超臨界機組高溫高壓管道焊縫檢測方法對比

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(1.中國大唐集體科學技術研究院有限公司 火力發電技術研究院，北京 100040；2.華北電力科學研究院有限責任公司，北京100045)

隨著電力工業的快速發展，國內高參數超臨界、超超臨界機組相繼投產運行。P91/P92馬氏體耐熱鋼以其良好的高溫持久強度、熱穩定性、高溫抗蠕變能力及較高的抗氧化能力等優點，廣泛應用于發電廠高溫高壓管道的制造中。

由于人們對材料認識不夠、焊接工藝不成熟、焊接過程控制不嚴等原因，P91/P92厚壁鋼管在國內投入使用的初期，制造安裝過程中常產生焊接缺陷。近年，對在役P91/P92鋼管道焊縫進行超聲波檢測時，常發現大量層間缺陷反射回波，經解剖驗證，其主要為微小裂紋類缺陷、較小的氣孔和夾渣，其中以微小裂紋占比最多。裂紋形貌有弧坑散射狀、沿焊縫方向平直狀、較小的圓弧狀等，一般裂紋長度在2～5 mm，高度在2 mm左右，在不同深度層狀分布，部分區域缺陷密集。超聲波檢測時，缺陷反射波高一般不高，很多在評定線上下，如果不能確定缺陷性質，一般按照點狀缺陷判定，均符合目前在用標準要求[1]；如果判定為裂紋類危害性缺陷，根據標準要求為不合格焊縫，需要進行消缺處理。如何對待此類缺陷，是不考慮經濟性的堅持不容許任何超標缺陷存在還是繼續保留缺陷運行，就成為實際生產中人們關心的問題。實踐證明，并非所有超標缺陷都會導致設備失效，重要的是應了解缺陷的變化狀況，并進行必要的分析評定，消除那些危險系數高的缺陷，而對安全沒有威脅的缺陷則予以保留，這樣既保證了安全，又可減少經濟損失。

因此，在采用無損檢測手段對P91/P92鋼焊縫內部微小裂紋缺陷進行檢測時，準確測量、精確定性，隨著運行時間的推移判斷裂紋有無變化就變得尤為重要。目前針對在役P91/P92鋼焊縫內部缺陷的檢測方法一般有常規A型脈沖反射超聲波法、TOFD衍射時差法和超聲相控陣檢測法，筆者通過理論與實際結合的方式對上述3種檢測方法進行對比，分析了各自的適用性和優缺點。

1 檢測方法對比

1.1 檢測原理

1.1.1 脈沖回波法

脈沖回波法超聲檢測是利用材料及其缺陷的聲學性能差異對超聲波傳播波形反射情況和穿透時間的能量變化來檢驗材料內部缺陷的無損檢測方法，主要通過入射聲波與反射聲波之間的傳播時間和聲波反射信號的幅度對缺陷進行評估，是常規檢測手段之一。

1.1.2 衍射時差法

衍射時差法(Time of Flight Diffraction，TOFD)超聲檢測，是采用一發一收探頭工作模式，利用缺陷端點的衍射波信號來分析缺陷位置及尺寸的一種超聲檢測方法，其檢測原理如圖1所示。檢測時，衍射信號向各個方向傳播，沒有明顯的指向性，且信號強度比反射信號弱得多，對于缺陷的識別和測量不是基于波幅，而是基于信號傳輸時間進行的。

圖1 TOFD檢測方法原理示意

1.1.3 相控陣檢測

相控陣無損檢測技術是多聲束掃描成像技術，超聲檢測探頭陣列單元由多個壓電晶片按一定的規律分布排列，然后按預先規定的延遲時間激發各個晶片，所有晶片發射的超聲波形成一個整體波陣面，有效地控制發射超聲聲束(波陣面)的形狀和方向，實現超聲波束的掃描、偏轉和聚焦(見圖2)。

圖2 相控陣檢測時的波束偏轉和聚焦示意

1.2 檢測方法優缺點

1.2.1 脈沖回波法

常規超聲檢測廣泛應用于電站設備無損檢測領域，具有現場使用方便、成本低、能實時分析檢測結果等優點。

超聲波檢測對于缺陷的判定及測量是基于反射信號的波幅進行的。影響信號波幅的因素有很多，包括儀器的性能，探頭的型式、頻率、帶寬、晶片尺寸和角度，缺陷所在的位置、大小、取向、性質等，以及檢驗人員的能力素質等外界因素都會影響到超聲波檢測的結果，所以其對缺陷的檢出具有不確定性。而且，超聲波檢測不具有數據存儲功能，對缺陷的跟蹤復檢受人為影響因素大。

