PDF《奥氏体异种钢薄壁小径管焊缝裂纹超声相控阵检测》

奥氏体异种钢薄壁小径管焊缝裂纹超声相控阵检测 江野1,王东1,秦小阳

2 , 刘文生

1 , 贾少威

1 (1.

中国大唐集团科学技术研究院有限公司华中分公司,郑州 450000;

2. 大唐三门峡发电有限责任公司,三门峡 472100) 摘要: 将超声相控技术用于奥氏体异种钢薄壁小径管对焊接焊缝的裂纹检测,采用专用超声相控阵换能器和楔 块,通过仿真模拟确定检测工艺参数,并制作对比试样进行试验研究. 结果表明,该技术可以有效检测出焊缝熔合 线处长

5 mm,宽0.2 mm,深1mm 的内、外壁的人工缺陷,并且对于焊缝表面裂纹深度可以进行准确的定量分析. 关键词: 奥氏体异种钢;

超声相控阵;

薄壁小径管;

焊缝裂纹 中图分类号:TG 441.7 文献标识码:A doi:10.12073/j.hjxb.2018390213

0 序言现代超 (超) 临界大型电站锅炉的高温过热器和 再热器中,在高温高压段采用奥氏体不锈钢,而在其 它部位采用铁素体钢进行经济的优化组合,这样既 满足了使用要求,又降低了成本,但同时带来了奥氏 体异种钢焊缝的问题. 国内外实践表明,电站锅炉 奥氏体异种钢焊缝存在早期失效,其中焊缝裂纹引 起的失效占相当大的比例,并且锅炉参数越高运行 时间越长失效概率越大. 近年来,随着使用的奥氏 体异种钢接头越来越多,已经使用的许多奥氏体异 种钢焊缝也接近或超过了异种钢接头早期失效时 间[1] ,针对异种钢焊缝,国内近年来相继提出了超声 波纵波斜入射检测的方法 [2] 、超声波横波检测的方 法[3] 、超声爬波对异种钢焊接接头进行检测的方法 [4] 等. 但是由于奥氏体钢的声学特性,常规超声波检 测方法检测灵敏度低,而且缺陷反射波不易识别, 对检测人员的素质要求比较高,因此急需一种高效 直观的检测方法. 文中选取某超临界电站锅炉受热面 中壁厚最薄的奥氏体异种钢焊缝 (材质 TP347H/T91, 规格 φ51 mm*4 mm),研究超声相控阵检测技术在 奥氏体异种钢薄壁小径管焊缝裂纹检测中的应用.

1 奥氏体异种钢焊缝失效及检测 统计资料表明,当电站锅炉运行约 4~5 万小时 后,锅炉受热面中奥氏体异种钢焊缝在多种因素的 共同作用下开始产生蠕变裂纹,裂纹一般产生于低 合金钢侧熔合线处,内、外壁均可能出现裂纹 [5] . 在役奥氏体异种钢焊缝常用检测方法为渗透 与常规超声. 其中渗透只能检测表面开口缺陷,具 有一定局限性;

常规超声检测方法在实际应用中, 由于受热面管径小壁厚薄,以及奥氏体材料的声学 各向异性,再加上其焊缝由两种不同成分、不同晶 体结构的金属互相掺合,其低合金侧熔合线附近出 现了化学成分、金相组织、力学性能和物理性能的 不均匀性,使检测灵敏度大大降低,增大了缺陷检 出难度.

2 超声相控阵检测工艺 超声相控阵是采用一个探头多个晶片的有序 排列,利用计算机技术按预先规定的延迟时间激发 各个晶片,所有晶片发射的超声波形成一个整体波 阵面,能有效地控制发射超声束 (波阵面) 的形状和 方向,能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦. 2.1????超声相控阵换能器 综合考虑电站锅炉受热面受热面管子管径小 曲率大、且排列紧密、实际扫查空间较小的特点,试 验选择自聚焦换能器 7.5S16-0.5*10-D10,部分参 数详见表 1. 采用弧形晶片,具有周向自聚焦功能, 能有效改善声场形状,如图

1 所示. 2.2????楔块 试验定制了 SD10-N60S-IH-AOD60.33 楔块, 收稿日期:2017 ?

