹了超聲波檢測技術(shù)在壓力容器焊縫檢測中的應(yīng)用。

1　相關(guān)概念

1.1超聲波檢測的定義

通過超聲波與試件相互作用，就反射、透射和散射的波進行研究，對試件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測和表征，進而對其特定應(yīng)用性進行評價。

1.2超聲波檢測工作的原理

基于超聲波在試件中的傳播特性，從以下幾個步驟來闡述其工作原理，見圖1。

1.2.1聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定的方式使超聲波進入試件；

1.2.2超聲波在試件中傳播并與試件材料以及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特征被改變；

1.2.3改變后的超聲波通過檢測設(shè)備被接收，并可對其進行處理和分析；

1.2.4根據(jù)接收的超聲波的特征，評估試件本身及其內(nèi)部是否存在缺陷及缺陷的特性。

圖1　超聲波檢測工作原理圖

1.3超聲波檢測的優(yōu)點

1.3.1適用于金屬、非金屬和復(fù)合材料等多種制件的無損檢測；

1.3.2穿透能力強，可對較大厚度范圍內(nèi)的試件內(nèi)部缺陷進行檢測。如對金屬材料，可檢測厚度為1～2mm的薄壁管材和板材，也可檢測幾米長的鋼鍛件；

1.3.3缺陷定位較準(zhǔn)確；

1.3.4對面積型缺陷的檢出率較高；

1.3.5靈敏度高，可檢測試件內(nèi)部尺寸很小的缺陷；

1.3.6檢測成本低、速度快，設(shè)備輕便，對人體及環(huán)境無害，現(xiàn)場使用較方便。

1.4超聲波檢測的局限性

1.4.1對試件中的缺陷進行精確的定性、定量仍須作深入研究；

1.4.2對具有復(fù)雜形狀或不規(guī)則外形的試件進行超聲檢測有困難；

1.4.3缺陷的位置、取向和形狀對檢測結(jié)果有一定影響；

1.4.4材質(zhì)、晶粒度等對檢測有較大影響；

1.4.5以常用的手工A型脈沖反射法檢測時結(jié)果顯示不直觀，且檢測結(jié)果無直接見證記錄。

1.5超聲檢測的適用范圍

1.5.1從檢測對象的材料來說，可用于金屬、非金屬和復(fù)合材料；

1.5.2從檢測對象的制造工藝來說，可用于鍛件、鑄件、焊接件、膠結(jié)件等；

1.5.3從檢測對象的形狀來說，可用于板材、棒材、管材等；

1.5.4從檢測對象的尺寸來說，厚度可小至1mm，也可大至幾米；

1.5.5從缺陷部位來說，既可以是表面缺陷，也可以是內(nèi)部缺陷。

2　超聲無損檢測技術(shù)在壓力容器焊縫檢測中的應(yīng)用

一般的焊縫內(nèi)常見的缺陷有：氣孔、夾渣、未焊透、未熔合和裂紋等。到目前為止，超聲波檢測還沒有一個成熟的方法對缺陷的性質(zhì)進行準(zhǔn)確的評判，只是根據(jù)熒光屏上得到的缺陷波的形狀和反射波高度的變化，結(jié)合缺陷的位置和焊接工藝，對缺陷進行綜合估判。而在實際檢測中，壓力容器各種缺陷如裂紋，急需處理。其他存在的缺陷運行一段時間后已經(jīng)基本上處于穩(wěn)定，可以采取保守的處理方式就是監(jiān)控其運行，在條件允許的情況下，再處理。

2.1壓力容器焊縫裂紋的形式特征

針對壓力容器焊縫的裂紋缺陷形式，一般分為壓力容器外表面裂紋、內(nèi)表面裂紋以及壓力容器壁內(nèi)部裂紋缺陷。

2.1.1外表面裂紋，主要發(fā)生在壓力容器焊縫應(yīng)力最為集中或焊接缺陷的部位表面。最初為微小裂紋，在周期應(yīng)力的不斷作用下微小裂紋會不斷向內(nèi)部擴展，最終發(fā)展成為裂縫導(dǎo)致泄漏事故的發(fā)生；

