徑管超聲波探傷工藝的制定

王愛民,吳理平

摘要:介紹了小徑管超聲波探傷工藝在《電力建設施工及驗收技術規范(管道焊接接頭超聲檢驗篇)》(DL/T 5048-95)標準基礎上的制定過程及在實際探傷中遇到的一些問題，并提出了解決方法。

關鍵詞：小徑管；超聲波；探傷；工藝；過程

小徑管超聲波探傷是近幾年我國探傷界逐漸發展起來的一項新興探傷技術，隨DL/T5048-95標準的執行，此項技術在電力系統得到普遍應用，其對“檢修焊口進行100%無損探傷”及消除“四管”泄漏有一定意義。

1  漳澤電力股份有限公司簡況

     漳澤電力股份有限公司現有6臺機組，2臺100 MW，4臺210 MW。自1986年投產到1995年“四管”因焊口泄漏達540次，占金屬部件泄漏總次數的45 %，造成了很大的經濟損失。1995年以后，隨著小徑管超聲波探傷技術的發展及漳澤電力股份有限公司消除"四管"中焊口泄漏的需要，此項技術開始在過熱器、再熱器、省煤器、水冷壁的檢修更換中得以應用，使檢修焊口檢驗率達100 %，檢修焊口合格率達100%，檢驗過的焊口至今未發生泄漏，為機組**運行奠定了堅實的基礎。

      漳澤電力股份有限公司小徑管超聲波探傷的特點是：小徑管規格較多，有φ32mm×4 mm、φ32 mm×6 mm、φ36 mm×6 mm、φ42 mm×4 mm、φ42 mm×5 mm、φ60 mm×5 mm、φ60 mm×6 mm；異種鋼1Cr18Ni9Ti/12Gr1MoV及同種鋼1Cr18Ni9Ti焊口數量多。在探傷過程中，考慮到工期、檢驗率與射線檢驗方法間存在的實際矛盾，有些焊口探傷只能參考標準DL/T 5048-95進行， 探傷難度加大。在山西電力科學研究院的大力協助下，采用超聲波探傷方法使檢修焊口達到100%探傷，保證了檢修工作圓滿完成。現就漳澤電力股份有限公司小徑管超聲波探傷工藝的制定和取得的一些經驗進行介紹。

2  小徑管超聲波探傷工藝的制定過程

2．1 小徑管焊接工藝控制

      由于小徑管超聲波探傷受各種主、客觀因素的影響較大，為盡量減少探傷中的誤判，使探傷工藝得到普遍使用、且增加適用性，小徑管焊接工藝管理在探傷中占有較重要的位置。探傷工需注意以下3項。

2.1.1 了解小徑管焊接工藝過程

      在電力系統中，小徑管焊接目前基本采用全氬焊接或氬弧打底手工蓋面焊接方法。除可能存在焊接基本類型缺陷外，還可能存在氬弧接頭缺陷，如弧坑、接頭**等。有一些缺陷在焊接工藝評價中應給予重視，如未熔合、夾雜、氬弧接頭缺陷、外觀缺陷(焊瘤、余高過大、焊寬等)。應嚴格控制這些缺陷，盡量減少焊接缺陷類型， 為探傷提供便利條件。

2.1.2  焊樣的控制及挑選

      焊接前焊工焊接試樣練習是焊接與金屬監督的管理工作之一。焊工必須持證上崗，而焊樣代表著焊工當時的技術狀態及水平，一般讓焊工連續焊接3個試樣，從中抽取2個接近焊樣作為其代表試樣，從而準確反映出每個焊工的焊接水平及狀態，了解其可能在焊接過程中出現的焊接缺陷類型，為探傷工探前練習挑選試樣提供幫助，以便快捷準確地探傷。

2.1.3  焊接過程中的檢查

      焊接過程中的焊工自查、焊工間互查及焊接打底結束前探傷工對根部缺陷的檢查、標記收弧點等工作是至關重要的，其對探傷工控制根部缺陷，了解接頭情況，探傷中準確判定接頭缺陷有重要意義。

2.2  探傷工探前準備

2.2.1  探頭的選擇

現在市場提供的小徑管探頭規格有5 MHz 4×6、5×6、6×6、6×8 K1.5、2.0、2.5、3.0系列，4 MHz 4×6 K系列，2.5 MHz 6×8 K系列探頭。據DL/T5048-95標準，探傷中需考慮管徑、壁厚、缺陷定位、缺陷類型、焊寬等來選擇頻率盡量接近5 MHz、適當的K值(β=70°為佳)、前沿短(5 mm左右)的探頭。這是因為從式(1)、(2)中可看出頻率越高，N_Ⅱ就長，而θ₀卻越小。表1列出了晶片面積為5×6，K=2.5， L₁=1時頻率f與N_Ⅱ的關系。

N_Ⅱ＝(F×f)÷(3.14×c_Ⅱ)×cosβ÷cosα-L₂    (1)

θ₀＝57×c_Ⅱ÷f÷a(或b)        (2)

式中N_Ⅱ——在介質Ⅱ中的近場區長度，mm

     F——實際波源面積，mm²

     f——探頭頻率，MHz

     c_Ⅱ——介質Ⅱ中的聲速，km/s

      α——縱波入射角

      β——橫波折射角

     L₂——入射點至假想橫波波源的距離，mm

θ₀——矩形聲源半擴散角

在實際探傷中小徑管探頭K值在直射波、一次反射波中變化較大。從日本有關研究資料了解到，β＝70°時對未焊透、裂紋、夾渣、氣孔綜合檢測效果較佳，β＝67.5°時對1 mm以下未熔合、0.2 mm以下縱向裂紋檢測效果較差，而實際探傷中直射波、一次反射波的K值變化恰為合理選擇探頭K值提供了幫助。

