A級鍋爐管子環向對接焊接接頭超聲波檢測時關鍵參數的選取

王生才(山東華源鍋爐有限公司，山東 臨沂 276000)

0 引言

在A級鍋爐的制造過程中，根據TSG G0001—2012《鍋爐安全技術監察規程》第4.5.4.6條的要求，外徑小于或者等于159mm的管子環向對接焊接接頭，當P≥9.8MPa，100%射線或者100%超聲檢測(安裝工地，接頭數的50%)；當P＜9.8MPa，50%射線或者50%超聲檢測 (安裝工地，接頭數的25%)。即，對于這些焊接接頭，應采用射線或者超聲波無損檢測的方法進行檢測合格后，方可出廠。管子環向焊接接頭采用射線檢測可以取得較好的檢測效果，并且能將射線底片保留作為檢測的永久證據，所以射線檢測在這類焊接接頭的檢測中運用最為廣泛，但是對于有些結構復雜，射線檢測實施有困難而又被抽檢到的焊接接頭，超聲波檢測將成為不二選擇。

對管子環向焊接接頭的超聲波檢測，鍋爐范圍內的管道及其連接管道，普遍存在曲率半徑小，管壁厚度薄，常規超聲檢測困難較大的特點。雖然近年來有研究表明，采用相控陣技術這一超聲波檢測方法對管道環向焊接接頭的檢測取得了一定的進展，但是根據TSG G0001—2012《鍋爐安全技術監察規程》的要求，對于鍋爐中焊接接頭的無損檢測，執行的是NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》標準，而該標準尚未將相控陣檢測技術列入其中，所以在實際執行過程中，還是根據NB/T 47013.3—2015超聲檢測中的相關要求，采用常規的超聲波檢測方法對此類焊接接頭進行檢測。因此，有必要對其超聲檢測的關鍵參數如探頭K值，探頭前沿，耦合劑類型等進行優化選擇，以提高缺陷檢出率。

1 管道環向焊接接頭超聲檢測的技術難點

在A級鍋爐所涉及到的管道環向焊接接頭中，具有管子曲率半徑多，連接管道曲率半徑小等特點。這給超聲波檢測帶來的難度在于，由于曲率半徑小，普通探頭與檢測面間的接觸面也小，攜帶著缺陷信息的反射波信號很容易因為耦合損失而不會被探頭所接收，容易造成缺陷漏檢。再則，由于超聲波在管道內表面所面對的是凸面，其反射波的發散嚴重，檢測靈敏度將大大降低。大部分管子壁厚較薄，雜波較多，這個缺陷的判斷帶來一定的難度。鑒于此，應對超聲波檢測時，其一些參數進行優化選擇，以達到最高的檢測靈敏度。

2 關鍵參數的選取

2.1 超聲波探頭的選擇

探頭頻率和晶片尺寸是對缺陷檢出率影響較大的關鍵因素，對于探頭的頻率，頻率大小對于檢出最小缺陷的尺寸有直接的關系，超聲波的聲速、頻率、波長有如下關系：

對于既定的檢測材料，其內部超聲波的聲速也是既定的，當頻率f越高，其波長越小，而超聲波檢測能發現的最小缺陷大約為λ/2[2]，因此，從能發現最小缺陷的角度來說，超聲波的頻率應盡量選擇高一點。

對于探頭晶片尺寸的選擇，根據NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測》4.2.2.2條的要求規定，對于圓形晶片，其直徑應≤40mm；對于方型晶片，其任意邊長應≤40mm，晶片尺寸對于超聲波檢測的影響主要體現在半擴散角和近場區長度，晶片尺寸越大，對應的半擴散角越小，而近場區長度和晶片尺寸有如下關系：

從近場區越小越好的角度出發，晶片尺寸越小則其近場區長度越小，對檢測越有利。在NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測》中，壓力管道焊接接頭分為I型焊接接頭和II型焊接接頭，其中對于工件厚度為5～150mm，外徑≥159mm的區分為I型焊接接頭，其他的區分為II型焊接接頭。I型焊接接頭的超聲波檢測技術條件與平板對接焊接接頭無異，在此不做討論。對于II型焊接接頭，NB/T 47013.3—2015第6.4.3.1條：推薦采用線聚焦探頭和雙晶斜探頭，探頭頻率一般采用4～5MHz，當管壁厚大于15mm時，采用2.5～5MHz；探頭的契塊應加工成與接管外徑相吻合的形狀。對于探頭K值的選擇，根據NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測》的要求，可以按表31的要求選擇[2]。

對于II型焊接接頭超聲波檢測探頭的K值選擇，一般選擇大K值的探頭，而且其探頭前沿較短。這是由于對于管道環向焊接接頭而言，在焊接接頭的根部比較容易產生缺陷，而采用大K值，短前沿的探頭，可以至少保證一次波能掃查到焊接接頭的根部。

