淺談鍋爐壓力容器超聲波檢測(cè)技術(shù)

劉 拓

(長(zhǎng)沙水澤加熱設(shè)備制造有限公司 ,湖南長(zhǎng)沙 410004)

目前,我國(guó)絕大部分在役鍋爐壓力容器的接管角焊縫處于不檢查狀態(tài),潛在危險(xiǎn)大。加強(qiáng)超聲波檢測(cè)技術(shù)的探討對(duì)提高鍋爐壓力容器缺陷檢測(cè)質(zhì)量,提高容器運(yùn)行效果具有重要的意義。

1 超聲波檢測(cè)技術(shù)的原理

超聲檢測(cè)主要應(yīng)用超聲波在材料中的傳播特性,以及超聲波與缺陷的相互作用機(jī)理來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。理論上,超聲波在無(wú)限大均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的,但實(shí)際上,任何介質(zhì)總有邊界,當(dāng)超聲波在非均勻介質(zhì)中傳播,或從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí),由于介質(zhì)的聲阻抗發(fā)生了變化,超聲波會(huì)在聲阻抗改變的分界面上產(chǎn)生反射、折射和透射現(xiàn)象,從而來(lái)判斷被檢測(cè)物是否存在缺陷。

目前,超聲波檢測(cè)中應(yīng)用最廣泛的是 A型顯示脈沖檢測(cè)儀,通過(guò)長(zhǎng)期的超聲波檢測(cè)實(shí)踐及對(duì)材料、制造工藝的充分了解,通過(guò)對(duì)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行解剖、分析、驗(yàn)證,以積累經(jīng)驗(yàn),可以從顯示屏上顯示的缺陷回波的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)波形,起波速度,回波前沿的陡峭程度與回波后沿的下降斜度,波峰形狀,回波占寬,移動(dòng)探頭時(shí)缺陷回波的波幅、位置、數(shù)量及包絡(luò)形狀,多次反射底波的次數(shù)與波幅的下降規(guī)律,底波高度的損失情況等等,再根據(jù)缺陷在被檢工作中的位置、分布狀況、缺陷的當(dāng)量大小、延伸情況,結(jié)合具體的材料特點(diǎn)、工藝及超聲波的基礎(chǔ)理論知識(shí)作出綜合判斷,達(dá)到較準(zhǔn)確地評(píng)估缺陷的性質(zhì)或種類(lèi)。在對(duì)鍋爐壓力容器的探傷中,超聲波的優(yōu)點(diǎn)比較明顯,即:①超聲波的指向性好,能形成窄的波束;②波長(zhǎng)短,小的缺陷也能夠較好的反射;③距離的分辨力好,缺陷的分辨率高。由于裂紋是最危險(xiǎn)的缺陷之一,所以通過(guò)超聲波檢測(cè)可以大大提高缺陷檢測(cè)率,確保產(chǎn)品質(zhì)量。

2 鍋爐壓力容器的常見(jiàn)缺陷

2.1 裂紋

裂紋是壓力容器中一種危險(xiǎn)的缺陷,標(biāo)準(zhǔn)中認(rèn)為,只要判定為裂紋,即為不合格。裂紋形成機(jī)理較復(fù)雜,根據(jù)產(chǎn)生條件和時(shí)機(jī),可分為:熱裂紋、再熱裂紋、冷裂紋和層狀撕裂。裂紋方向性很強(qiáng),有的回波較大,但有的回波也較小,用不同 K值的探頭,從不同方向入射,可能找出較大回波。

2.2 未熔合

未熔合是指焊縫金屬與母材金屬,或焊縫金屬之間未熔化結(jié)合在一起的缺陷。未熔合按其所在部位可分為坡口未熔,層間未熔合和根部未熔合三種。未熔合一方面能根據(jù)其所在位置判定;另一方面,由于其為面狀缺陷,方向性很強(qiáng)。因此,不同的 K值探頭,其反射回波的當(dāng)量會(huì)有很大的差別。

2.3 未焊透

未焊透有中間未焊透和根部未焊透,特別是對(duì)于根部未焊透,其回波的起波速度較快,反應(yīng)強(qiáng)烈,在焊縫兩側(cè)探查都能發(fā)現(xiàn),且反射波幅大致相同。

3 鍋爐壓力容器的超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

3.1 鍋爐壓力容器角焊縫超聲波檢測(cè)技術(shù)

對(duì)角焊縫做全體積的超聲波檢測(cè),一般采用雙晶直探頭和斜探頭并用的檢測(cè)方法。雙晶直探頭檢測(cè)法,檢測(cè)時(shí)雙晶直探頭置于接管內(nèi)壁,此時(shí)易檢出靠近探頭側(cè)與筒體側(cè)坡口面的未熔合,對(duì)焊縫根部未焊透類(lèi)不連續(xù)性無(wú)法檢出,雙晶直探頭不可檢測(cè)的區(qū)域由斜探頭來(lái)完成檢測(cè)。

