電站鍋爐環(huán)向?qū)雍附咏宇^內(nèi)表面倒角異常回波實(shí)驗(yàn)分析

劉 濤 萬本例 趙加星

（中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

電站鍋爐環(huán)向?qū)雍附咏宇^內(nèi)表面倒角異常回波實(shí)驗(yàn)分析

劉 濤 萬本例 趙加星

（中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

為了保證組對(duì)和焊接質(zhì)量，超臨界電站鍋爐集箱和管道的環(huán)向?qū)雍附咏宇^需要在內(nèi)表面進(jìn)行削薄倒角處理。現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)超聲波檢測(cè)時(shí)，個(gè)別情況下在倒角對(duì)應(yīng)厚度之前會(huì)出現(xiàn)倒角異常回波，較易造成檢測(cè)人員的誤判。通過模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，加工不同角度的倒角試塊，并進(jìn)行常規(guī)超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比和計(jì)算，結(jié)果表明：異常倒角回波是超聲波主聲束軸線下方擴(kuò)散聲波傳播到內(nèi)表面倒角斜面時(shí)產(chǎn)生幾何反射，且?guī)缀畏瓷錆M足橫波斜入射角度＜10°時(shí)，特別是擴(kuò)散聲波在斜面處橫波斜入射角接近0°時(shí)產(chǎn)生。

倒角 常規(guī)超聲波檢測(cè) 入射角 主聲束 擴(kuò)散聲波

超臨界電站鍋爐制造和現(xiàn)場(chǎng)安裝的對(duì)接環(huán)向焊接接頭由于厚度較厚、管徑相對(duì)較小的原因，不能滿足射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求，各檢測(cè)和檢驗(yàn)單位一般采用常規(guī)超聲波檢測(cè)。由于鍋爐結(jié)構(gòu)的原因，集箱和管道的連接多通過三通和彎頭實(shí)現(xiàn)，連接部位處存在厚度和內(nèi)徑的偏差，為了避免內(nèi)表面錯(cuò)邊，保證組對(duì)和焊接質(zhì)量，在內(nèi)表面進(jìn)行車圓找正，對(duì)不等厚部位進(jìn)行削薄處理，削出一定斜率的斜面，并加工一定尺寸的平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱內(nèi)表面倒角）。雖然《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[1]和《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》[2]對(duì)內(nèi)表面倒角斜率或角度有相應(yīng)的規(guī)定，但通過多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面倒角角度不盡相同，且個(gè)別情況下倒角角度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)的要求，如某安裝現(xiàn)場(chǎng)的主蒸汽管道彎頭，見圖1，經(jīng)幾何尺寸測(cè)量后計(jì)算倒角角度為47.6°，見圖2。常規(guī)超聲波探傷多為脈沖反射式檢測(cè)方式，常規(guī)脈沖反射式超聲波探傷儀接收的信號(hào)包含了一定聲束的所有反射信號(hào)，既有缺陷信號(hào)，也有內(nèi)表面倒角處回波信號(hào)或其他信號(hào)[3]。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

圖2 焊接接頭尺寸(mm)

1 內(nèi)表面倒角回波介紹

對(duì)多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的超臨界電站鍋爐集箱和管道的環(huán)向焊接接頭進(jìn)行常規(guī)超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面倒角處回波主要有以下三種情況：一是內(nèi)表面倒角的反射回波，見圖3(a)；二是內(nèi)表面倒角處的變形回波，見圖3(b)；三是個(gè)別情況下內(nèi)表面倒角異常回波，見圖3(c)，該回波顯示在倒角處對(duì)應(yīng)厚度之前，且該信號(hào)有一定的波幅高度，個(gè)別情況下超過定量線，如果探傷人員誤判該回波將會(huì)造成不必要的返修。

內(nèi)表面倒角處反射回波可以通過回波顯示深度與實(shí)測(cè)厚度的比較進(jìn)行判定；內(nèi)表面倒角處的變形回波（類似于“山形回波”），可以通過回波的顯示特點(diǎn)及相對(duì)位置并結(jié)合外表面蘸油敲打波高是否變化進(jìn)行判定[3-4]；內(nèi)表面倒角異常回波出現(xiàn)在倒角處對(duì)應(yīng)厚度之前，當(dāng)焊縫寬度較寬或倒角處加工平臺(tái)尺寸較小時(shí)，該倒角反射回波會(huì)顯示在直射波對(duì)應(yīng)的焊縫厚度區(qū)域內(nèi)，且該信號(hào)有一定的波幅高度，個(gè)別情況下超過定量線，如果探傷人員誤判該回波將會(huì)造成不必要的返修。因此有必要通過模擬現(xiàn)場(chǎng)條件制作試塊，重點(diǎn)分析出現(xiàn)在倒角處對(duì)應(yīng)厚度之前的倒角異常回波產(chǎn)生原因及規(guī)律，以期指導(dǎo)檢測(cè)人員識(shí)別該異常回波。

