汽包中徑管管座角焊縫超聲波探傷方法研究

(1.河北省電力試驗研究所，河北 石家莊050021；
2.馬頭發電總廠，河北 邯鄲 056044)

    摘 要：提出了利用小角度縱波探頭和橫波探頭相結合對汽包中徑管管座角焊縫進行超聲波探傷的方法，對小角度縱波探頭進行了設計，對兩種探頭的標準反射體與判傷標準進行了統一。實踐證明，該方法可以有效解決汽包中徑管管座角焊縫超聲波探傷問題。
   關鍵詞：電站鍋爐；汽包；角焊縫；超聲波檢驗

    在電站鍋爐承壓部件中，汽包是加熱、蒸發、過熱3個階段的連接樞紐，是承受壓力最高的部件，汽包質量直接影響整個鍋爐的**運行。
    汽包的上升管、飽和導汽管、分散降水管等一般為中徑管，其外徑108～213 mm,壁厚10～22mm，這些中徑管管座以角焊縫的形式與汽包筒體相連接。與汽包相連的管座在應力作用下的變形與筒體孔邊緣的變形不一致，兩者要相互協調，必然引起附加的彎曲應力，汽包中徑管管座角焊縫(以下簡稱角焊縫)在運行時是應力集中系數較高、受力復雜的部位，因此加強角焊縫的質量檢驗與監督非常重要。
1  角焊縫超聲波探傷存在的問題
   超聲波探傷對面積和體積型缺陷的檢出靈敏度較高，但對于角焊縫的超聲波檢驗存在如下問題。
1.1用普通探頭進行超聲波探傷時存在不可探區
    角焊縫的結構如圖1所示，根據其結構，采用縱波和橫波超聲波探傷，探頭在縱波探傷時置于A位置，在橫波探傷時置于B位置。普通縱波探頭置于A位置進行探傷時，在角焊縫的根部存在一主聲束不能掃查的區域Z，以汽包筒體直徑1 790mm、母材厚度95 mm、引出管直徑φ159 mm×16 mm的角焊縫為例，計算其不可掃查區域Z為7.54mm。

 如果利用普通直探頭在A位置進行探傷，主聲束不能掃查到根部易出現的未焊透缺陷，從而造成漏檢
1.2 角焊縫的缺陷波與結構波不易區分
   由于汽包壁厚一般為85～203mm，中徑管管座的壁厚為10～22 mm，后者相對前者而言較小，其角焊縫尺寸也相對較小，在利用普通直探頭在A位置進行探傷時，缺陷的回波聲程與底面、焊縫外表面的回波聲程相差不大，其回波不易區分。
1.3側壁效應對探傷靈敏度的影響
    利用普通直探頭在A位置進行探傷時,若探頭靠近開孔的邊緣，孔側邊反射的縱波和橫波與直接傳播至缺陷的聲波互相干擾。研究表明，干擾的結果改變了探頭的指向性和對稱性，靈敏度有極大值和極小值，且極大值并不在探頭的軸線上，在靠近開孔邊緣區域內的靈敏度比無側壁效應的區域低許多。
2  探頭的設計與選擇
  小角度縱波探頭是在普通直探頭前加一透聲楔，使其主聲束偏離探頭晶片軸線一定角度的探頭。在利用小角度縱波探頭在A位置進行探傷時，主聲束與探頭軸線成一定的夾角，可以探測到普通探頭不能檢測的不可探區；底面和焊縫外表面的回波不能被小角度縱波探頭收到，這樣可以消除結構波對缺陷波的影響；同時可以減少或消除側壁效應的影響。
    利用小角度縱波探頭在A位置對角焊縫進行掃查以后，再利用橫波斜探頭在圖1所示的B位置檢驗中徑管管座側坡口未熔合、焊縫內夾渣、未焊透等缺陷，這樣焊縫整個截面都能被掃查到。
2．1小角度縱波斜入射探頭入射角度的選擇
2.1.1 小角度縱波斜入射探頭入射后的波形分析
   當超聲波以一定角度斜入射到異質界面時會產生反射和折射，傳播方向遵循斯涅耳定律：
   