2.1.2內(nèi)表面裂紋，與外表面裂紋類似，通常發(fā)生在壓力容器焊縫應(yīng)力最為集中或焊接缺陷的部位表面。在外部周期應(yīng)力的作用下會不斷擴展，導(dǎo)致泄漏事故的發(fā)生；

2.1.3壓力容器壁內(nèi)部裂紋，主要指由于壓力容器板材本身內(nèi)部含有雜質(zhì)或由于焊接過程中在焊縫部位內(nèi)部產(chǎn)生過大應(yīng)力，使得該部位的結(jié)構(gòu)性能變差。外部壓縮機的振動作用于該部位使其產(chǎn)生疲勞裂紋；2.1.4在現(xiàn)場調(diào)查中了解到，由于壓力容器在制造過程中對于選材的要求較為嚴(yán)格，一般不會出現(xiàn)單獨的內(nèi)部裂紋。目前觀察到的大部分存在缺陷的壓力容器，其裂紋缺陷均發(fā)生在表面，有些會發(fā)展延伸至容器壁內(nèi)部。由于檢測方法的不得當(dāng)，許多裂紋缺陷只有在發(fā)生明顯的泄漏事故后才得以發(fā)現(xiàn)。

2.2超聲檢測的一般過程

超聲檢測一般分6個步驟進行：

2.2.1準(zhǔn)備階段，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定來選擇檢測時機；確保檢測面的被檢部分能得到充分檢查；去除影響超聲檢測效果的因素，一般是將焊縫表面及周邊打磨光滑，能見到金屬光澤；

2.2.2檢查探頭，探頭的掃查覆蓋率應(yīng)大于探頭直徑15%，以盡可能地掃查到工件的整個被查區(qū)域；

2.2.3探頭的掃查速度應(yīng)保持在150mm/s以內(nèi)，但如果采用自動報警裝置則省去這一環(huán)節(jié)的工作；

2.2.4對靈敏度進行掃查，應(yīng)不得低于基準(zhǔn)靈敏度；

2.2.5選用機油、甘油等透生性好且安全的耦合劑；

2.2.6靈敏度補償。

2.3掃查探測和缺陷判別

2.3.1一般采用鋸齒型掃查方式在焊縫的兩側(cè)進行掃查，掃查齒距應(yīng)小于晶片寬度的1/2。如有缺陷回波顯示則前后左右進行轉(zhuǎn)動，環(huán)繞缺陷對其進行準(zhǔn)確定位、定量和定性。利用二次波對焊縫上部缺陷進行探測，利用一次波和三次波對焊縫下部缺陷進行探測。通常裂紋缺陷波在探傷儀熒光屏上的顯示回波高度較大、波幅寬，會出現(xiàn)多峰。探頭平移時，反射波連續(xù)出現(xiàn)波幅有變動；探頭轉(zhuǎn)動時，波峰有上下錯動現(xiàn)象。

2.3.2缺陷位置的判定：

（1）若壁厚小于15mm，以缺陷的水平距離位置判別缺陷。見表1：

表1　缺陷的水平距離位置判別缺陷

（2）若壁厚大于15mm，按照常規(guī)的中厚板對接焊縫探傷方法進行缺陷判定。

（3）如果L≤LF≤L+a／2，則缺陷在靠近探頭側(cè)，如果L+a／2≤LF≤L+a，則在遠離探頭側(cè)的焊縫中。如果LF≤L或者LF≥L+a，則缺陷沒有在焊縫中，而可能是熱影響區(qū)的裂紋。其中：L是入射點到焊縫邊緣的距離；LF是缺陷的長度；a表示焊縫的寬度。