1.2.2 衍射時差法

TOFD檢測根據衍射信號來判斷缺陷，不受缺陷方向的影響，對缺陷的檢出率比常規超聲方法高；根據衍射信號的傳播時間對缺陷進行定位及尺寸測量的精度高，尤其是對缺陷高度的測量精度可達零點幾毫米；可根據TOFD圖譜(見圖3)中缺陷顯示的相位關系來區分體積型缺陷和面積型缺陷[2]，還可根據顯示的明亮程度和尖端輪廓的變化來對裂紋進行辨別；具有圖像采集和保存的能力，能定期對缺陷的擴展、裂紋的增長進行有效監控。

圖3 TOFD檢測數據示例

TOFD檢測的缺點是：在焊縫上、下表面存在盲區，對該區域檢測的可靠性不夠；對缺陷定性比較困難；非平行掃查時橫向裂紋的顯示近似點狀，容易造成漏判；缺陷在圖像上是二維顯示，不能完全體現缺陷的空間位置；圖像分析需要結合多方面因素綜合考慮，對檢測人員要求較高；現場檢測會受到工件結構限制；數據采集也需綜合考慮聲束覆蓋范圍和衰減與檢測分辨力的匹配，對于重點缺陷區域應優先考慮檢測分辨力。

1.2.3 相控陣檢測

相控陣檢測可設置掃查范圍，通過電子技術實現聲束偏轉和聚焦，相比于常規超聲檢測，其通過對缺陷的立體化掃描成像，能有效地發現不同角度的缺陷，檢測靈敏度高，缺陷定位準確，檢測結果直觀，可實現實時顯示，通過軟件分析可以得到缺陷的周向位置、焊縫深度、水平位置、周向寬度、深度寬度、水平寬度6項數據?，F場檢測受工件結構影響小，檢測速度快，在掃査的同時可對焊縫進行分析、評判，配合編碼器可以記錄缺陷的信息，并能實現檢測結果的永久性保存(見圖4)。

圖4 相控陣檢測數據示例

相控陣技術對焊縫內缺陷的檢測同樣利用了聲波反射原理，對于缺陷上、下端點的精確測量需要考慮缺陷深度與焦點位置的關系。

1.3 檢測的影響因素

1.3.1 缺陷尺寸

P91/P92鋼焊縫內部裂紋缺陷長度一般為2～5 mm，高度約2 mm左右，根據聲波的傳播特性，當缺陷直徑大于波長的3倍時，不論是垂直入射還是傾斜入射，都可把缺陷對聲波的反射看成是鏡面反射。而當缺陷直徑小于波長的3倍時，缺陷反射就不能看成鏡面反射，這時的缺陷波能量呈球形分布。此時，不論缺陷表面光滑與否，聲波的反射指向性基本不受探頭角度的影響[3]。常規2.5 MHz探頭在鋼中的橫波波長約為1.3 mm，而P91/P92鋼焊縫中微小缺陷的尺寸一般與3倍波長相近，超聲波反射特性不同于一些尺寸較大的缺陷，其缺陷波可類似看成球形分布，不論是垂直入射還是傾斜入射，都能得到一定幅度的缺陷反射回波，反射回波當量普遍較低。

TOFD檢測法通常使用拋物線指針與信號弧線擬合的方式進行測量，對于有一定長度的與焊縫表面平行的缺陷，測量誤差較小；但對于長度明顯小于探頭晶片大小1.5倍的缺陷顯示，則無法準確測量其長度[4]，需通過合成孔徑聚焦技術(SAFT)加6dB法來確定缺陷長度，這需要花費較多的時間。

1.3.2 檢測分辨力

超聲脈沖自身有一定寬度，并存在聲束擴散現象，在相鄰和深度方向上分辨兩個相鄰信號的能力有一個最小限度，稱為分辨力，其對于區分單個缺陷與多個小缺陷、連續缺陷或斷續缺陷，從而正確判斷缺陷的大小和性質，有重要實用價值。影響檢測分辨力的因素不僅包括頻率、晶片尺寸，還包括儀器性能、探頭性能、儀器與探頭的組合性能、聲束擴散角、被檢材料和缺陷性質等。