式中α₁——縱波入射角；
   β₁——縱波折射角；
   β₂——橫波折射角；
   c_L1——**介質中的縱波速度；
   c_L2——**介質中的縱波速度；
   c_s2——**介質中的橫波速度。
   當α₁小于**臨界角時，在鋼中將產生折射橫波和縱波，小角度縱波探頭正是利用折射原理獲得的。當縱波傾斜入射后縱波和橫波的聲程差為△τ，即：

    式中，T為反射體聲程，對于小角度縱波入射，一般入射角比較小，cosβ₁≈1， cosβ₂≈1，鋼中的c_L2＝5900m/s、c_s2＝3 230 m/s。因此式(2)可變為：△τ＝0.8T。對角焊縫超聲波探傷時，汽包壁超過100mm，利用小角度縱波探傷時，橫波在缺陷縱波訊號聲程后的0.8 T位置出現，折射橫波不會對縱波產生干擾。
2.1.2 小角度縱波探頭的反射聲壓
   在角焊縫探傷時，最容易出現未熔合和根部未焊透的現象。這兩種缺陷都是面積型缺陷，類似于端角反射。在利用小角度縱波探頭進行探傷時，應注意回波反射聲壓問題，即傾斜入射的小角度縱波在被這兩種缺陷反射后，應有足夠的能量被探頭接收到。
    入射縱波在端角的反射系數如圖2所示，當入射角度≤100°時，聲壓最低反射系數≥30％。因此設計入射角度時，折射角不應超過10°。
2.1.3 小角度縱波探頭折射角的選擇
    200 MW以上機組的汽包壁厚最小為100mm，如果所設計的小角度縱波探頭主聲束能夠掃查到壁厚為100mm的汽包根部不可探區缺陷，那么，也能掃查到壁厚大于100mm的汽包根部不可探區缺陷。

    在200MW以上機組的汽包引出管中，159 mm×16mm管使用得最多。在此，以φ159 mm×16mm為例說明探頭折射角度的選擇。汽包規格選擇1 790 mm×100 mm,H為100 mm，如圖1所示。在A位置利用普通直探頭進行探傷時，在角焊縫根部存在主聲束不能掃查的區域Z為7.54mm。如果利用小角度縱波探頭進行探傷，其前沿l₀為10mm時，欲掃查到整個焊縫，其折射角應為

   選擇小角度縱波探頭的折射角為9°，既滿足了根部不可查區域的掃查，又能滿足較高的聲壓反射率。為增強探頭的指向性，選擇探頭的頻率為5 MHz。
2.2斜探頭的選擇
    由于小角度縱波探頭在A位置對管座角焊縫進行掃查時，對引出管座側的坡口未熔合檢驗靈敏度較低；對于小角度縱波探頭所發現的內部缺陷如夾渣、氣孔需要進行復核，在利用小角度縱波探頭在A位置進行探傷以后，需要在圖1所示B位置利用橫波斜探頭對角焊縫進行掃查。在利用斜探頭對角焊縫進行探傷時，可選用普通斜探頭。
3  標準反射體的選擇與判傷標準的確定
3.1標準反射體的選擇
    小角度縱波探傷時可以采用φ2 mm平底孔作為探傷靈敏度的標準反射體，斜探頭探傷時以CSK-IIIA作為標準試塊，φ1 mm×6mm短橫孔作為標準反射體。
  在利用小角度直縱波探頭進行探傷時，如果采用平底孔作為標準反射體，要求平底孔與聲束軸線垂直，且應包括不同聲程和不同直徑的平底孔，需要制作一系列的標準反射體試塊，不適合現場應用。由于小角度直縱波探頭的主聲束和晶片軸線成一定夾角，類似于橫波斜探頭，因此可采用橫波斜探頭常采用的短橫孔來作為標準反射體。短橫孔反射體試塊的優點是不同深度的短橫孔可以做成一個試塊，試塊的體積小，攜帶方便。
    在3倍近場區以外，縱波入射直徑為D_f、長為l_f的短橫孔的聲壓反射公式為：
   
