電站鍋爐異種鋼受熱面管的相控陣超聲檢測

李 輝,錢亞勇,孫賀斌,張洋洋

(甘肅電力科學研究院技術中心有限公司，蘭州 730050)

在役電站鍋爐，特別是超臨界電站鍋爐的受熱面管，其高溫段普遍采用奧氏體鋼和鐵素體鋼對接接頭。多數異種鋼對接接頭的失效原因都是其存在焊接缺陷，同時奧氏體和鐵素體線膨脹系數的不同造成了異種鋼熔合線附近區域存在較高的水平應力[1]，在機組運行的交變熱應力、管內氣流波動引起的振動應力的共同作用下，異種鋼對接接頭的熔合線附近受到了較大的循環應力作用，疲勞類型為低周疲勞，當機組運行(56)×104h后，載荷超過一定值時，對接接頭應力集中部位開始失效[2]，進而造成機組泄露。

目前對在役異種鋼對接接頭的檢測方法主要為滲透檢測和A型脈沖超聲檢測，雖然這兩種檢測方法配合使用能覆蓋檢測整個對接接頭的表面和內部，但滲透檢測只適用于表面開口型缺陷，A型脈沖超聲檢測受管壁厚度、管子曲率、檢測靈敏度等因素的影響較大，同時受技術人員水平的影響，整體檢測結果不理想[3]。某超臨界電站鍋爐(660 MW)高溫過熱器異種鋼受熱面管(T91/SA-213TP347H型)對接接頭結構如圖1所示，筆者從檢測效率、安全性等方面考慮，采用相控陣超聲檢測方法，選用合理的檢測工藝，現場檢測120根管子，發現其中7根管子對接接頭存在異常反射波。為驗證檢測工藝的合理性，對其中1根存在異常反射波的對接接頭進行切割，并進行了X射線檢測、焊縫解剖和金相分析。

圖1 受熱面管結構示意

1 相控陣超聲檢測原理及特點

相控陣超聲技術是通過控制各個獨立陣元的延時，生成不同指向性的超聲波波束，并利用其進行檢測的一種新技術，可檢測復雜形狀的物體，克服了常規A型超聲脈沖法的一些局限。

相控陣超聲檢測技術較A型脈沖反射法超聲檢測技術具有以下優點：① 聲束精確可控，靈活性好，尤其適用于復雜結構工件的檢測;② 缺陷以圖像方式顯示，直觀且可記錄，重復性好;③ 可獲得更高的檢測靈敏度、分辨率和信噪比;④ 檢測速度更快;⑤ 對現場數據采集操作人員的要求降低。

2 相控陣超聲檢測工藝

同種鋼小徑管對接接頭的相控陣超聲檢測應用廣泛，經過多年的發展，其技術較為成熟，已得到各單位的認可[4]。近年來，GB/T 32563-2016，DL/T 1718-2017等標準的頒布，也使得相控陣超聲檢測技術在同種鋼焊縫中的應用更有權威性[5]。異種鋼對接接頭的相控陣超聲檢測技術尚無典型的、具有說服力的應用案例，技術研究與應用都處于起步階段，也無相應標準支撐，所發布的相控陣超聲檢測標準也不適用。為找到適用于異種鋼對接接頭相控陣超聲檢測的檢測方案和檢測工藝，筆者通過大量對比試驗和工藝驗證，找到了相對合理的檢測工藝。

2.1 儀器

采用ISONIC 2009型便攜式多功能相控陣超聲檢測儀進行試驗。采用多項模式組合軟件，對焊縫進行精細化專項檢測，能實現壁厚不小于2.8 mm焊縫的多靈敏度、多角度檢測。