超聲波的橫向分辨力是指與聲束軸線垂直的平面上兩個反射體的可分辨距離，與聲束寬度有關，理論上約為聲束直徑的二分之一；縱向分辨力是指超聲波對聲束軸線上不同深度兩個相鄰反射點的分辨能力，理論上約為波長的二分之一。然而，在常規超聲實際檢測過程中，要綜合考慮檢測參數的選取，檢測分辨力遠遠達不到理論值。

相控陣檢測成像為三維圖像，檢測分辨力指焊縫內缺陷的空間分辨力，不僅包括橫向(水平)分辨力和縱向(軸向)分辨力，還包括角度分辨力[5]。相控陣儀器可通過控制聚焦參數、優化焦點尺寸、改變焦距深度和聲束方向，使檢測分辨力得到提高。而焦點尺寸和焦距深度既影響檢測分辨力也影響檢測靈敏度和成像質量。焦點尺寸大小取決于聲束發射孔徑和波長，不同尺寸的焦點對缺陷測量存在較大偏差[6]。焦距深度的變化影響聚焦強度和焦點尺寸，焦距增加，聚焦強度減弱，焦點直徑增大，缺陷回波幅度減小，成像分辨力降低[7]。圖5為相控陣掃描CSK-ⅠA試塊上的50，44，40 mm階梯孔的成像，可見其成像清晰，分辨力高。

圖5 相控陣掃描CSK-ⅠA試塊上的3個階梯孔的成像

TOFD檢測分辨力是指分辨一個小裂紋上、下端點的衍射信號的到達時間。通常選用寬頻帶、窄脈沖探頭，通過減少脈沖信號的周期數從而減少信號持續時間來提高檢測分辨力;也可以通過提高探頭頻率，改變探頭間距或者采用SAFT來提高檢測分辨力。常規的5 MHz探頭，理論上可計算出焊縫層間的分辨力約2 mm[8]，這并不能使微小裂紋的上、下端衍射波形清晰地顯示出來，對于微小裂紋的判讀不能給出準確的直觀分析結果，但這個分辨力足夠對相鄰或斷續缺陷進行辨別。

1.3.3 聲束擴散角

超聲聲束擴散角的縱向寬度由主聲束和上、下半擴散角(見圖6)以及聲束旁瓣組成[3]。在不考慮聲束旁瓣的情況下，以厚度60 mm的P91/P92鋼工件為例，楔塊內縱波聲速為2 730 m·s-1，鋼中橫波聲速為3 310 m·s-1，計算可得不同探頭在P91/P92鋼中傳播的角度范圍(見表1)，聲束覆蓋范圍見圖7。

圖6 超聲波聲束近場區及擴散角

表1 不同探頭在P91/P92鋼中傳播角度范圍

圖7 2.5 MHz K1探頭波束覆蓋范圍

如圖7所示，超聲波束在焊縫內傳播時，因聲束擴散使聲波覆蓋縱深可達20 mm左右，P91/P92焊縫內每層焊道厚度不超過4 mm，則波束覆蓋約5層焊道。如果在波束覆蓋范圍內每層焊道均有缺陷，在儀器上就會有多個缺陷回波顯示，部分聲波會被前面的缺陷遮擋，還有部分聲波會在缺陷之間形成雜亂無章的反射與折射，而伴隨探頭的移動，回波反射會此起彼伏，很難做到對單個缺陷具體分析。

相控陣檢測可根據被檢工件的規格尺寸，使超聲波束對焊縫全覆蓋(見圖8)，一次采集焊縫內所有缺陷數據，再分別對缺陷進行具體分析，避免因探頭移動掃查導致缺陷回波的不停變化。

TOFD技術使用的探頭不要求小的擴散角和好的聲束指向性。通常為了增大覆蓋范圍、提高檢測速度且有利于衍射發生，采用小尺寸晶片的大擴散角探頭，并且要求探頭有好的發射和接收性能。

