電站鍋爐無縫冷拔鋼管內壁線性缺陷檢測方法分析

張艷飛，王英軍，劉 孝，趙曉春，韓 擴

（內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

火電廠鍋爐受熱面無縫鋼管易在熱軋和冷拔過程中產生沿鋼管內壁縱向分布的線性缺陷[1]。該缺陷對鍋爐壽命存在一定影響，有引發受熱面管泄漏失效的潛在風險。其危害性目前尚無一種有效可行的短時試驗或理論仿真手段進行準確評估。因此，有必要在鍋爐安裝和在役階段對無縫鋼管內壁縱向線性缺陷進行檢測。本文介紹了兩種無縫鋼管內壁縱向缺陷檢測方法——“金相+壓扁”聯合檢測方法和超聲導波檢測方法，并對2種檢測方法的優缺點進行對比，為鍋爐安裝和在線階段及時、準確檢測受熱面冷拔鋼管內壁縱向線性缺陷提供思路和方法指導。

1 線性缺陷分析

某火電廠660 MW超臨界機組在安裝階段進行水壓試驗，壓力升至15.8 MPa時，1號鍋爐末級過熱器開裂泄漏。鍋爐型號為SG-2141/25.5-M972，過熱蒸汽出口溫度為571℃。開裂泄漏的末級過熱器管材質SA213-T91，規格為38 mm×7 mm（外徑×壁厚）。

為查明原因，從1號和2號鍋爐的末級過熱器管屏中、隨機截取27根取樣管進行理化檢測分析。宏觀形貌觀察發現，泄漏試樣鋼管外壁存在開口細小的縱向平直裂紋1處，沿管子壁厚方向裂穿，其余26根取樣管目視檢測未見缺陷。化學成分分析表明，各元素含量符合標準要求；力學性能測試表明，屈服強度、抗拉強度和維氏硬度均符合相關標準要求；顯微組織檢測分析結果顯示，2臺鍋爐末級過熱器T91鋼管內壁普遍存在縱向分布線性缺陷，缺陷形狀類似裂紋，但不同于裂紋缺陷和直道劃痕缺陷，缺陷深度為0.010～0.256 mm，一部分缺陷細小尖銳，一部分缺陷寬大圓鈍，其中10號和11號取樣管內壁線性缺陷顯微形貌如圖1所示；掃描電子顯微鏡發現裂紋內充滿填充物，經能譜分析，填充物主要成分為Fe和O元素，即為高溫氧化產物，而非夾雜物。綜合分析表明，1號鍋爐末級過熱器水壓試驗開裂泄漏的主要原因是鋼管內壁在熱軋和冷拔過程中產生縱向線性缺陷，并在缺陷尖端形成應力集中，在水壓試驗過程中，缺陷尖端脹開形成裂紋并擴展開裂，導致末級過熱器泄漏。

圖1 取樣管內壁線性缺陷

2 線性缺陷檢測試驗

鋼管制造中采用自動超聲或渦流、漏磁技術進行檢測，但不適用于基建安裝和在役鍋爐的鋼管檢測。目視檢測、滲透檢測、磁粉檢測不能有效發現內壁線性缺陷?；ò惭b和在役鍋爐管排受結構限制，無法使用A型脈沖超聲波、超聲波相控陣、渦流等常規無損檢測方法進行排查性檢測，因此分別采用“金相+壓扁”聯合檢測方法、超聲導波檢測方法進行試驗和分析，驗證其檢測鋼管內壁線性缺陷的有效性、可行性。

2.1 “金相+壓扁”聯合檢測

通過對鋼管圓截面進行金相檢測，可準確檢出線性缺陷及其沿壁厚方向深度，但不能反映缺陷在拉應力狀態下的開裂和擴展情況。壓扁試驗可以充分暴露內表面質量狀況，即使很淺的缺陷（如深度0.04 mm）也可能在環向拉應力作用下開裂、擴展[2]。因此，可以“壓至兩板到一定距離，試樣內壁不出現裂縫或裂口”[1]為判據，進行內壁線性缺陷檢測。

2.1.1 試驗步驟

“金相+壓扁”聯合檢測分為兩步。

（1）在管子直段截取壓扁試驗試樣，長度依據檢測標準而定，對壓扁試樣截面內壁側進行顯微觀察，檢測兩端截面內壁側是否存在線性缺陷。

（2）將內壁線性缺陷部位置于頂部或底部進行壓扁試驗。按照GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》要求[1]，當管子壁厚外徑比S/D＞0.1時，底部和頂部位置內表面的裂縫或裂口不應作為不合格依據。因此，當S/D＞0.1時，將線性缺陷置于上述位置之外，觀察試樣內表面是否存在目視可見的有金屬光澤的裂縫或裂口，并根據相關標準判定試樣質量是否合格。

2.1.2 金相檢測

采用“金相+壓扁”聯合檢測方法對上述27根取樣管內壁線性缺陷進行檢測。發現2臺鍋爐末級過熱器T91鋼管內壁普遍存在線性缺陷（如表1所示），其中8號試樣線性缺陷微觀形貌如圖2所示。根據金相檢測結果，88.9%的取樣管內壁存在深淺不一的線性缺陷，深度超過0.2 mm的有4根。按照GB/T 5310—2017要求，此類非尖銳芯棒擦傷引起的線性缺陷深度不允許超過0.2 mm。