2.2.2  專用對比試塊的研制

      除備用好DL/T 5048-95規定的小徑管專用試塊及補償試塊外，考慮到缺陷可能在N～3N范圍內，還研制了以下專用對比試塊。其上孔、槽須與標準專用試塊的孔、槽做比較，做好dB相差值記錄，探傷中選擇其一攜帶備用。

2.2.3  儀器調試

      為便于探傷中判定缺陷，**定位，最好使用深度調節，使顯示屏能看到二次反射波，并做好距離—                                         波幅曲線。

2.2.4  靈敏度確定

      參照小徑管曲率、表面狀況、耦合劑選用等因素來調整做好的距離—波幅曲線，然后在符合DL/T5048-95標準掃查靈敏度的基礎上，對自制的專用對比試塊1、2(見圖1)做測試，找到實際探傷中適合的掃查靈敏度。

2.2.5  探前練習

在模仿實際工作環境情況下，選擇合理探傷掃查、評判掃查方式(矩形移動、直射波環繞移動一次、反射波矩形移動、前移動定位定量、后移動定位定量對探傷能否快捷、定位定量是否準確都有一定影響)。針對上崗實際焊工焊樣中有代表性的缺陷試樣進行探前練習，為準確評判打下基礎。在專用試塊1、2上進行多次練習調試，做好個人比較數據記錄；磨合探頭使之曲率穩定；根據K值變化，確定掌握K平均值，練習缺陷定位計算，面對現場的大工作量，使探傷快捷、準確， 為現場小徑管超聲波探傷做好準備。

2.3  技術問題探討

2.3.1 探頭選用上存在的問題

DL/T5048-95規定小徑管超聲波探傷選用單晶橫波探頭工作頻率為5 MHz，從表1可看出，選用表1列探頭，探傷公稱壁厚為4 mm，考慮制造廠允許-0.4 mm的壁厚偏差， 實際探傷將遇到很大困難，選擇探頭余地較小。如適當放寬探頭頻率，如將5 MHz放寬到4 MHz，那么其對θ₀影響較小（θ₀變化相對較小，薄壁角度擴散也相對較小），而對N_Ⅱ影響相對較大，使探傷成為可能。

2.3.2  專用對比試塊的合理性

      小徑管超聲波探傷據DL/T5048-95標準主要采用直射波及一次反射波，根據表1及計算看出，缺陷在小于3N的區域內，可用試塊比較法或距離—波幅曲線法定量分析，距離—波幅曲線現場使用需經常校驗。現場攜帶對比試塊，也十分必要。采用上述試塊1、試塊2，其合理性在于試塊材料及規格取自原管件或原管件焊件對剖，表面狀況與探傷管件相同，“U”槽相當于SD-Ⅲ溝槽，見圖2示，對比相差在-1dB到2dB間，而內外管表面φ1/2T球孔可進行靈敏度校驗、缺陷半定位半定量用，且便于制造，重量輕便于攜帶。

2.3.3利用直射波回波波形確定管內缺陷

      在小徑管實際超聲波探傷中發現直射波回波顯示很有特點，只要K值選擇恰當，其根部缺陷和中間缺陷可同時通過波形反映出來，見圖3、圖4所示。因為小徑管壁薄，焊接層為2到3層，而缺陷接近中、下部，故可同時反映出直射波實際走勢，見圖5。這樣一來區分上、中、下部缺陷變得容易起來，為缺陷定位提供了幫助。                                       

2.3.4  壁厚超標,18-8鋼、18-8/12Cr1MoV焊口超聲波探傷的可行性

在實際探傷中，通常會遇到公稱壁厚為4 mm，而負偏差使管壁厚在3.7 mm左右的管材。現在中大型機組過熱器較多采用不銹鋼管材。DL/T 5048-95標準已執行近4 a，小徑管探傷技術、設備日趨成熟，焊接技術、探傷經驗也日趨豐富，小徑管焊口超聲波探傷的可行性值得探討。

從試驗來看，選用適當的頻率、較大的晶片中心點到入射點距離、小晶片尺寸的探頭、適當儀器、試塊，加上實際探傷中對波形的研究，是可以解決上、中、下缺陷定位的（因在中厚壁管探傷中定位要**到1 mm以下是不切實際的）。而在薄壁管的實際探傷中過份要求**定位也是毫無意義的。故只要解決定量問題，小徑管超聲波探傷完全可以檢測壁厚為3.0 mm的薄壁管。

漳澤電力股份有限公司鍋爐的部分小徑管采用不銹鋼材料，其中以18-8鋼為多，規格為φ42 mm×5 mm、φ36 mm×6 mm，采用全氬弧焊接，焊寬在8 mm左右，管壁表面狀態要比同規格的合金鋼管好，做成專用對比試塊對其回波幅值進行測定，利用同種鋼管材制成專用試塊2型，把異種鋼焊口磨平制成槽、孔，在焊縫中心進行比較，得到數據如表2所示。

從表2可看出18-8鋼是具備小徑管超聲波探傷條件的。對18-8鋼、 18-8/12Cr1MoV 焊口小徑管超聲波探傷進行實驗，結果令人滿意。

3  結論

     通過實際測試可以肯定對3～4 mm壁厚，18-8鋼、18-8/12Cr1MoV焊口的小徑管超聲波探傷是可行的。

    DL/T 5048-95標準執行后，使小徑管超聲波探傷有據可循。對保證“四管”焊口質量、縮短檢修工期、減少探傷工作量及焊口泄漏有十分重大的意義。