奧氏體不銹鋼小徑管彎管段內(nèi)壁裂紋的超聲檢測

周 寧

(中國大唐集團科學技術(shù)研究院有限公司 西北電力試驗研究院，西安 710021)

某火力發(fā)電廠鍋爐屏式過熱器頻繁發(fā)生爆管泄漏事件，經(jīng)分析是由于屏式過熱器彎管部位受應力腐蝕，裂紋由內(nèi)壁產(chǎn)生并擴展至外壁,從而引起泄漏。應力腐蝕開裂是奧氏體不銹鋼失效的主要形式之一，在裂紋產(chǎn)生的初期，如果能夠有效、準確地檢測出裂紋并對材料進行更換，便可避免此類事故的發(fā)生。筆者以該廠鍋爐為例，介紹了對奧氏體不銹鋼彎頭進行超聲檢測的方法及注意事項。

1 試驗方案

1.1 儀器和探頭的選擇

儀器選用型號為CTS-9008PLUS的數(shù)字超聲探傷儀。

探頭的選擇受管材尺寸、材料及缺陷性質(zhì)的影響，需要根據(jù)影響因素進行理論驗證，定制一定尺寸和材料的探頭。由于管材材料為奧氏體不銹鋼，晶粒組織較為粗大，對超聲波具有強烈的衰減作用[1]，故采用雙晶探頭可減弱晶粒散射，同時改變焦點，調(diào)整合適的檢測范圍，提高檢測靈敏度[2]。

沿鋼管外圓進行周向掃查的橫波檢測是管材檢測的主要方式，為了能檢測鋼管內(nèi)壁裂紋缺陷，必須使純橫波達到管道內(nèi)壁，即入射角β條件如式(1)所示[3]。

arcsin(cs/cL)<β

(1)

式中：D為管外徑；T為管厚度；cs為鋼中的橫波聲速；cL為鋼中的縱波聲速。

取cs=3 230 m·s-1，cL=5 900 m·s-1，將各數(shù)據(jù)代入式(1)中，可得33°<β<41°。考慮到彎管處壁厚不均勻，有的厚度略大于11 mm，同時橫波檢測內(nèi)壁裂紋類似于端角反射，當入射角為35°55°時，端角反射率達100%，檢測靈敏度較高。所以選取入射角β為35°的橫波探頭，可同時滿足厚度及靈敏度的要求。

根據(jù)上述理論條件，選取晶片尺寸為6 mm×6 mm(長×寬),頻率為2.5 MHz,角度為35°，焦點深度為6 mm的雙晶橫波探頭(探頭A)及晶片尺寸為6 mm×6 mm(長×寬)，頻率為2.5 MHz，角度為35°，焦點深度為12 mm的雙晶橫波探頭(探頭B)進行檢測。

1.2 試塊的選擇

試驗中共采用3種試塊：小徑管焊接接頭超聲檢測專用試塊DL-1、自制參考試塊CK-1和自制參考試塊CK-2。

采用DL-1試塊測量探頭的實際角度和前沿；采用自制參考試塊CK-1可對比2 種探頭的實際檢測性能；采用自制參考試塊CK-2可確定檢測靈敏度。DL-1標準試塊可選用與被檢材料聲速相近的不銹鋼材料制作；CK-1試塊采用45號鋼制作，加工前需對原材料進行檢驗，確保其內(nèi)部無缺陷；CK-2試塊采用與被檢管材同規(guī)格、同材料的鋼管制作。CK-1試塊上有深度為317 mm的φ1 mm橫通孔；采用線切割方式在CK-2試塊內(nèi)壁加工寬1 mm、深0.5 mm的槽。CK-1和CK-2試塊外觀如圖1，2所示。

圖1 CK-1試塊外觀

圖2 CK-2試塊外觀

1.3 試驗結(jié)果與分析

分別將兩種探頭在DL-1試塊上校準后，繼續(xù)在CK-1試塊上進行不同深度的φ1 mm橫通孔檢測對比試驗。表1為探頭對不同深度φ1 mm橫通孔反射回波達到滿屏80%的dB值。