3.1.1 探頭選擇

對(duì)角焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí),通常接管側(cè)采用直射法及一次反射法,為了保證經(jīng)小徑管內(nèi)壁反射后的超聲波束仍具有較高的檢測(cè)靈敏度和較高的分辨力,建議根據(jù)集箱及接管不同的壁厚,采用專門(mén)研制的不同焦距的小徑管線聚焦斜探頭或小徑管雙晶聚焦斜探頭。

3.1.2 探傷面的確定

由于受結(jié)構(gòu)影響,對(duì)角焊縫的橫波檢測(cè),只能選擇在內(nèi)外筒板的各側(cè)做單面探傷。在橫波檢測(cè)前,用一次反射法的跨距公式,劃出探頭距焊縫區(qū)域線。為能發(fā)現(xiàn)角焊縫余高及熱影響區(qū)中可能產(chǎn)生的缺陷,再將此值加上角焊縫腰高和熱影響區(qū)。根據(jù)三角原理,劃出一次反射法探頭移動(dòng)距離的探傷基準(zhǔn)線,以保證在一倍跨距內(nèi)的聲束能完整地檢查到角焊縫區(qū)域,而檢測(cè)根部未焊透時(shí)則用一次直射法即可劃定的基準(zhǔn)線為 22.5 mm。雙晶直探頭的移動(dòng)區(qū)用被檢鍋爐集箱圓周曲率的樣板在集箱端板和管板上劃出角焊縫寬度位置,再各加 5 mm的熱影響區(qū)。

3.1.3 掃描線調(diào)節(jié)與靈敏度校驗(yàn)

采用曲面平底孔試塊調(diào)節(jié)儀器掃描線,由于下降管壁厚 ＞100 mm,所以掃描時(shí)基線按深度 1∶2進(jìn)行調(diào)節(jié)。下降管角焊縫最大檢測(cè)厚度是接管壁厚、角焊縫蓋面寬度和焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)寬度(一般取5 mm)三者之和。

3.1.4 波形識(shí)別

將直探頭置于插入式接管內(nèi)壁檢測(cè),在焊縫金屬邊緣,相當(dāng)于角焊縫蓋面處,也會(huì)收到正常接管或筒體外壁的底面回波,若不注意分辨,有可能造成錯(cuò)判或漏檢。為此,需要在移動(dòng)探頭的同時(shí)觀察底波降低的情況,來(lái)確定焊縫與母材側(cè)的交接邊界,使探頭從接管側(cè)向焊縫側(cè)移動(dòng)。若探頭與該標(biāo)記重合時(shí),底波依然很高,則有可能是接管側(cè)或筒體側(cè)有未熔合或未焊透存在。

3.2 鍋爐壓力容器內(nèi)壁裂紋超聲波檢測(cè)

鍋爐壓力容器內(nèi)壁裂紋超聲波檢測(cè)原理是根據(jù)現(xiàn)有的檢測(cè)設(shè)備條件,結(jié)合被檢工件的規(guī)格、結(jié)構(gòu)形狀和產(chǎn)生裂紋的必然形態(tài)、擬采用小 K值與大 K值兩種斜探頭相結(jié)合的超聲波檢測(cè)方案,以確定容器內(nèi)壁是否存在應(yīng)力裂紋,及推斷減溫器噴水管根部是否存在泄漏。

3.2.1 縱波檢測(cè)

采用 2.5 MHz,直徑為 20 mm的直探頭,置于容器外圓面,用直接接觸法作周向或軸向 100%掃查。檢測(cè)靈敏度為 2平底孔當(dāng)量直徑,可利用容器完好部位內(nèi)圓孔的大圓柱底面回波調(diào)節(jié)得到。

3.2.2 環(huán)向缺陷的橫波檢測(cè)

同一容器的檢驗(yàn),先后采用 K1、K3探頭進(jìn)行掃查,對(duì)缺陷相互驗(yàn)證。用 K1探頭對(duì)管座沿縱向和周向進(jìn)行掃查,探頭周向掃查較難實(shí)現(xiàn)良好的耦合,以軸向掃查為主。如內(nèi)壁有龜狀裂紋存在,K1探頭掃查顯示波為壁厚深度的端角反射波,其波高與同厚度試塊端角反射相近。在此掃查靈敏度下,對(duì)于裂紋深度根部處往往無(wú)反射波。K1探頭掃查的目的是判斷內(nèi)壁是否開(kāi)口,裂紋深度定量困難。屏幕顯示的最高波總是在壁厚深度位置上,而且隨著探頭的移動(dòng),缺陷波不斷出現(xiàn)。用 K3探頭對(duì)管座進(jìn)行掃查,周向和縱向相結(jié)合,以縱向掃查為主。在周向上掃查時(shí)因外形結(jié)構(gòu)的影響,對(duì)反射波的定性與定位分析較困難。由于其 K值較大,龜狀裂紋較深較密,往往無(wú)法獲得內(nèi)壁處裂紋開(kāi)口處端角的反射波。在裂紋擴(kuò)展的根部,反射波更趨近于垂直反射,反射信號(hào)最強(qiáng)。顯示屏顯示的主要是裂紋根部的反射波,在裂紋分布較密集的情況下,探頭前后移動(dòng)時(shí),由于相鄰裂紋缺陷波的干擾,管座內(nèi)壁的反射波消失,而另外的裂紋根部反射波進(jìn)入顯示屏,可對(duì)裂紋進(jìn)行開(kāi)裂深度的定量。