表1 27根取樣管內壁線性缺陷數量統計 根

2.1.3 壓扁試驗

圖2 8號試樣內壁線性微觀形貌

上述試樣經金相檢測線性缺陷深度，并標注其在管橫截面中的方位，然后進行壓扁試驗。壓扁試驗用于檢測圓形截面金屬管材工藝性能，包括抵抗軸向開裂（拉應力所致）和抵抗軸向開裂（剪應力所致）能力，并顯示其內部缺陷和表面缺陷。壓扁試驗試樣壁厚外徑比S/D＞0.1，試驗時將金相檢測發現的線性缺陷置于壓扁試驗的頂部和底部位置之外，雖然不能準確反映鋼管的工藝性能，但可以準確檢測線性缺陷。

8號試樣內壁線性缺陷深度為0.126 mm，未超過標準范圍，但根據壓扁試驗結果，試樣除底部之外發現目視清晰可見裂縫，因此判定為不合格（如圖3所示）。

圖3 壓扁試驗觀察內壁是否破裂

2.1.4 聯合檢測結果分析

壓扁試驗后，取樣管不合格數量增加1根，總體不合格率為18.5%。由此可見，“金相+壓扁”聯合檢測方法可直觀判斷沿壁厚方向深度超過0.2 mm的線性缺陷，在壓扁過程中的拉應力作用下，還將暴露部分應力集中、類似裂紋的危害性線性缺陷。

2.2 超聲導波檢測試驗

超聲波以一定角度射入管子中，并在內外表面邊界內反復不斷地反射、傳播形成導波，可用于檢測小徑管橫截面的缺陷，包括內表面缺陷。導波傳輸距離遠，檢測速度快，且不受工件位置狀態的影響，比常規方法方便、快捷[2-7]。

本文使用超聲導波周向模式對上述2臺鍋爐的末級過熱器管內壁線性缺陷進行檢測。

2.2.1 對比試樣

為調節導波檢測靈敏度、評定檢測發現的自然缺陷當量，參照GB/T 5777—2019《無縫和焊接（埋弧焊除外）鋼管縱向和/或橫向缺欠的全圓周自動超聲檢測》制作對比試樣[8]。

取樣管材質為T91、規格38 mm×7 mm（外徑×壁厚），由鍋爐廠提供同批號備品，經金相檢測未發現內壁線性缺陷，采用電蝕法加工橫截面為V形的縱向缺陷對比試樣，V形槽截面及分布位置見圖4。

圖4 V形槽截面及分布位置示意圖

2.2.2 超聲導波檢測

以0.2 mm為判定尺度，對1號和2號鍋爐的末級過熱器進口管屏和出口管屏T91鋼管進行超聲導波檢測。共計檢測8341根彎管，其中彎管的直段檢測長度為2000 mm。掃查部位及方式如圖5所示。

圖5 掃查部位及方式示意圖

檢測結果顯示，2號鍋爐2根彎管直段部位存在超標缺陷信號，其余8339根彎管未發現深度超過0.2 mm的缺陷信號。對發現超標缺陷信號的2根管子割管進行金相復驗，發現內壁線性缺陷深度分別為0.28 mm和0.23 mm，如圖6所示。

2.3 檢測結果分析

采用“金相+壓扁”聯合方法檢測27根末級過熱器T91取樣管的不合格率為18.5%。采用超聲導波檢測同批次的8341根末級過熱器T91鋼管的不合格率為0.02%。超聲導波檢測結果經金相檢測復驗，確認為內壁線性缺陷。

2.4 超聲導波檢測不合格率低的原因分析

圖6 金相復驗內壁線性缺陷

（1）超聲導波的檢測方法雖然有效，但是對比試樣的V形槽與實際線性缺陷的形狀存在較大差別，部分內壁線性缺陷沿徑向發生傾斜，缺陷前端圓鈍不尖銳的形貌特征及缺陷走向與聲波傳播方向的關系影響缺陷反射波幅的大小。對比試樣上的人工缺陷是評定自然缺陷當量的依據，但即使檢測發現的自然缺陷信號與人工缺陷的反射波幅相等，也不能代表自然缺陷與人工缺陷的尺寸必然相等，同時人工缺陷尺寸也不能代表可檢測的最小缺陷尺寸[9]。

（2）導波檢測靈敏度與聲波傳播方向橫截面積缺損率有關。線性缺陷在多道冷拔后具有細小、閉合的特點，其造成的橫截面積缺損較少，不利于產生清晰導波反射信號。

3 結論

（1）采用“金相+壓扁”聯合方法檢測鍋爐受熱面鋼管內壁線性缺陷，結果準確，并利于排除深度雖淺但危害性大的線性缺陷，其缺點是需割管取樣檢測，檢測效率低，檢測周期長。采用周向模式的超聲導波能夠實現對鍋爐受熱面鋼管內壁線性缺陷的檢測，并具有檢測速度快，檢測前打磨工作量小的優點，但是受限于線性缺陷的特征，其檢出率較低。

（2）按照DL/T 612—2017《電力行業鍋爐壓力容器安全監督規程》的要求，火電機組應在安裝前開展安全性能檢驗[10]。鑒于線性缺陷的檢測難度較大，受熱面鋼管應在制造廠組焊組裝前開展“金相+壓扁”聯合檢測，及時及早發現和掌握線性缺陷信息，便于采取有針對性處理措施。