2.2 探頭

選用線性探頭，探頭頻率為4 MHz；陣元數量為16 ，陣元寬度為0.5 mm，長度為10 mm，使用扇形掃描方式進行檢測，扇形角度為30°～75°。

2.3 楔塊

采用廠家定做的曲率與現場高溫過熱器管的表面相匹配的楔塊,楔塊與管壁的間隙小于0.5 mm，楔塊中聲速為2 337 m·s-1。

圖2 探頭及定制楔塊實物

2.4 校準試塊

采用與受熱面管管徑曲率接近的DL-1 #2試塊(參考標準DL/T 820-2002)和CSK-ⅠA試塊(參考標準NB/T 47013.3-2015)進行相控陣超聲儀器角度增益修正補償、掃描范圍和探頭基本參數的測定。

2.5 參考試塊

取該電站早期檢修更換的高溫過熱器異種鋼受熱面管2根[型號分別為T91和SA-213TP347H，規格為φ44.5 mm×9 mm(直徑×壁厚)]，經過表面檢測、A型脈沖超聲檢測、X射線檢測，對接接頭表面、內部均未發現缺陷，這樣可確保在進行相控陣超聲儀器調試過程中樣管制作的人工缺陷不會受到其他缺陷干擾。將樣管沿軸線分為兩半，得到4個樣管，分別在樣管的外壁、內壁上加工人工缺陷，其參數如表1所示。

表1 參考試塊人工缺陷參數 mm

2.6 系統調試

采用DL-1 #2試塊進行線性、聲速、延時校準。利用參考試塊(編號1)制作DAC曲線(距離-波幅曲線),并進行靈敏度校準。DAC曲線的制作參考標準DL/T 820-2002中對奧氏體小徑管的制作要求。將探頭置于參考試塊的外壁，找到內外壁短槽的最高反射波，并調整波幅至滿屏刻度80%，將此時的當量作為基準靈敏度，增加3 dB作為掃查靈敏度。靈敏度設定完成后，在其余參考試塊上進行驗證，對不同參考試塊的檢測數據進行比對，可知扇形掃查顯示的人工缺陷圖像直觀、準確，檢測數據與人工缺陷的數據誤差較小。

2.7 探頭位置的設置

根據壁厚、焊縫寬度、坡口形式設置聲束覆蓋范圍。該檢測受高溫過熱器管排間距及頂棚位置影響，未使用掃查器(手動扇掃)，通過調整探頭距焊縫位置來控制聲束覆蓋區域。設置探頭距焊縫0 mm，確保一次波對焊縫根部及焊縫中間部位的覆蓋，其超聲聲場如圖3所示。設置探頭距焊縫15 mm，確保二次波覆蓋焊縫上表面，同時三次波也能掃查到焊縫根部區域，其超聲聲場如圖4所示，兩個位置的設置，應盡可能地對焊縫、熱影響區進行全覆蓋，避免出現檢測盲區。

圖3 探頭距焊縫0 mm聲場示意

圖4 探頭距焊縫15 mm聲場示意

2.8 缺陷的判定

因目前尚無可直接執行的異種鋼對接接頭相控陣超聲檢測標準，筆者經過查閱相關文獻資料，參考標準DL/T 820-2002中奧氏體小徑薄壁管焊接接頭的缺陷評定標準對缺陷進行判定。

不允許存在的缺陷[5]：① 裂紋、坡口未熔合、層間未熔合及密集性缺陷；② 單個缺陷回波波幅不低于DAC+4 dB者；③ 單個缺陷回波波幅不低于DAC，且指示長度大于5 mm。

允許存在的缺陷：單個缺陷回波波幅低于DAC+4 dB，且指示長度不大于5 mm。

3 檢測過程

3.1 現場檢測

該電站鍋爐高溫過熱器出口側異種鋼對接接頭位于頂棚管下方約30 mm處，部分對接接頭緊貼頂棚管，檢測位置受限，無法使用X射線法進行檢測。采用相控陣超聲法檢測時也只能從異種鋼對接接頭不銹鋼一側進行檢測(見圖5)。