   在3倍近場區以外，縱波反射面積為F_f的平底孔的聲壓反射公式為：
   
(3) 式除以（4）式得：
    
    令H_f1＝H_f2,將5MHz時縱波波長λ=1.18 mm, l_f=6mm,D_f＝1 mm代入（5)式得＝φ2.03 mm。由此可知，利用5 MHz的小角度縱波探傷時，φ1 mm×6mm的短橫孔在3倍近場區以外的聲壓反射強度與φ2 mm平底孔相同，因此可以用φ1 mm×6 mm的短橫孔代替φ2 mm平底孔作為標準反射體來確定探傷靈敏度。
3.2判傷標準的確定
3.2.1 點狀缺陷的判傷標準
    根據JB4730-1994《壓力容器無損檢測》對焊縫射線探傷的規定，點狀缺陷最大尺寸不能超過壁厚的一半，鍋爐汽包中徑管管座的壁厚為10～22 mm,取最薄壁厚10 mm，允許最大的氣孔尺寸為φ5mm,可以推算出其當量為φ1×6+7dB。斜探頭采用的JB1152-1981中的判廢標準為壁厚8～15 mm，判廢當量為φ1×6+2 dB; 壁厚15～46 mm判廢當量為φ1×6+5 dB。與φ1×6+7 dB相比，顯然 JB 1152-1981規定的判廢標準更嚴格。利用小角度縱波探頭對角焊縫進行探傷時可以采用JB 1152-1981規定的判廢標準,這樣，采用小角度縱波探頭在A位置對角焊縫進行掃查和利用橫波斜探頭在B位置對角焊縫進行掃查時，可以采用統一的標準反射體和探傷靈敏度進行探傷。探傷靈敏度見表1。

3.2.2未焊透的判傷標準
   根部未焊透類似于端角反射，不能采用以上探傷靈敏度，利用超聲波探傷方法檢驗未焊透時宜采用對比法，在試塊上模擬未焊透缺陷。未焊透的尺寸可以參考DL/T 820-2002《管道焊接接頭超聲波檢驗技術規程》的規定，見表2，標準反射體采用1.5mm深的月牙槽。

    當缺陷反射波波幅大于或等于用1.5 mm深的月牙槽的反射波幅時，以缺陷反射波幅評定；當缺陷反射波波幅小于用1.5 mm深的月牙槽的反射波幅時，以缺陷的指示長度評定。
3.3危險性缺陷
   探傷中如檢驗人員能判定缺陷性質為裂紋、未熔合等危險性缺陷時，該焊接接頭為不合格接頭。
4  現場角焊縫超聲波探傷應用
    馬頭發電廠^＃7爐為DG670/13.7-8，汽包壁厚為95 mm,分散降水管管座角焊縫的尺寸為φ159 mm×16 mm，飽和導汽管管座的規格為φ108 mm×10 mm，材質為20G。檢驗結果發現全部管座存在根部未焊透、坡口未熔合等缺陷訊號，缺陷存在于整個管座角焊縫，缺陷訊號清晰。在返修中解剖證實超聲波探傷發現的缺陷全部存在，最嚴重的根部未焊透、坡口未熔合、裂紋距根部已達到11mm深。缺陷產生的原因是由于管座角焊縫的坡口設計不合理，焊工在焊接時未進行打底接，直接進行了蓋面焊接。
5  結論
    a.針對汽包中徑管管座角焊縫的結構特點，利用小角度縱波探頭結合橫波探頭，在對角焊縫進行掃查時，可以將整個角焊縫截面掃查到，缺陷回波清晰，不受結構回波的影響，減少了側壁效應的影響，可以完成角焊縫的內部質量檢驗。
    b.將小角度縱波探頭和橫波斜探頭的標準反射體與探傷靈敏度進行了統一，統一采用1 mm×6mm短橫孔作為標準反射體，使標準反射體試塊結構緊湊，攜帶方便。
    c.實踐證明，利用小角度縱波探頭和橫波探頭對角焊縫的內部缺陷進行超聲波檢驗的方法具有理論正確、操作簡單、易于推廣的特點。