大壁厚耐熱鋼窄間隙焊接接頭超聲檢測實驗研究

金 亮 姜學平 馬向東

（1.江蘇電力裝備有限公司 常州 213012）

（2.河海大學 物聯網工程學院 常州 213022）

（3.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 南京 210036）

耐熱鋼以其優異的高溫熱強性和耐腐蝕性，在火電配管預制中廣泛應用。多年的實際經驗已對焊接性、焊接工藝以及焊接接頭的性能有了比較全面的認識。而全位置窄間隙熱絲TIG焊接技術的實際運用在優化焊接參數、提高接頭性能具有重要意義。

相控陣超聲檢測作為一種超聲新技術，具有聲束靈活可控、快速成像、適用面廣等特點，通過偏轉、聚焦等方式彌補了傳統超聲技術的一些不足，可解決一些常規超聲UT難以實施的問題。

NB／T 47013.15—2021《承壓設備無損檢測 第15部分：相控陣超聲檢測》[1]標準未實施前，相控陣檢測焊接接頭工藝中對設備的參數設置、路徑示蹤、聲場覆蓋等內容參考了ASTM E2700或ISO 13588系列標準，而在標準實施后對上述條款內容都有明顯的細化。

本文為實際工件手工UT檢測中顯示的缺陷，采用新標相控陣PA檢測驗證的案例。

1 管道規格與焊縫位置

電力行業管道預制產品結構基本為大壁厚管子與管件對接，材質為耐熱鋼系列，焊接規程一般采用DL／T 869—2012《火力發電廠焊接技術規程》[2]。

本案例采用的驗證件是主蒸汽管道與正三通（2MS-17）的對接焊口（編號WF-30），主蒸汽管道的材質為SA-335P91，規格為φ429 mm×78 mm，坡口型式為U型，工件參數和焊接示意如圖1所示。

圖1 工件參數和焊接示意圖（續）

圖1 工件參數和焊接示意圖

焊接方法為窄間隙自動氬弧焊，即NG-TIG打底+填充至蓋面完成。施焊時管道固定，焊接機頭沿固定軌道進行全周循環轉動，實現整條環縫的多層多道全位置焊接。

焊縫根部打底2層沖氬保護防止氧化和保證背面成形良好。而后通過分區段工藝參數設定與修正，克服重力對焊接過程的不利影響，保證獲得理想的熔池狀態和焊縫成形[3]。

焊前預熱150～250 ℃，焊接過程中控制層間溫度為150～280 ℃，焊接完成脫氫，最后整體熱處理。

2 常規UT檢測工藝及結果

依據TSG 11—2020《鍋爐安全技術規程》[4]的要求，檢測和驗收采用NB／T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》[5]，技術等級B級，I級合格。

2.1 UT準備

超聲波檢測設備為HS610e，探頭型號為2.5P13×13K1、2.5P13×13K2、5P8×12K2.75， 試 塊型號為CSK-IA（P91）和RB-C曲面φ450（P91），檢測靈敏度為φ2×40-14 dB（縱向）、φ2×40-14-6 dB（橫向），表面補償3 dB，耦合劑為工業漿糊。主蒸汽管道焊縫掃查位置示意如圖2所示。

圖2 主蒸汽管道焊縫掃查方式示意

2.2 UT工藝

因幾何結構所限，掃查方式只能采用單面單側、一次波掃查。3種角度探頭使用前后、左右、轉動和環繞4種掃查方式，其中K1、K2以1.1T對應聲程位置起始掃查，K2.75對近表面缺陷掃查；同時進行斜平行掃查。

2.3 檢測結果

檢測發現，焊縫有2處波高位于Ⅲ區的超標缺陷，1處波高位于Ⅱ區的缺陷，最大連續指示長度為110 mm（見表1，表中SL為定量線）。

表1 超聲波檢測數據

缺陷1分析：K1靜態波形尖銳陡直，無分叉，類似Ⅲa；K2靜態波形尖銳陡直，但波趾有分叉，類似Ⅲb。K1、K2前后掃查動態波形類似鐘形，但K2波趾同時跟隨變動，類似Ⅲb。K2在轉動探頭時，反射波波趾錯動明顯。左右掃查為相鄰鏈狀，初步判定為混合缺陷（鏈狀缺陷中有裂紋）。