圖5 異種鋼對接接頭檢測現場

對現場120根異種鋼管對接接頭表面及不銹鋼母材側100 mm范圍內進行打磨處理，并對對接接頭表面先進行滲透檢測，滲透檢測未發現相關缺陷顯示。相控陣超聲檢測均只能從不銹鋼側進行單邊檢測，檢測時先調整好掃查靈敏度，通過調整探頭距對接接頭的位置，保證聲束能覆蓋整個對接接頭，探頭不進行前后移動，只做周向移動。通過現場檢測，共發現7根存在缺陷，其中3根存在標準不允許的缺陷。圖6為編號31-A-8焊縫檢測時發現的嚴重超標缺陷的反射波波形，表2所示為現場相控陣超聲檢測發現的缺陷匯總。

圖6 編號31-A-8焊縫嚴重缺陷的波形

表2 現場相控陣檢測發現的缺陷匯總

與電站技術人員溝通后，決定對其中編號31-A-8的異種鋼對接管進行換管，并將更換下來的包括對接接頭在內的長度為350 mm的管子帶回實驗室做進一步檢測驗證。

3.2 實驗室檢測

3.2.1 X射線檢測

對編號為31-A-8的異種鋼管對接接頭進行相控陣超聲檢測復查，復查結果與現場檢測結果一致，但采用X射線檢測對該對接接頭進行傾斜透照橢圓成像，相隔90°透照2次，未發現缺陷。

3.2.2 滲透檢測

使用線切割對編號31-A-8異種鋼管沿軸向進行了解剖。因缺陷長度為40 mm，具體切割時選取缺陷嚴重部位，從缺陷長度的中間位置切割。在切開的對接接頭截面上，按金相檢驗流程進行機械拋光和腐蝕，肉眼未見缺陷，因此對其進行了滲透檢測，發現1處直徑約2 mm的圓形缺陷。圖7為滲透檢測檢出缺陷的形貌。

圖7 滲透檢測檢出缺陷的形貌

3.2.3 金相檢驗

圖8 滲透檢測檢出缺陷的金相照片(20倍)

圖9 滲透檢測檢出缺陷的金相照片(500倍)

在滲透檢測發現缺陷的位置做好標記，并對表面進行清理，在低倍和高倍金相顯微鏡下觀察缺陷，缺陷位于不銹鋼側母材與對接接頭的熔合線處，根據缺陷形貌，確認為未熔合缺陷。在截面上對缺陷的深度和水平位置(探頭距缺陷的位置)進行了測量，其深度約為4 mm,水平位置為3 mm。該缺陷20倍金相照片如圖8所示，500倍金相照片如圖9所示，不同方法檢出的缺陷參數對比如表3所示。

表3 不同檢測方法檢測的缺陷參數對比

4 結論

對編號為31-A-8的異種鋼管對接接頭中的超標缺陷進行相控陣超聲檢測，定性該缺陷為未熔合。采用合理的檢測工藝，可以檢出異種鋼對接接頭中的未熔合缺陷，而異種鋼對接接頭組織不均勻導致的各向異性和聲學性能變化會造成實際檢測數據存在偏差。相控陣超聲檢測深度要比實際深度更淺，水平距離也要小于實際距離。同時，在實驗室進行相控陣超聲檢測時發現，在T91側(鐵素體側)進行檢測時，奧氏體不銹鋼側的缺陷波幅較小，且缺陷位置偏差較大，因此對于異種鋼對接焊縫在實際的檢測過程中或制定檢測工藝時，盡量進行雙側檢測，確保缺陷不漏檢。

相控陣超聲檢測技術相比X射線檢測技術，能更好地發現未熔合等面積型缺陷，而這種缺陷也是造成在役電站鍋爐奧氏體和鐵素體異種鋼對接接頭早期失效的主要原因。因此，在在役電站鍋爐奧氏體-鐵素體異種鋼對接接頭的檢測中，選擇合理的檢測工藝，采用相控陣超聲檢測技術配合滲透檢測可以得到更好的檢測效果，在檢測效率和準確性方面也高于A型脈沖超聲檢測和X射線檢測技術。