圖3 內(nèi)表面倒角回波

2 內(nèi)表面倒角試塊設(shè)計(jì)及制作

依據(jù)《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》及鍋爐廠設(shè)計(jì)圖紙并參考現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并制作了3種不同內(nèi)表面倒角試塊。第一種P91板板焊接試塊，下表面加工倒角角度一側(cè)為12°，另一側(cè)為15°，焊縫不同位置處設(shè)置了φ2×50mm的長(zhǎng)橫孔；第二種為3個(gè)碳鋼試塊，厚度d分別為50mm、75mm、100mm，試塊長(zhǎng)L分別為300mm、400mm、400mm，寬W均為100mm，下表面倒角平臺(tái)長(zhǎng)度l為60mm，倒角角度θ1為20°，θ2為30°，試塊的設(shè)計(jì)如圖4(b)所示；第三種2個(gè)P91材質(zhì)對(duì)比試塊，試塊長(zhǎng)L均為300mm，寬W均為100mm，厚d1分別為60mm、30mm，d2分別為55mm、40mm，l1、l2均為50mm，下表面加工倒角角度θ1為30°、45°，θ2為45°、30°，試塊設(shè)計(jì)參數(shù)如圖4(c)所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)對(duì)比試塊

3 模擬試塊常規(guī)超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用HS620超聲波探傷儀，依據(jù)DL/T 820標(biāo)準(zhǔn)，分別在碳鋼和P91材質(zhì)的RB-3試塊上制作2.5P13×13K1、2.5P13×13K1.5、2.5P13×13K2、2.5P8×12K1、2.5P9×9K1.5、2.5P9×9K2探頭的距離波幅曲線，6個(gè)探頭分別在以上三種模擬試塊上掃查，存儲(chǔ)和記錄相應(yīng)波形。

在P91板板焊接試塊倒角角度為12°和15°的試塊上掃查，未發(fā)現(xiàn)倒角反射回波信號(hào)，說明倒角角度小于15°時(shí)，內(nèi)表面倒角不影響常規(guī)超聲波探傷。

在厚度50mm、75mm、100mm碳鋼試塊，倒角角度為20°和30°的試塊上掃查，均能發(fā)現(xiàn)倒角反射回波，部分情況下也能發(fā)現(xiàn)倒角變形回波。倒角 20°的倒角反射回波高度普遍在評(píng)定線以下；倒角30°倒角反射回波高度普遍在定量線和判廢線之間，個(gè)別倒角反射回波高度超過判廢線；倒角變形回波（類似于“山形回波”）高度經(jīng)常超過判廢線。檢測(cè)人員通過回波出現(xiàn)的位置和波形特征可以判斷以上回波為倒角結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。

在厚度50mm、75mm的P91材質(zhì)對(duì)比試塊，倒角角度為30°和45°的試塊上掃查。厚度75mm時(shí)，2.5P13×13K1.5、2.5P9×9K1.5和2.5P13×13K2、2.5P9×9K2探頭在內(nèi)倒角45°時(shí)均發(fā)現(xiàn)倒角異常回波，見圖5。從圖5參數(shù)內(nèi)容可知異常回波顯示的深度位置與倒角處對(duì)應(yīng)的厚度55mm有明顯的偏差，且隨著K值的增加，偏差越大，異常回波高度減小。檢測(cè)人員單純通過回波位置和高度的判別上極易將標(biāo)稱K值為1.5時(shí)的倒角處異常回波作為缺陷回波處理。

圖5 檢測(cè)信號(hào)（括號(hào)內(nèi)為實(shí)測(cè)K值）

4 倒角異常回波理論分析及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算

4.1 倒角異常回波理論分析

常規(guī)脈沖反射式超聲波探傷儀接收的信號(hào)包含了一定聲束的所有反射信號(hào)。既有缺陷信號(hào)，也有內(nèi)表面倒角處及其他回波信號(hào)。個(gè)別條件下，主聲束軸線下方擴(kuò)散聲波傳播到內(nèi)表面倒角斜面時(shí)產(chǎn)生幾何反射，見圖6。當(dāng)幾何反射同時(shí)滿足圖7橫波斜入射角度小于10°時(shí)，特別是擴(kuò)散聲波在下擴(kuò)散角范圍及附近，擴(kuò)散聲波在斜面處橫波斜入射角接近0°時(shí)，橫波反射回波信號(hào)會(huì)很高，探頭也能接收到該回波。常規(guī)脈沖反射超聲波探傷儀接收倒角斜面反射回波，將該信號(hào)以主聲速軸線上橫波傳播的時(shí)間顯示在顯示屏上，即倒角回波出現(xiàn)在倒角處對(duì)應(yīng)厚度之前，當(dāng)?shù)菇腔夭ǔ霈F(xiàn)的位置與試塊倒角處對(duì)應(yīng)厚度偏差較大時(shí)，檢測(cè)人員容易將異常倒角回波作為缺陷信號(hào)進(jìn)行評(píng)定。