圖8 相控陣波束對焊縫全覆蓋

2 實際應用對比

對某1 000 MW超超臨界機組在役再熱蒸汽管道進行焊縫內部缺陷無損檢測時，采用常規超聲波檢測方法、TOFD檢測方法和相控陣檢測方法對同一焊縫(材料A335P92、直徑×壁厚為566 mm×32 mm)分別進行掃查分析，將常規超聲檢驗的結果與TOFD、相控陣檢驗結果進行對比，繪制了對比圖(見圖9)。圖中上、中、下三段分別為TOFD、常規超聲和相控陣檢測的結果，其中常規超聲檢測結果是根據檢測報告所標注的位置和缺陷評級進行圖形化處理而得到的。由于在相控陣檢測期間，焊縫已經開始加工取樣，因此僅對剩余部分進行測試。TOFD和相控陣檢測所用坐標相同，以便于結果的對比，而超聲檢測結果的零點坐標有所不同，坐標對比有一定偏差，但是缺陷總體分布規律基本一致。

超聲檢測選用頻率為2.5 MHz、晶片尺寸為13 mm×13 mm的K1/K2探頭進行單面單側掃查，執行標準為NB/T 47013.3-2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》。檢測發現焊縫內6處超標缺陷和大量可不記錄缺陷，缺陷反射回波不高，測長以點狀缺陷為主，部分區域缺陷密集，很難分辨具體缺陷數量。

圖9 某焊縫的常規超聲,TOFD與相控陣檢測結果對比

TOFD檢測選用頻率為5 MHz、直徑為6 mm、聲束角度為60°的探頭。檢測發現焊縫內存在大量點狀缺陷，未見明顯條形缺陷，在500～1 350 mm長度范圍內缺陷較密集，掃查圖像可以清楚地分辨點狀顯示，直觀地顯示缺陷在焊縫內的分布情況，對缺陷的深度位置、長度、自身高度等參數便于測量。

相控陣檢測選用5L64-A32探頭，根據焊縫寬度、厚度及坡口形式調整掃查角度、步進偏移和聚焦深度，使得一次掃查覆蓋全焊縫，通過軟件對掃查圖像進行分析，結合A、B、S、C掃描，測量缺陷信息。在取樣焊縫內部發現存在多處點狀缺陷，其中在620～1 000 mm長度段焊縫內的缺陷分布較為集中。

選取一處缺陷部位進行解剖，其TOFD和相控陣圖譜如圖10，11所示，其缺陷檢測數據如表2所示。

圖10 某解剖缺陷的TOFD檢測圖譜

圖11 某解剖缺陷的相控陣檢測圖譜

表2 解剖缺陷的測量數據 mm

解剖后發現此缺陷是一個微小裂紋，形貌見圖12，缺陷位于焊縫中心，其深度為17 mm,長度為4 mm,高度為2.5 mm。結合實際缺陷對比三種檢測方法，結果最為直觀的是相控陣檢測方法，其以圖形化方式顯示出缺陷位置，定位清晰，缺陷尺寸測量準確，檢測靈敏度高，可保存采集文件以進行后續的缺陷跟蹤和復檢，檢測時可一次掃查全覆蓋，能實現對焊縫內部信息的快速采集；TOFD檢測對缺陷也比較敏感，數據采集文件也可以保存并對缺陷進行跟蹤或復檢，但由于受聲束寬度限制，記錄可能被延長，與相控陣相比，難以獲得水平位置和水平寬度兩項數據，而且由于管道焊縫兩側存在結構偏差，需要進行非平行掃查結合偏置非平行掃查以保證聲束對焊縫的全覆蓋，增加了檢測工作量；常規超聲檢測對于長度小于10 mm的缺陷，一般直接標記為點狀缺陷，沒有精確的數據記錄，對于P91/P92鋼焊縫內部密集型小裂紋僅能大致檢測出數量且不能保存檢測數據，很難對缺陷進行跟蹤和復檢。

圖12 解剖的微小裂紋形貌

3 結語

目前在役P91/P92鋼焊縫內部微小裂紋缺陷的存在已經不容置疑，雖然超出標準要求，可并沒有發生過因此類缺陷引起的事故，設備運行多年，狀況穩定。但是近兩年國內機組普遍進行調峰以滿足能源配比需要，尤其是深度調峰會使設備承受的交變載荷增加，其對此類缺陷穩定性的影響尚待考證。

根據P91/P92鋼焊縫內部微小裂紋的特點，在超聲檢測過程中，應關注未達到缺陷記錄標準的回波信號，對于因條件限制不能進行返修處理的斷續缺陷、局部密集缺陷、自身具有一定高度的缺陷等存在擴展可能的缺陷，應增加TOFD或相控陣檢測進行精確測量和分析，根據缺陷分布和尺寸進行安全性評估，并對缺陷變化情況進行監督跟蹤，以提高設備運行安全系數，避免設備失效情況發生。

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