2.3.3在檢測過程中應(yīng)注意的問題：

（1）為了減少厚度小于8mm的薄壁的幾何形狀對超聲波的影響，提高檢測準(zhǔn)確率，要求探頭前沿距離小，k值適當(dāng)取大。

（2）對于薄壁管，盡量選用高頻大k值短前沿小徑管探頭，有利于減少探測時上下管壁的幾何反射波，有利于提高超聲波的指向性。采用單面雙側(cè)一、二次波和三次波。這樣是為了更有效地發(fā)現(xiàn)和檢出缺陷。

2.4凌津灘電廠1號機壓油槽人孔門焊縫超聲無損

檢測實例

一臺設(shè)備的健康狀況與其工作環(huán)境、焊縫質(zhì)量、材質(zhì)、運行時間及受力情況有著十分重要的聯(lián)系，在分析壓力容器焊縫缺陷時，應(yīng)綜合加以考慮。

下面以2014年3月對凌津灘電廠1號機組壓油槽人孔門焊縫檢測實例加以介紹，基本情況如下：2.4.1壓力容器的材質(zhì)：常用的材料有20R、16MnR、15MnVR、15MnVNR以及18MnMoNbR鋼板等。不同壓力容器的材質(zhì)可能會有差異。凌津灘電廠2號機組壓油槽的材質(zhì)為SA-516，SA516屬于中、低溫壓力容器用碳鋼板，執(zhí)行ASME標(biāo)準(zhǔn)，與國內(nèi)16MnR接近。

2.4.2壓力容器的壁厚：凌津灘電廠1號機組壓油槽的壁厚為48mm（大于46mm），探頭K值選擇2.0～1.0。

2.4.3焊縫的坡口形式：常見的坡口形式有K型、V型、U型、X型等，了解坡口形式有利于檢測過程中對缺陷的判斷。凌津灘電廠2號機組壓油槽人孔門焊縫的坡口形式為K型坡口。

2.4.4檢測區(qū)域的表面打磨光滑，露出金屬光澤。其寬度應(yīng)該達到4倍板厚。

2.4.5根據(jù)JB/T4730-2005規(guī)程，選擇K=2.0與K=1. 5兩種探頭；探傷靈敏度為φ1×6-6db,按B級檢測級別進行檢測。探傷位置的示意圖如圖2所示。

（1）檢測結(jié)果

1號機組壓油槽人孔門內(nèi)側(cè)焊縫12點鐘方向長度為760mm，最大當(dāng)量φ1×6+4.3db，深度為16mm；7點方向長度100mm，最大當(dāng)量φ1×6+2.8db，深度為11mm；5點方向長度100mm，最大當(dāng)量φ1× 6-1db，深度10mm；6點方向長度為50mm，最大當(dāng)量φ1×6-2.3db，深度9.6mm。均定性為裂紋。

圖2　壓油槽檢測示意圖

（2）原因分析

壓油槽人孔門角焊縫存在雙面焊根部未焊透，不符合GB150-1998附錄J對焊接結(jié)構(gòu)要求，造成人孔門角焊縫位置承載厚度達不到要求；隨運行時間久，壓力變化等因素，使其產(chǎn)生裂紋。

3　結(jié)論

超聲無損檢測技術(shù)對人體無害、攜帶方便，并且在判斷面積型缺陷等方面優(yōu)于射線檢測。但在缺陷定性方面還得多取決于檢測者的綜合能力及加以其它無損檢測方法。在以后的發(fā)展中，超聲無損檢測技術(shù)應(yīng)盡量實現(xiàn)自動化和智能化，如超聲波相控陣技術(shù)，通過相控陣控制實現(xiàn)超聲波能量在指定位置處的聚焦，而達到缺陷檢測成像目的。

在以后的工作當(dāng)中，我們應(yīng)不斷加強對檢驗技術(shù)和方法的研究，不斷提高其應(yīng)用水平，促進壓力容器設(shè)備檢驗工作的發(fā)展，望各位同仁及專家提出寶貴建議。

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中圖分類號：TH49

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）08-0042-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.012

收稿日期：2015-05-04

作者簡介：袁曙斌（1978-），男，助理工程師，從事無損檢測工作。