圖6 超聲聲束檢測(cè)示意圖

圖7 橫波S斜入射到鋼/空氣界面

依據(jù)圖6，可知在一定厚度范圍內(nèi)，隨著檢測(cè)工件厚度的增大，出現(xiàn)異常倒角回波的可能增大；相同晶片大小的探頭，隨著K值的增大，出現(xiàn)異常倒角回波的可能增大（與實(shí)際厚度偏差大）。試驗(yàn)中僅發(fā)現(xiàn)了圖5中的倒角異常回波，且回波高度不盡相同。主要原因：一是異常倒角回波顯示的位置和倒角對(duì)應(yīng)的厚度偏差較大時(shí)方能引起檢測(cè)人員重視，二是擴(kuò)散聲波在下擴(kuò)散角范圍之內(nèi)或附近（下擴(kuò)散角與K值、晶片大小有關(guān)，見表1），有一定的聲波強(qiáng)度，倒角異常反射回波才能超過定量。

表1 不同探頭上、下擴(kuò)散角統(tǒng)計(jì)表

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算

筆者對(duì)圖5(b)倒角異常回波進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算。實(shí)驗(yàn)條件：探頭2.5P9×9K1.5，實(shí)測(cè)K=1.54，前沿8mm，探頭前部到試塊右端距離l=109mm，可知入射點(diǎn)至試塊右端117mm，假定擴(kuò)散聲波在斜面處橫波斜入射角接近0°，即垂直斜面，依據(jù)上述參數(shù)繪制回波計(jì)算分析圖，見圖8。

圖8 75mm厚度試塊回波計(jì)算分析圖

根據(jù)光的反射原理及幾何原理，又K =1.54，折射角θ = arctan(K) = 57°，DE = 47mm，OD = 75mm，可得，

驗(yàn)偏差小于1mm，此外對(duì)圖5(a)、圖5(c)、圖5(d)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，與實(shí)驗(yàn)偏差分別為1.3mm、3.6mm 和2.5mm。以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果與理論分析是一致的，由此得出，異常倒角回波是特殊情況下主聲束軸線下方擴(kuò)散聲波垂直或者接近垂直斜面引起的。

5 倒角異常回波的特點(diǎn)及識(shí)別

通過倒角異常回波產(chǎn)生的理論分析和模擬內(nèi)倒角試塊的常規(guī)超聲波實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知倒角異常回波有以下特點(diǎn)：

1) 在一定厚度范圍內(nèi)，隨著檢測(cè)工件厚度的增大，出現(xiàn)異常倒角回波的可能增大；相同晶片大小的探頭，隨著K值的增大，出現(xiàn)異常倒角回波的可能增大。

2) 通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，倒角異常回波出現(xiàn)的位置和探頭與倒角下邊沿處水平位置、K值、倒角處對(duì)應(yīng)的厚度相關(guān)；倒角異常回波高度與擴(kuò)散聲波處聲強(qiáng)及橫波斜入射角度相關(guān)，相同K值的探頭，晶片大小不同，倒角異常回波高度存在一定的差異。

根據(jù)以上倒角異常回波的特點(diǎn)，檢測(cè)或檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)可以通過更換探頭K值、晶片尺寸的大小，觀察倒角異常回波位置和高度的變化差異來判定回波是否為倒角異常回波，此外還可以借助TOFD、相控陣檢測(cè)[5]的圖像顯示回波的位置來判定，從而避免倒角回波的誤判造成不必要的返修。

[1] TSG G0001—2012 鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S]．

[2] DLT 869—2012 火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程[S]．

[3] 鄭暉，林樹青．超聲檢測(cè)[M]．北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008：1-364．

[4] 農(nóng)金龍，陳業(yè)漢．帶內(nèi)加工倒角鋼管對(duì)接焊接接頭超聲波檢測(cè)[J]．中國特種設(shè)備安全，2011，27(8)：27-30．

[5] 蒙殿武，馬君鵬，張俊，等．管道不規(guī)則接頭內(nèi)外斜臺(tái)對(duì)相控陣超聲檢測(cè)的影響[J]．無損檢測(cè)，2015，37(11)：78-83．

Experimental Analysis of Abnormal Chamfering Echo of Circumferential Butt Welding Joint in Power Station Boiler

Liu Tao Wan Benli Zhao Jiaxing
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

In order to guarantee the quality of circumferential butt welding joint in header and pipeline of supercritical power boiler, cutting and chamfering are used in the internal surface. During the conventional ultrasonic testing, sometimes an abnormal echo occurs before the thickness of cutting and chamfering, this situation may cause misjudgment. In this paper, several chamfer blocks with different angles were processed according to field situation; data comparison and calculation were conducted in conventional ultrasonic testing. The results show, abnormal chamfering echo is the geometric reflection coming from sound waves of lower diffusion angle edge of the ultrasonic main beam spread to the inner surface chamfering. And the geometric reflection meets incidence angle of shear wave is less than10°, especially closes to 0°.

Chamfering Conventional ultrasonic testing Angle of incidence Main beam Sound waves of lower diffusion

X924

B

1673-257X(2017)04-0067-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.04.015

劉濤(1973～)，男，本科，工程師，從事超（超）臨界電站鍋爐檢驗(yàn)技術(shù)和缺陷研究工作。

2016-12-28）