700℃超超臨界火電機組無損檢測方法初探

摘 要：本文對火電機組目前采用的無損檢測技術的種類進行簡單闡述，結合發展計劃對將來無損檢測帶來的影響進行分析，提出無損檢測技術在將來實際應用過程中發生哪些變化，各種檢測方法的適用性和局限性，以及新材料的大量使用給無損檢測技術帶來的變化和影響。

關鍵詞：奧氏體不銹鋼；焊縫；檢測；700℃超超臨界

我國火電機組的主蒸汽參數不斷提高，蒸汽壓力從低壓、中壓、高壓、超高壓，不斷提升到亞臨界、超臨界，并一躍成為世界上超超臨界機組最多的國家，在節能、減排、低碳、提效的大背景下，700℃以上高效超超臨界機組的研究是當今火電機組的發展方向，我國在2010年也開展了高效超超臨界機組的研究工作。

高效超超臨界研究的核心在于耐高溫材料的研發和應用，這也是當今世界需要解決共性問題。目前火電機組用鋼主要分為鐵素體鋼和奧氏體鋼兩大類，由于低合金鐵素體耐熱鋼的應用受到抗高溫氧化性能的限制，對于700℃以上的選材，世界研究的方向為抗蒸汽氧化、耐高溫性能更好的新型奧氏體鋼和高溫鎳基合金。電站設備材料的變化也將給焊接工藝及無損檢測方法帶來改變。

1 電站設備常規無損檢測

用于電站設備安裝過程中質量監檢和在役設備使用過程中的定期檢驗的常規檢測方法有：磁粉、滲透、射線和超聲波檢測。粉檢測廣泛用于電站鍋爐集箱、壓力管道、大型鑄、鍛件、葉片等鐵磁性材料檢測；滲透檢測用在非鐵磁性材料表面檢測，如發電機護環、風葉，軸瓦巴氏合金層等；受熱面管及薄壁管道焊縫大多采用射線檢測；超聲波檢測可用于集箱和管道焊縫、軸瓦、軸頸、螺栓、葉片等部件的檢測。無損檢測在電站設備安裝監檢和金屬監督中發揮重大作用，為設備安全穩定運行提供重要保障。

任何一種進行檢測方法都有一定的局限性，在對某一工件進行無損檢測的檢測時，要會根據實際的情況對檢測方法進行合理的組配，是檢測盲區減小或消除以達到工件百分百檢測。例如對于管道或集箱對接焊縫進行檢測，通常表面缺陷優先選用磁粉探傷方法進行檢測，對于內部埋藏缺陷的檢測使用超聲波探傷。

2 材料變化對檢測方法的影響

參數的提高，傳統的9-12%Cr耐熱鋼的高溫性能已經不能滿足要求，集箱、主汽、再熱管道、汽缸、閥殼、高溫螺栓等用材由有磁性的鐵素體鋼變為無磁性的新型奧氏體耐熱鋼和鎳基合金（見下表），表面檢測只能選擇滲透檢測。參數提高帶來另一個變化就是厚壁增加，X射線對厚壁工件檢測效率極其低下甚至不能照透，而源檢測雖然能夠檢測，但對于在役設備出于安全考慮又有諸多不便，難以在機組檢修中得到應用，固超聲波檢測將成為檢測內部缺陷的主要手段。

奧氏體不銹鋼在核電、化工、石油等領域早已大量應用，但對其超聲檢測存在以下難點：晶粒粗大超聲波衰減嚴重，各項異性定位不準，信噪比低。當晶粒接近超聲波波長1/10時，就會有明顯的聲散射，當材料晶粒為波長的1/2時，對聲波散射劇增，小缺陷信號就完全被噪聲淹沒，無法進行小缺陷的檢測。[1]

如何提高奧氏體不銹鋼焊縫檢測信噪比，提高定位定量準確性，一直是國內、外無損檢測研究人員致力研究的課題，經過大量的理論研究和試驗工作[2-5]，分別從探頭頻率、檢驗波類型、角度、晶片尺寸等方面尋找突破口，已經取得了一定進展。通過設計人工缺陷采用不同波形、不同K值、不同頻率的探頭對試樣上進行超聲檢測，對檢測結果進行分析，縱波探頭檢測奧氏體不銹鋼焊縫的信噪比高于橫波探頭，窄脈沖2.5MHz探頭比1MHz探頭信噪比高。橫波探頭雖然信噪比不如縱波，但其反射信號比縱波清晰，分辨率比縱波更高。[6]鄭中興[7]設計的縱波斜射雙晶探頭因采用了一發一收的T-R方式，采用IMHz的低頻大晶片縱波斜射，使得衰減明顯減小。檢查晶粒度為-2級的粗晶護環鋼，能清晰地發現垂直深度70mm處的刻槽反射，信噪比大于10dB，靈敏度余量30dB。金松虎[8]等對板厚75mm的工件焊縫采用45°/60°兩個角度縱波探頭進行超聲檢測，通過檢測結果與實測解剖結果對比，深度在61mm處的缺陷能夠被發現，由于噪聲影響，檢測靈敏度有所下降，對缺陷定位也有一定影響。

