超超臨界機組鍋爐異種鋼小徑管鎳基焊接接頭超聲波檢測

鄧宏平，龍會國，鄒健偉，謝 億

（湖南省電力科學研究院，長沙 410007）

現役火力發電機組的過熱器和再熱器，高溫段多使用鉻鎳奧氏體不銹鋼，它具有高的耐熱性和抗氧化性，最高使用溫度可達700℃，580℃以下的低溫段仍然沿用12Cr1MoV或鋼102等低合金耐熱鋼。因此這兩種材質與奧氏體不銹鋼的異種鋼焊接接頭難以避免。鎳基合金的線膨脹系數介于奧氏體鋼和低合金鋼之間，為降低因膨脹系數不匹配產生熱應力，一般都用鎳基合金作為焊接填充材料。這三種材料的性能有較大差異，給焊接帶來一定的難度，易產生制造缺陷或運行缺陷，尤其是運行過程中材料中碳遷移產生的沿熔合線裂紋。由于射線檢測對熔合線裂紋類缺陷靈敏度低，且對人體有害、檢修時間長、受空間限制，在大型電站鍋爐的受熱面尤其是超超臨界機組的鍋爐受熱面檢測中，越來越受到空間的限制，從而很難檢測到位。因此小徑管異種鋼鎳基焊縫超聲波檢測是目前亟待研究的新課題。

1 小徑管異種鋼鎳基焊縫超聲波檢測的特點

1.1 檢測可行性分析

表1列出鎳基合金（純鎳）和鋼（12Cr1MoV）的材料性能參數，兩者的密度、聲速和聲阻抗均相差較遠。

表1 鎳基合金和鋼的基本性能數據

當超聲波入射鎳基合金和鋼界面時，則：

式中r為聲壓反射率；t為聲壓透射率；Pt為反射波聲壓；Po為入射波聲壓；R為聲強反射率；T為聲強透射率；Z2為鋼的聲阻抗；Z1為鎳基的聲阻抗。由以上計算公式表明［1－2］：

（1）界面兩側的聲波符合① 界面兩側的總聲壓相等，即Po＋Pr＝Pt。② 界面兩側質點震動速度幅值相等，即（Po－Pr）／Z1＝Pt／Z2。

（2）超聲波入射這兩種介質時，聲壓反射率為－0.04，聲壓透射率為0.96。在焊縫探傷中，若母材與焊縫結合面無任何缺陷，是不會產生界面反射回波，因此奧氏體不銹鋼與低合金鋼對接的鎳基焊縫超聲波檢測理論上能滿足檢測條件。

1.2 檢測的難題

鎳基焊縫為奧氏體晶粒，在冷卻過程中未經過二次結晶，與一側奧氏體不銹鋼母材同樣晶粒粗大，組織不均，加上另一側母材為低合金鋼，因此與焊縫的聲阻抗、聲速均有一定差異。具有明顯的各向異性及聲學性能變化，其主要特點為① 在異種金屬的熔合線處，聲速在界面處發生變化，導致聲束傳播方向產生偏離，對K值造成一定影響。② 材料的各向異性會導致衰減系數的各項異性，加上信噪比太低，給超聲波探傷帶來較大困難［3］。

2 檢測方案

湖南及廣東某電廠600MW機組鍋爐屏式過熱器、高溫過熱器材料均有奧氏體不銹鋼（TP347／TP304）與12Cr1MoV／鋼102異種鋼對接焊縫。2009－2010年運行期間，先后發生爆管泄露現象，經電廠委托對其焊縫進行100%超聲波檢測，由于此類異種鋼焊縫檢測沒有單獨可依照的標準，故參考DL／T 820—2002《管道焊接接頭超聲波檢驗技術規程》規定的試塊及靈敏度調校儀器。

2.1 探頭的選擇

由于小徑管管壁薄、結合面小、且探頭的探測面需要加工成曲面，不宜選用雙晶的縱波斜探頭。加之反射雜波多，為了改善探頭指向性和提高分辨力，此次檢測選用5MHz、小晶片短前沿的小徑管橫波探頭，兩種K值探頭聯合檢測，且兩種探頭的折射角相差不少于10°。

