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(東方電氣集團 東方鍋爐股份有限公司，自貢 643000)

在超臨界機組和超超臨界機組鍋爐的高溫再熱器、高溫過熱器、屏式過熱器等部件中存在大量小徑管異種鋼對接焊縫，按照TSG G0001—2012《鍋爐安全技術監察規程》規定，對接焊縫需進行射線檢測，檢測過程按照NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2部分：射線檢測》標準進行射線橢圓成像或垂直成像檢測。

某電廠在安裝過程中通過斷口試驗，發現批量異種鋼小徑管對接接頭存在層間未熔合類缺陷。受透照角度的影響，該類缺陷大致與射線透照方向垂直，不易被發現。所以需要開發一種小徑管層間未熔合缺陷檢測的專用方法。

1 小徑管異種鋼焊縫超聲檢測的特點

1.1 奧氏體焊縫組織對超聲檢測的影響

異種鋼焊縫為奧氏體組織，對超聲檢測的影響主要體現在焊縫晶粒粗大、各項異性、異質界面和聲束衰減等方面，在超聲檢測過程中信噪比嚴重下降，產生聲束扭曲和虛假信號，最終無法完成超聲檢測。

1.2 鍋爐小徑管規格對超聲檢測的影響

鍋爐異種鋼小徑管對接焊縫具有直徑小、管壁厚、曲率大等特點，常見鍋爐異種鋼對接焊縫材料和規格如表1所示。

表1 常見鍋爐異種鋼對接焊縫材料和規格

焊接時采用熱絲TIG焊(非熔化極氣體保護電弧焊)，多道焊接成型，表面帶有余高，超聲檢測耦合效果差,采用U型坡口(見圖1)。為了避免錯邊的產生，在鋼管對接之前，需要對管內壁進行機加(Do)，消除鋼管的橢圓度，這就增加了超聲檢測信號的識別難度。

圖1 異種鋼U型坡口結構示意

2 常用超聲檢測方法對比分析

按照異種鋼小徑管層間未熔合缺陷的特點，分別采用了V形雙探頭法、超聲波測厚法、TOFD檢測和相控陣檢測等方法，從方法的可行性方面分別進行了理論研究和試驗[1]。

2.1 V形雙探頭法超聲檢測

將兩個探頭放置在同一個平面上，一個探頭發射的超聲波被缺陷反射，反射的回波剛好落在另一個探頭的入射點上，主要用來發現與檢測面平行的面狀缺陷。

2.2 超聲波測厚

利用超聲波在工件上下底面產生多次反射，反射波被探頭接收，轉變為電信號經放大器放大后輸入計算電路，由計算電路測出超聲波在工件上下底面往返一次傳播的時間，最后再換算成工件厚度顯示出來。

2.3 相控陣檢測

通過控制探頭陣列中各陣元激勵(或接收)脈沖的時間延遲，改變由各陣元發射(或接收)聲波到達(或來自)物體內某點時的相位關系，就可實現聚焦點和聲束方位的變化，從而進行掃描成像。通過改變延時，實現超聲波聲束角度的偏轉。

2.4 TOFD檢測

將TOFD探頭對稱布置在焊縫兩側，在工件無缺陷部位發射超聲脈沖后，首先到達接收探頭的是直通波，然后是底面反射波。小徑管異種鋼對接焊縫經過TOFD檢測的結果如圖2所示。

圖2 異種鋼對接焊縫的TOFD檢測圖譜

小徑管異種鋼焊縫通常由3層焊接而成，焊道間粗大的晶粒信號會從焊縫根部的焊接位置起始，延續到直通波位置，層間未熔合缺陷位置正好處于焊道層間，層間未熔合信號和焊道層號重合在一起，從而無法識別缺陷。異種鋼焊縫的解剖結果如圖3所示。

通過對比分析以上4種方法可知：

(1) V形雙探頭超聲檢測受奧氏體晶粒的影響，信噪比差，聲束衰減嚴重，始脈沖較寬。

(2) 超聲波測厚時，因探頭晶片大，接觸不良，檢測效果不可靠。

(3) 相控陣檢測無法形成反射回波。

(4) TOFD檢測受焊道粗大晶粒信號的影響和缺陷信號重合而無法識別信號。

因此，以上4種方法都無法實現層間未熔合缺陷的檢測。

3 柔性楔塊相控陣檢測

為了避免小徑管焊縫余高和曲率對超聲波耦合的影響以及奧氏體晶粒對超聲波衰減的影響，設計開發了一種小徑管層間未熔合缺陷檢測專用檢測工藝和探頭支架，并采用柔性的曲面楔塊，材料聲速為1 480 mm·s-1。

將相控陣探頭支架分別加工成沿著管子軸向和周向的曲面形狀，軸向曲率半徑與被檢管徑曲率一致，周向曲率基本與焊縫余高吻合。這樣有效避免了管徑曲率和焊縫余高對超聲波耦合的影響，探頭支架結構外觀如圖4所示。

圖4 柔性楔塊相控陣檢測探頭支架結構外觀

3.1 檢測原理

檢測時將5 MHz相控陣探頭安裝在0°縱波柔性曲率楔塊的專用探頭支架上，同時激發-10°，0°和10°縱波聲束，當缺陷信號和超聲波聲束近似垂直時形成反射回波，檢測時形成D掃、B掃和A掃圖像，可直觀顯示出缺陷的長度、深度和幅度(見圖5)。

圖5 異種鋼焊縫的相控陣D 掃和A 掃視圖

通過相控陣D掃圖像進行坡口設置，可顯示出焊縫余高和根部，并可利用焊縫兩側母材對超聲波的反射成像實現耦合和靈敏度監控。其可以從A掃描中讀取缺陷的波幅，從B掃描中獲得缺陷的長度，從而實現對缺陷的檢測和評判。

3.2 檢測驗證

為了驗證該方法的有效性和可靠性，對帶有缺陷的3個樣管分別進行了射線檢測(相隔120°透照3次)和相控陣檢測，檢測結束后進行了金相解剖驗證。射線檢測和相控陣檢測結果分別如圖6，7所示。

圖6 樣管的射線檢測結果

圖7 樣管的相控陣檢測結果

(1) 按照標準NB/T 47013.2—2015對缺陷樣管進行橢圓成像檢測，未發現任何缺陷。

(2) 采用專用相控陣檢測，發現1#樣管缺陷長度為20 mm，2#，3#樣管缺陷為整圈。

(3) 經過射線檢測和相控陣檢測后，對有缺陷的樣管部位取樣并進行金相分析(見圖8)。 從金相圖可以看出，該類缺陷產生在兩個焊道之間，其自身高度為0.74 μm～4.38 μm，寬度占焊道寬度的1/2以上。金相檢驗結果與相控陣檢測結果一致，驗證了該檢測方法的有效性。

圖8 有缺陷樣管的金相檢驗結果

4 結語

采用專用的相控陣掃查裝置配合帶有曲率的柔性楔塊在焊縫上進行檢測，可克服奧氏體晶粒對超聲波傳播聲束的影響，減少管徑曲率和余高對耦合的影響。通過在車間產品上的檢測應用，該裝置取得了良好的檢測效果，可推廣應用于超臨界機組和超超臨界機組鍋爐高溫部件的異種鋼和其他材料焊縫層間未熔合缺陷的檢測；彌補了射線檢測的局限性，并可用于氣孔、夾渣等焊接缺陷的檢測。