經過長時間理論分析和試驗模擬，國內對奧氏體超聲檢測有了一定認知，技術難點也有所突破，并初步形成了推薦性檢測標準NB/T 47013.3-2015 附錄 I，規定了工件厚度10-80mm奧氏體不銹鋼對接接頭的超聲檢測方法和質量分級。盡管有了推薦性標準，但對于奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測仍有一定難度，特別是小缺陷檢出率及大厚壁材料缺陷定位，不乏一些特殊結構的工件需要定制的探頭才能檢測，同時對檢測人員的技術水平要求比較高，還應繼續開展研究得以廣泛開展工程應用。

3 TOFD和相控陣新技術的應用

隨著新技術的發展和仿真技術引入，超聲波衍射時差法（TOFD）、相控陣技術以及CIVA仿真在工業中的應用越來越多，大量技術人員將這些新技術應用到不銹鋼超聲檢測中并取得不錯的效果，在核電、石油、化工等領域相控陣超聲檢測技術已有工程實際的應用。

陳振華[9]等進行了奧氏體不銹鋼焊縫超聲TOFD檢測中聲波傳播特性分析，總結出缺陷衍射波幅度檢測因素的影響，提出奧氏體不銹鋼焊縫超聲TOFD檢測時，探頭應放置于焊縫根部側進行檢測；探頭不能放置在根部時，應采用二次波法進行檢測。

嚴宇[10]等采取理論分析、數值模擬以及超聲相控陣檢測、射線檢測等多種手段相結合的方式，制定了核工程奧氏體不銹鋼焊縫相控陣超聲檢測工藝，實現了相控陣超聲檢測方法在核電站主管道焊縫檢測中的應用。

4 結論

（1）對高溫集箱、主汽、再熱管道、汽缸、閥殼、高溫螺栓等鎳基合金和新型奧氏體不銹鋼表面檢測采用滲透檢測。

（2）奧氏體不銹鋼超聲波檢測已有了推薦性的檢測標準，選用合適的頻率、角度和檢驗波類型可實現對其檢測，但同時對檢測人員素質要求比較高，今后還應繼續開展研究得以廣泛開展工程應用。

（3）通過CIVA仿真技術與TOFD、相控陣檢測技術結合，在核電和石化領域檢測取得較好的工程應用效果，是將來700℃超超臨界機組不銹鋼焊縫檢測主要檢測手段。

參考文獻：

[1]張鷹，張延豐，雷毅.奧氏體不銹鋼焊縫的超聲波檢測方法研究[J].無損檢測，2006，28（3）：119-122.

[2]晏榮明，李生田.大厚度奧氏體焊縫超聲波探傷的研究[J].無損探傷，1994，4：6-8，11.

[3]鄭中興.大厚度奧氏體鋼焊縫超聲檢測用縱波斜射雙晶探頭研制[J].北方交通大學學報，1999，（23）3：115-119.

[4]崔建英，趙中齡，徐賀，等.奧氏體不銹鋼焊縫超聲波探頭的研制[J].北方交通大學學報，1997，（21）4：472-475.

[5]劉金宏.厚壁奧氏體鋼焊縫超聲波探傷研究[C].中國無損檢測學會第五屆年會文集，中國無損檢測學會出版，1991：143-146.

[6]張鷹，雷毅，程真喜，等.奧氏體不銹鋼焊接接頭超聲波檢測研究[J].石油化工設備，2004，（33）2：15.

[7]鄭中興.大厚度奧氏體鋼焊縫超聲檢測用縱波斜射雙晶探頭研制[J].北方交通大學學報，1999，（23）3：115-119.

[8]金松虎，薛擁軍.大厚度奧氏體不銹鋼對接焊接接頭超聲波檢測[J].無損探傷，2012，36（3）11-14.

[9]陳振華，張翀，盧超，楊湘杰.奧氏體不銹鋼焊縫超聲TOFD 檢測中聲波傳播特性分析及其應用[C].焊接學報，2016，37（8）91-96.

[10]嚴宇，張曉峰，楊會敏，周煒璐.核電主管道奧氏體不銹鋼焊縫的相控陣超聲檢測[J].無損檢測，2018，40（2），24-28.

作者簡介：劉彥如（1984-），男，北京人，本科，工程師，主要從事電站材料研究及無損檢測技術開發應用。