06 ?

30 第39 卷第8期2018年8月焊接学报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION Vol.39(8):119 ?

122 August

2018 入射角度为 39°,整体尺寸设计为长度 L=18 mm, 宽度 W=22 mm,高度 H=12 mm,制作材料选择聚苯 乙烯,楔块内纵波声速为

2 337 m/s,楔块前段设有 消声槽,镶嵌阻抗橡胶,可以有效降低界面反射波 的干扰. 2.3????声束仿真模拟 φ51 mm*4 mm 的薄壁小径管焊缝余高宽度一 般在 8~12 mm 之间,焊缝余高会造成多次反射波的 声场畸变和衰减. 利用 ES Beam Tool 仿真软件,模 拟研究发现采用直射波、一次反射波对焊缝可以进 行全覆盖扫查,其中外壁缺陷采用一次反射波扫 查、内壁缺陷采用直射波扫查,当扫查角度在 40°~80°范围内,探头放置在距离焊缝中线为 3~

5 mm 时,可以满足全覆盖扫查要求,如图

2 所示.

3 试验方法 3.1????对比试样 以某超临界机组末级再热器规格为 φ51 mm*

4 mm 材质为 TP347H/T91 时的异种钢对接焊缝为 试样,加工制作了

4 个对比试样,每个对比试样制 作有

3 个不同深度的人工缺陷,如表

2 所示. 3.2????试验过程 试验仪器采用 PHASCAN 相控阵检测仪,换能 器,7.5S16-0.5*10-D10,楔块,SD10-N60S-IH-AOD 60.33,在TP347H 侧扫查时选择声速为

3 090 m/s, T91 侧扫查时选择声速

3 310 m/s,其它基本参数和 聚焦法则的设置见表 3. 将探头分别放在对比试样 焊缝两侧管壁外弧面上,探头前端离焊缝中心线 表?1???换能器参数 Table?1????Transducer?parameters 参数 中心频率f/MHz 阵元数目 n 阵元间距 φ/mm 阵元间隙 δ/mm 阵元宽度w/mm 换能器长度l/mm 宽度d/mm 高度h/mm 设计值 7.5±0.1

16 0.5 0.1

10 22

25 10 表?2???对比试样 Table?2????Contrast?sample 试样 编号 缺陷 数量(个) 缺陷 编号 缺陷尺寸(mm) 长*宽*高长*宽*深 缺陷位置 1号315*0.2*1 T91侧外表面熔 合线处

2 5*0.2*2

3 5*0.2*3 2号315*0.2*1 T91侧内表面熔 合线处

2 5*0.2*2

3 5*0.2*3 3号315*0.2*1 TP347H侧外表 面熔合线处

2 5*0.2*2

3 5*0.2*3 4号315*0.2*1 TP347H侧内表 面熔合线处

2 5*0.2*2

3 5*0.2*3 表?3???仪器设置参数 Table?3????Instrument?parameter?setting 检测范围 s/mm 增益 x/dB 扫描类型 聚焦类型 扫查角度θ/(°) 15.64

27 扇形 真实深度 40~80 图?1????换能器在小径管中的声场形状 Fig.?1????Sound?field?shape?of?transducer?in?small?diameter tube 图?2????声束覆盖范围 (mm) Fig.?2????Sound?beam?coverage

120 焊接学报第39 卷3~5 mm,以增益

27 dB 为检测灵敏度,对试样的

3 处人工缺陷进行检测,探头不做前后移动,只在检 测面上沿焊缝周向匀速移动. 3.3????试验结果与分析 3.3.1

1 号对比试样 探头放置于人工缺陷侧时有

3 处明显的缺陷 反射图像,如图 3a~c,图中圆圈内为缺陷反射信号 图像,成像位置与缺陷在焊缝的位置一致,对3处缺 陷信号进行深度方向测量,分别为 1.1,2.0,3.4 mm;

