鍋爐受熱面異種鋼焊縫相控陣超聲與射線檢測分析

楊明昌，苑 達，陳 銘

(深能合和電力(河源)有限公司，廣東 河源 517025)

0 引言

隨著社會對電力供應不斷旺盛的需求以及對能源利用效率的不斷追求,電站鍋爐經歷了從超高壓(13～15 MPa,t≤540 ℃)、亞臨界(16～19 MPa,t≤540 ℃)、超臨界(24～26 MPa,t≤566 ℃)到超超臨界(24～31 MPa,t≥580 ℃)的發展歷程[1],設計溫度和壓力不斷提高,其發展離不開一系列高性能金屬材料的開發與應用。為保證鍋爐的安全運行,同時降低鍋爐建造成本,故在不同溫度區段采用不同等級的材料[2]。其中,鍋爐再熱器和過熱器等受熱面的高溫段主要選用奧氏體不銹鋼,低溫段仍然采用珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼等鐵素體耐熱鋼,兩種不同材料焊接時一般采用鎳基合金作為焊接填充材料。因此,電站鍋爐中存在著大量的鐵素體-奧氏體異種鋼焊接接頭。

鍋爐再熱器和過熱器作為受熱面,其管徑較小(32～89 mm)、壁厚較薄(4～14 mm)[3],由于其長期在高溫高壓工況下運行,對焊接接頭的質量要求較高。鍋爐再熱器和過熱器存在的異種鋼接頭即使在焊接時未產生缺陷,但由于其兩側母材及焊縫的組織、成分、性能存在較大差異,焊接時也會產生宏觀偏析,在經歷長期的高溫運行后,焊接接頭處可能會出現碳遷移、碳化物析出等現象[4],從而導致接頭組織性能惡化,進而產生裂紋。

國內外的運行實踐表明,異種鋼焊接接頭容易發生早期失效導致電站非計劃停機,造成嚴重的經濟損失。因此,及時、準確檢測出在役鍋爐異種鋼焊縫存在的缺陷對于保證鍋爐安全運行、減少機組非計劃停機以及降低經濟損失具有非常重要的意義。下面通過相控陣超聲檢測與射線檢測兩種方法對某異種鋼焊接接頭進行檢測對比,以期找出一種更適合鍋爐異種鋼焊縫的無損檢測方法。

1 試驗材料

試驗所用的鍋爐異種鋼焊接接頭為已運行91467 h的某超超臨界機組鍋爐低溫再熱器異種鋼焊接接頭1DZ-9-4和1DZ-10-8,規格為φ63.5×5 mm,兩側母材分別為12Cr1MoV鐵素體耐熱鋼和TP347H奧氏體不銹鋼,采用鎢極氬弧焊打底、焊條電弧焊填充和蓋面法焊制,填充材料分別為ERNiCr-3鎳基合金焊絲和ENiCrFe-3鎳基合金焊條,焊接完成后進行730 ℃熱處理0.5 h。

2 試驗方法

2.1 射線檢測

射線檢測技術適用于各種材料的檢測,對工件幾何形狀無嚴格要求,檢測結果可直觀顯示且能長期保存,對鍋爐受熱面異種鋼焊縫的檢測通常采用該方法進行[5]。本次對12Cr1MoV-TP347H焊縫進行射線檢測時,采取傾斜透射和垂直透射兩種透射方式,其工藝參數見表1。

2.2 相控陣超聲檢測

相控陣超聲檢測技術是一種新興的無損檢測技術,具有多角度掃描、實時彩色成像、檢測結果直觀等特點,可檢出焊接接頭中的各種面積型缺陷和體積狀缺陷,近年來逐漸應用于電站承壓部件的檢測中。本次在對12Cr1MoV-TP347H焊接接頭進行相控陣超聲檢測時,采用的是HS PA20-E型相控陣超聲檢測設備,相關參數見表2。采用斜射波接觸法以試塊編號PGD-4為對比,對標準試塊CSK-IA進行檢測。

表2 相控陣超聲檢測設備參數

3 試驗結果

采用傾斜和垂直透射方式對兩處1DZ-9-4和1DZ-10-8異種鋼焊縫進行射線檢測,結果均顯示焊縫內不存在缺陷。對這兩處異種鋼焊縫進行相控陣檢測,顯示有裂紋傾向,檢測結果見表3。

表3 相控陣檢測結果

4 驗證與分析

為驗證兩種檢測方法的準確性,對異種鋼接頭進行了破壞性的驗證試驗。根據相控陣超聲檢測數據,將接頭表面車削加工至缺陷埋藏深度處,然后進行滲透檢測和金相檢測。

驗證性試驗結果顯示,焊縫中確實存在兩個缺陷,長度分別為188 mm和200 mm,證明對于電站鍋爐受熱面異種鋼焊縫的檢測,相控陣超聲檢測比射線檢測更準確、可靠,這主要是因為射線檢測對于裂紋、未熔合等面積型缺陷的檢測受缺陷形狀尺寸、透射角度、透射幾何條件、像質計靈敏度、射線源、膠片種類等多種因素的影響,在焊縫兩側透照厚度差過大處形成了死區,造成缺陷的漏檢。此外,射線檢測時存在輻射風險,檢測時需要進行清場,嚴重影響檢修工期。相控陣超聲檢測則通過軟件單獨控制相控陣探頭中每個晶片的激發時間,從而控制波束的角度、聚焦位置和焦點尺寸,同時具備寬波束、多焦點的特性,故檢測結果更精準。

5 結論

相控陣超聲檢測可以準確檢測出缺陷長度、深度和自身高度等,且相較射線檢測更易檢測出鍋爐受熱面異種鋼焊縫存在的缺陷。因此,在對鍋爐受熱面異種鋼焊縫進行無損檢測時,可采用相控陣超聲檢測替代射線檢測,以便及時、準確地發現其存在的裂紋、未熔合等面積型缺陷,盡早消除安全隱患,避免因異種鋼焊接接頭失效引發蒸汽泄漏造成非計劃停機。