3.2.3 缺陷的定量測(cè)定與評(píng)定

檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)了缺陷波,利用前后、左右移動(dòng)探頭的方法,找到缺陷的最高回波,然后根據(jù)不同探頭定出缺陷的當(dāng)量值,直探頭探測(cè)時(shí)定出缺陷回波的平底孔當(dāng)量值,K1和 K3斜探頭探測(cè)時(shí),根據(jù)檢測(cè)靈敏度定出缺陷回波高所在的距離一波幅區(qū)域及波高分貝值。

3.3 鍋爐壓力容器封頭管板裂紋的超聲波檢測(cè)

3.3.1 掃描速度和儀器靈敏度的調(diào)整

由于鍋筒封頭管板管孔很多,且被檢管板厚度一般都是 20 mm左右,K值的選擇入射角度為 50°左右為宜。為達(dá)到檢測(cè)的規(guī)范性,可制作參考試塊,其尺寸按被檢板厚、孔徑、孔距確定。掃描速度的調(diào)整,可在標(biāo)準(zhǔn)試塊 CSK-1A上調(diào)整,也可利用參考試塊摸擬管孔的上下端角信號(hào)調(diào)整。由于管孔的間距較小,調(diào)整后至少使二次波能呈現(xiàn)在熒光屏上。靈敏度的調(diào)整,按照最大靈敏度原則,結(jié)合參考試塊摸擬管孔人工裂紋最大反射信號(hào)調(diào)整到熒光屏滿刻度的 50%,同時(shí)測(cè)出管板表面粗糙度的聲能損失 dB差,也可用以前切割下來(lái)的鋼板上的自然小裂紋調(diào)整靈敏度。

3.3.2 掃查方式和裂紋的判斷

探頭前后移動(dòng),反射信號(hào)游動(dòng)范圍內(nèi)平穩(wěn)清晰。把探頭放置在裂紋兩側(cè)垂直于裂紋的直線上,且至裂紋的距離相同。探測(cè)時(shí),可得到形狀近似、位置相同的反射信號(hào)。固有信號(hào)和裂紋信號(hào)的波形動(dòng)態(tài)過(guò)程:探頭順孔徑方向放置,找到孔邊端角最強(qiáng)信號(hào)K,然后探頭向裂紋位置逐漸偏轉(zhuǎn),孔邊端角信號(hào)逐漸下降,若在其稍后的位置逐漸升起一個(gè)信號(hào),而且當(dāng)該信號(hào)最強(qiáng)時(shí),孔邊端角信號(hào)消失,則該信號(hào)即是裂紋信號(hào)。探頭再往回偏轉(zhuǎn)時(shí),出現(xiàn)相反過(guò)程。

4 鍋爐壓力容器超聲波檢測(cè)技術(shù)的展望

隨著溫度變化,超聲波聲壓衰減變化相當(dāng)顯著。此外,不同的反射體,其所處的不同位置可能有不同的衰減幅度,不同的傳感器頻率也會(huì)有不同的衰減特性。這些問(wèn)題均需要在今后的高溫超聲波檢測(cè)過(guò)程中加強(qiáng)研究和重視。

耦合與衰減的影響。耦合的影響:超聲波探傷中,耦合劑的聲阻抗和耦合層厚度對(duì)回波高有較大的影響。此外,當(dāng)探頭與調(diào)靈敏度用的試塊和被探工件表面耦合狀態(tài)不同時(shí),而又沒(méi)有進(jìn)行恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償,也會(huì)使定量誤差增加,精度下降。今后,在探傷晶粒較粗大和大型工件時(shí),應(yīng)測(cè)定材質(zhì)的衰減系數(shù),并在定量計(jì)算時(shí)考慮介質(zhì)衰減的影響,以便減少定量誤差。

對(duì)缺陷性質(zhì)要結(jié)合缺陷空間位置、焊接缺陷靜態(tài)波形、動(dòng)態(tài)波形和回波幅度進(jìn)行綜合判斷。同時(shí),鍋爐集中下降管的焊接質(zhì)量關(guān)系到鍋爐的安全運(yùn)行。射線、超聲和磁粉三種檢測(cè)方法如何綜合運(yùn)用,揚(yáng)長(zhǎng)避短,是今后應(yīng)該考慮的問(wèn)題。

目前,一些結(jié)構(gòu)的超高壓容器的元件在用過(guò)程中根本無(wú)法檢測(cè),需要繼續(xù)開(kāi)發(fā)新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和方法,而且,由于形狀的原因,需研制攜帶各種檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)長(zhǎng)徑比大的容器內(nèi)壁的爬行裝置。