2.2 耦合劑的選擇

在探頭和工件之間使用耦合劑是為了保證在異質界面上有足夠的聲強透射率，當探頭和檢測面之間有存在空氣薄層時，超聲波在傳輸過程中會在空氣界面上方被全部反射回探頭契塊，而無法接收到任何關于被檢工件內部的超聲返回的信息[3]。耦合性能良好的物質，能很好的填充探頭與檢測面之間的間隙，使超聲波能夠傳輸至工件，而工件內部如果有反射信號，也使得信號能夠被探頭所接收，使超聲檢測缺陷成為可能。而除了給信號傳輸提供穩定路徑以外，耦合劑的另外一個作用是潤滑。由于耦合劑的存在，使探頭和工件之間的摩擦力得以減小，可以防止工件表面磨損探頭，探頭移動也更為方便。其作用可以歸納為以下3點：(1)為超聲信號在探頭契塊和工件之間的傳輸提供一個穩定傳輸的路徑；(2)通過耦合劑的聲阻抗性能，減少界面聲能損失，使更多的聲能到達工件以用于檢測；(3)潤滑作用，減少摩擦阻力和探頭的磨損。

在A級鍋爐的管道環向焊接接頭的超聲波檢測中，對耦合劑的要求比一般設備要更為嚴格，因為A級鍋爐長期承受壓力和火焰的共同作用，這要求耦合劑對工件應沒有腐蝕作用，而且對人員無毒無害，檢測完畢后能夠方便快捷的清除干凈。在工程實踐中，常用的耦合劑有變壓器油，甘油，水，機油，化學漿糊等，就聲壓往復透射率而言，化學漿糊19≥甘油12.5≥機油11[4]。

A級鍋爐II型焊接接頭超聲波檢測時，因檢測面為曲面，且其曲率半徑較小，雖然探頭契塊一般會加工成與檢測面相吻合的形狀，但是探頭契塊和檢測面之間還是難以避免會存在空氣間隙，選擇合適的耦合劑對檢測面和探頭之間的間隙進行填充，對于提高檢驗質量具有重要意義。在A級鍋爐II型焊接接頭的超聲波檢測中，針對上述常用的耦合劑甘油，機油，化學漿糊進行如下適用性分析：(1)甘油由于其聲阻抗特性，在三種耦合劑中能達到最好的耦合效果，但是在使用時候，需要用水對其進行稀釋，對工件具有一定的腐蝕性，如果使用，則應邊檢測邊清洗，價格也較為昂貴。(2)機油取材較為方便，對工件表面有良好的潤濕功能，具有一定的粘度，價格低廉，目前是最常用的耦合劑。(3)化學漿糊適應性較強，通過調節其濃度可以用在各種凹凸曲面上，且價格便宜，在超聲檢測中運用得越來越廣泛。

3 對比試塊的制作

A級鍋爐環向焊接接頭所采用的對比試塊應采用與被檢工件化學成分相似，且外形尺寸(主要是指曲率)應和被檢管道的尺寸相接近。對于A級鍋爐環向焊接接頭的檢測來說，應采用的試塊是GS系列，其形狀和尺寸應符合NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 超聲波檢測》圖23和表30的規定。在制作時候，應根據被檢管道的外徑進行相應試塊的制作，再使用試塊完成DAC曲線的制作。

4 試驗論證

根據前述分析，A級鍋爐環向焊接接頭的超聲波檢測時，其關鍵參數的選取有探頭的選擇、耦合劑的選擇。為了驗證不同耦合劑和不同K值的探頭，對同一缺陷的檢測敏感性，本文制作了一個模擬缺陷試件，試件尺寸管道定期檢驗時候最常遇見的φ108×5管管對接焊接接頭，所模擬的缺陷為未焊透，采用以下組合對缺陷進行檢測。

(1)5P6×6K2.5探頭前沿為4和6，甘油，機油，化學漿糊；

(2)5P6×6K3.0探頭前沿分別為4和6，甘油，機油，化學漿糊；

(3)5P6×6K2.5探頭前沿為4和5P6×6K3.0探頭前沿4，甘油，機油，化學漿糊。

圖1 K2.5探頭不同前沿和耦合劑對比

圖2 K3.0探頭不同前沿和耦合劑對比

圖3 不同K值，相同前沿探頭K值的對比

從上圖中可以得出以下結論：采用小晶片探頭能夠檢測出φ108×5管管對接焊接接頭的未焊透缺陷；不同探頭前沿值的探頭，對檢測信號的幅值具有影響，“短”前沿的探頭總是能得到比“長”前沿的探頭更高的信號幅值；在三種耦合劑的對比上，采用濃度可調的化學漿糊所得到的信號幅值在同等條件下總是最高的。采用不同K值探頭前沿相同的探頭對同一缺陷進行檢測時，大K值探頭能得到較高的信號幅值。

5 結語

A級鍋爐管子環向對接焊接接頭雖然一般采用射線檢測作為埋藏缺陷的檢測手段，但是對于有些射線檢測不便實行的結構，必須采用超聲波進行檢測。本文通過理論分析和試驗論證，得出了A級鍋爐管子環向對接焊接接頭超聲波檢測時，采用大K值短前沿探頭和選用化學漿糊作為耦合劑的對于同一缺陷具有最高的回波幅值的結論。本文方法對于鍋爐制造單位執行法規標準中關于無損檢測的規定時，具有一定的借鑒意義。