表1 探頭對不同深度φ1 mm橫通孔的反射回波達到滿屏80%的dB值 dB

分別對校準后的探頭進行曲面打磨，繼續(xù)在CK-2試塊上進行周向檢測對比試驗。CK-2試塊內(nèi)壁的線切割槽反射回波達到滿屏80%的dB值分別為：探頭A為70 dB，探頭B為68 dB；顯示深度為12 mm左右。

由以上試驗結(jié)果分析得出以下結(jié)論。

(1) 探頭A在CK-1試塊上對不同深度的φ1 mm橫通孔檢測，可看出深度分別為7,9,11 mm的反射回波強度高于其他深度橫通孔的，且在深度為9 mm時的反射強度最高。

(2) 探頭B在CK-1試塊上對不同深度的φ1 mm橫通孔檢測，可看出深度分別為11，12，13，15 mm的反射回波強度高于其他深度橫通孔的，且在深度為13 mm時的反射強度最高。

(3) 探頭A和探頭B在CK-2管材試塊對管材內(nèi)壁線切割槽進行檢測，可看出探頭B對管材內(nèi)壁線切割槽的檢測靈敏度高于探頭A的。深度顯示在12 mm左右，這是由于儀器默認的是板材試塊，探頭至人工缺陷的聲程較長，實際深度就大于厚度。

綜合以上分析，在檢測φ63 mm×11 mm規(guī)格(外徑×壁厚)的管材時，宜采用探頭B進行檢測，在滿足靈敏度的要求下，最大限度地降低了噪聲雜波。探頭A,B對CK-1試塊不同深度通孔的波幅曲線如圖3所示。

圖3 探頭A,B對CK-1試塊不同深度通孔的波幅曲線

1.4 靈敏度及評判標準

檢測前調(diào)節(jié)靈敏度是為了發(fā)現(xiàn)工件中規(guī)定大小的缺陷并對缺陷定量。靈敏度太高或太低均影響檢測結(jié)果，根據(jù)在CK-1和CK-2試塊上的試驗數(shù)據(jù)及波形特征，可以以CK-2參考試塊上0.5 mm深線切割槽的一次反射波最大波幅為掃查靈敏度，以一次反射波最大波幅-6 dB為判廢靈敏度[4]；單個缺陷回波超過判廢靈敏度的信號即為裂紋信號。

2 屏式過熱器管內(nèi)壁缺陷現(xiàn)場檢測應用

為了便于發(fā)現(xiàn)屏式過熱器管內(nèi)壁裂紋，針對現(xiàn)場曲率不同的小徑管，需準備多個探頭B。檢測前，將探頭校準并在CK-2試塊上確定掃查靈敏度；將水磨砂紙緊貼在彎管曲面，壓緊探頭進行修磨，使探頭和管壁曲面可以最大限度地接觸；檢測時，選用黏稠度高的耦合劑涂抹在彎頭處，周向移動探頭進行檢測；通過觀察波形和波幅高度，可以判斷是否為裂紋的波形。通過對多個彎頭進行檢測，發(fā)現(xiàn)有各別彎頭存在裂紋，經(jīng)金相檢驗，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)表面均有不同程度的內(nèi)壁裂紋。得到的裂紋缺陷波形如圖4所示。

圖4 裂紋缺陷波形

3 結(jié)語

(1) 在對不同厚度的奧氏體不銹鋼管材進行內(nèi)壁缺陷檢測時，如果使用雙晶橫波探頭，需考慮適宜的聚焦深度，最大限度地降低信噪比，提高檢測靈敏度。

(2) 檢測時，需使用多個不同曲面的探頭對彎管進行檢測，防止因耦合不良造成的漏檢。

實踐證明，該超聲檢測方法可以有效地檢測出奧氏體不銹鋼管彎管段內(nèi)壁裂紋，具有勞動強度低、檢測速度快、裂紋檢出率高等特點，可以及時排除隱患，減少鍋爐爆管事故的發(fā)生。