缺陷2和缺陷3分析：K1、K2靜態波形尖銳，波趾分叉，主波與相鄰次波的波幅差為K1、K2都大于6 dB；前后掃查時動態波形類似Ⅳ，次波在波趾寬度范圍內跟隨主波移動的同時交替變動。在轉動探頭時，有明顯的指向性，K1、K2兩種角度最大波幅差等于9 dB，初步判定為未熔合。

3 按新標準制定PA檢測工藝

3.1 相控陣分區及參數設置

檢測設備為ISONIC 2010 32:32，對比試塊為P91、RB-C曲面φ450。按標準設置成2個分區：0～ t／2，即 0～ 39 mm，二次波檢測；t／2～ t，即39～78 mm，一次波檢測。分區覆蓋要求：0～39 mm，29～78 mm。

1）第一分區設置：探頭放置在直管側距焊縫熔合線S1=25 mm位置，探頭為5.0L32-0.5P×10，扇形角度35°～70°，采用多項掃描模式。采用φ2 mm×40 mm橫孔制作DAC曲線（多項每層至少3點），角度步進為0.5°，掃查速度為100 mm／s，掃查靈敏度為φ2×40-14 dB，如圖3所示。

圖3 第一位置覆蓋

2）第二分區設置：探頭放置在直管側距焊縫熔合線S2=65 mm位置，探頭為2.5L32-1.0P×15，扇形角度35°～65°，采用多項掃描模式。采用φ2 mm×40 mm橫孔制作DAC曲線（多項每層至少3點），角度步進為0.5°，掃查速度為100 mm／s，掃查靈敏度為φ2×40-14 dB，如圖4所示。

圖4 第二位置覆蓋

3）單面單側組合覆蓋，如圖5所示。

3.2 缺陷譜圖

兩分區數據起點0位、方向相同，缺陷見圖6。

圖6 缺陷譜圖

3.3 數據評定（見表2)

表2 PA評定

3.4 數據結果分析和比對

1）從圖6（a）和圖6（d）中容易看出，S顯示中二次波與焊縫坡口有較好的重合，圖像上缺陷中心部位亮度較高。一次波和二次波都有顯示，坡口反射波波幅相差不大。

2）從圖6（b）和圖6（e）中可判定為未熔合。一次波和二次波都有顯示，探頭側二次波坡口反射波波幅差較大。C顯示中為連續顯示，二次波邊界比較清晰，且缺陷中部呈紅色，亮度明顯。

3）從圖6（c）和圖6（f）中可判定為未熔合。C顯示中為斷續顯示，二次波邊界清晰，缺陷中部呈紅色，亮度明顯；S顯示中位于探頭側下坡口68 mm附近處。

3.5 返修驗證

缺陷1～缺陷3的返修比對見圖7、圖8。

圖7 缺陷1返修比對

圖7 缺陷1返修比對（續）

圖8 缺陷2和缺陷3返修比對

3.6 小結

NG-TIG采用多層單道全位置焊接工藝，產生的側壁或層間未熔合缺陷是超聲檢測的重點內容。

1）手工UT單面單側一次波檢測，探頭置于焊趾線邊緣為限，前端或入射點到焊縫中心線的距離S對近表面盲區有影響。雖然窄間隙焊縫寬度W相對小，但探頭側未熔合和探頭對側上部存在一定區域漏檢情況。

2）PA單面單側采用一次波+兩次波分別設置進行全覆蓋，彌補手工UT的盲區。二次波對探頭側（1／2t～t深度區間）坡口或層間未熔合，有較好的顯示、較高的檢出率。同時需要考慮二次波聲程范圍內是否存在變形波的影響，通過仿真軟件模擬路徑去偽存真。

3）實物返修照片證實PA的檢測結果為后續返修工作提供數據（定位、定量、定性），PA檢測可優化返修方案，是有效的檢測技術。

4 結束語

目前NB／T 47013.15—2021已頒布實施，在TSG 11—2020有關特殊情況的處理條款中，為可記錄超聲相控陣檢測的應用提供了技術評審的途徑。

可記錄的相控陣超聲成像檢測技術即選用校準合格的設備，通過仿真模擬焊縫實際結構尺寸成像的方式來優化工藝參數，提高對缺陷的“三定”，解決一些以往較難解決的產品結構問題，以高可靠性、高靈敏度、高效率來適應焊接質量檢測的需求。

因此，為了確保管道預制產品質量，達到安、穩、長、滿、優運行的基礎，適時地推動相控陣檢測技術在厚壁管道焊縫上逐步應用，顯得十分必要。