2.2 儀器的調校

將探頭加工成與管外壁吻合良好的曲面后，利用 DL－1小徑管專用試塊，在深度為5，8，15，20mm的φ1mm的長橫孔來制作DAC曲線，重點校準探頭前沿與K值。由于考慮異種鋼的的特殊性及人員操作經驗方面的問題，判廢靈敏度在DAC－6dB的基礎上可適當降低。

3 現場檢測

3.1 熔合線裂紋

由于奧氏體不銹鋼和低合金耐熱鋼的碳含量差異較大，在高溫下，碳從低合金鋼一側通過熔合線向焊縫一側擴散，使奧氏體側產生增碳帶，強度提高，低合金側靠近熔合線處形成低硬度的脫碳區。兩側強度的不匹配狀況加上運行中的交變熱應力，爐內氣流波動引起的振動應力等相疊加，使焊接接頭的熔合線附近受到了應力幅值較高的交變載荷作用，最終導致失效，在低合金耐熱鋼側形成沿熔合線裂紋［5］。對于沿熔合線的表面裂紋超聲波檢測，由端角反射原理［1］，當橫波入射角αs為35°～45°，即 K值在0.7～1.43時，檢測靈敏度高。現場利用K1探頭的二次反射波在低合金鋼側熔合線處發現的反射波幅都較高于其他K值靈敏度，后經打磨滲透檢測證實為30mm裂紋（圖1和2）。

3.2 氣孔、夾渣

圖1 探頭K值對裂紋缺陷檢測靈敏度的影響

鎳基合金的固液相溫度間距小，流動性偏低，在焊接快速冷卻的凝固條件下易產生焊縫氣孔；由于熔合不均勻，熔融金屬直接堆在焊縫中，層間渣清理不干凈，內部層間咬肉過深，焊速過快等原因會形成夾渣［4］。為避免內部缺陷位置與超聲波入射點的近場區影響，又由于K3表面耦合劑反射波的影響，耦合劑反射波與缺陷波重疊，無法分辨及有效地對缺陷回波進行準確定量。圖3為在現場利用K2探頭的二次反射波在奧氏體不銹鋼側檢測發現的內部缺陷，后經射線拍片證實為氣孔。

3.3 未焊透、未熔合

電流過小、間隙過小、焊炬使用不正確、內部保護氣體純度不夠等造成未焊透或未熔合缺陷［4］。圖4為在現場K2探頭的直射波檢測發現的根部缺陷，后經射線拍片證實為長度10mm的未熔合。

4 結論

（1）在不同K值探頭對各種缺陷試驗的基礎上，總結出了適用于異種鋼焊縫檢測的方法，運用于現場實踐，發現了鎳基合金焊縫大量危險性缺陷。

（2）通過試驗分析并結合現場實踐經驗發現，熔合線裂紋類缺陷選用小角度探頭（K1～1.5）運用二次反射波從低合金鋼側探測時易發現。焊縫內缺陷選用大角度探頭（K2～2.5）運用直射波或二次反射波從奧氏體不銹鋼側探測時易發現。根部未焊透、未熔合缺陷根據缺陷的形成情況不同選用大角度探頭（K2～2.5）運用直射波兩側均易發現。

（3）為保證缺陷探測的準確無誤，選用兩種K值探頭進行單面雙側檢測，熔合線位置二次波發現存在反射波時，考慮到受熱面管熔合線處易產生咬邊，建議打磨出金屬光澤后進行滲透檢測驗證。

（4）同一位置反射體從兩側探測時，其波高和顯示大多存在較大差異甚至其中一側無法檢出，說明在此異種鋼焊縫中，聲速和探頭角度發生了較大變化，或是聲束發生了扭曲畸變。但其危險性缺陷的檢出率仍能滿足檢測要求。

［1］鄭輝，林樹青.超聲檢測2版［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

［2］DL／T 820—2002 管道焊接接頭超聲波檢驗技術規程［S］.

［3］薛擁軍，張禮典，賴德海.大厚度異種鋼奧氏體焊縫超聲波檢測［J］.無損檢測，2008，30（11）：816－819.

［4］于世行，郝丁華.鎳基耐蝕合金焊接工藝［J］.石油化工應用，2008，27（3）：87－89.

［5］王旭中，劉進益.異種鋼焊接碳遷移過渡層研究［J］.東方電機，1991（4）：64－70.