探头放置于人工缺陷对侧时无明显缺陷反射图像, 如图 3d. 3.3.1

2 号对比试样 探头放置于人工缺陷侧时有

3 处明显的缺陷 反射图像,详见图 4a~c,图中圆圈内为缺陷反射信 号图像,成像位置与缺陷在焊缝的位置一致,由于 扫查角度限制,缺陷不具备定量的基础;

探头放置 于人工缺陷对侧时无明显缺陷反射图像,如图 4d. 3.3.3

3 号对比试样 探头放置于人工缺陷侧时有

3 处明显的缺陷 反射图像,详见图 5a~c,图中圆圈内为缺陷反射信 号图像,成像位置与缺陷在焊缝的位置一致,对3处缺陷信号进行深度方向测量,分别为1.2,2.4, 3.5 mm;

探头放置于人工缺陷对侧时无明显缺陷反 射图像,如图 5d. 3.3.4

4 号对比试样 探头放置于人工缺陷侧时有

3 处明显的缺陷 反射图像,如图 6a~c,图中圆圈内为缺陷反射信号 图像,成像位置与缺陷在焊缝的位置一致,由于扫 查角度限制,缺陷不具备定量的基础;

探头放置于 人工缺陷对侧时无明显缺陷反射图像,如图 6d. 图?3????1 号对比试样缺陷检测效果 Fig.?3????Defect?detection?effect?diagram?of?No.1?contrast sample 图?4????2 号对比试样缺陷检测效果图 Fig.?4????Defect?detection?effect?diagram?of?No.2?contrast sample 图?5????3 号对比试样缺陷检测效果 Fig.?5????Defect?detection?effect?diagram?of?No.3?contrast sample 第8期江野,等:奥氏体异种钢薄壁小径管焊缝裂纹超声相控阵检测

121 从试验效果可知,超声相控阵可以迅速准确 检测出探头放置本侧焊缝熔合线处长

5 mm,宽0.2 mm,深1mm 的内、外壁人工缺陷,在扇扫成像 图上可以清晰地呈现出人工缺陷的反射图像,成像 位置与缺陷在焊缝上的位置一致,和焊缝坡口轮廓 线相对应,非常直观明了,可以实现对缺陷的准确 定位. 对于焊缝外壁人工缺陷,缺陷反射图像高度 与缺陷实际深度成正比,通过定量分析可以实现缺 陷较为准确的定量,误差在 0.5 mm 内.

4 结论(1) 超声相控阵检测技术可以有效检测出奥氏 体异种钢焊缝本侧熔合线处长

5 mm,宽0.2 mm, 深1mm 的裂纹缺陷,对于内、外表面的裂纹缺陷 都能保证足够的灵敏度. (2) 超声相控阵检测技术无法从奥氏体异种钢 焊缝对侧检测出熔合线处人工缺陷,对于奥氏体异 种钢焊缝的超声相控阵检测应采用焊缝双侧扫查 的方式. (3) 对于奥氏体异种钢焊缝熔合线处的表面裂 纹,超声相控阵在实时成像检测的基础上可以进行 较为准确的定量分析. 参考文献: 吕文广, 章应霖, 曹晟, 等. 过热器/再热器异种钢接头热应力 分析与坡口改进[J]. 武汉水利电力大学学报, 1998(6):

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68 ? 70. [5] 作者简介:江野,男,1990 年出生,本科,助理工程师. 主要从事电 力行业金属材料及无损检测新技术的应用研究. 发表论文

2 篇. Email: jiang8847728@163.com 图?6????4 号对比试样缺陷检测效果图 Fig.?6????Defect?detection?effect?diagram?of?No.4?contrast sample

122 焊接学报第39 卷 ........