超超臨界機(jī)組鍋爐異種鋼小徑管鎳基焊接接頭超聲波檢測(cè)

鄧宏平，龍會(huì)國(guó)，鄒健偉，謝 億

（湖南省電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)沙 410007）

現(xiàn)役火力發(fā)電機(jī)組的過(guò)熱器和再熱器，高溫段多使用鉻鎳奧氏體不銹鋼，它具有高的耐熱性和抗氧化性，最高使用溫度可達(dá)700℃，580℃以下的低溫段仍然沿用12Cr1MoV或鋼102等低合金耐熱鋼。因此這兩種材質(zhì)與奧氏體不銹鋼的異種鋼焊接接頭難以避免。鎳基合金的線膨脹系數(shù)介于奧氏體鋼和低合金鋼之間，為降低因膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生熱應(yīng)力，一般都用鎳基合金作為焊接填充材料。這三種材料的性能有較大差異，給焊接帶來(lái)一定的難度，易產(chǎn)生制造缺陷或運(yùn)行缺陷，尤其是運(yùn)行過(guò)程中材料中碳遷移產(chǎn)生的沿熔合線裂紋。由于射線檢測(cè)對(duì)熔合線裂紋類缺陷靈敏度低，且對(duì)人體有害、檢修時(shí)間長(zhǎng)、受空間限制，在大型電站鍋爐的受熱面尤其是超超臨界機(jī)組的鍋爐受熱面檢測(cè)中，越來(lái)越受到空間的限制，從而很難檢測(cè)到位。因此小徑管異種鋼鎳基焊縫超聲波檢測(cè)是目前亟待研究的新課題。

1 小徑管異種鋼鎳基焊縫超聲波檢測(cè)的特點(diǎn)

1.1 檢測(cè)可行性分析

表1列出鎳基合金（純鎳）和鋼（12Cr1MoV）的材料性能參數(shù)，兩者的密度、聲速和聲阻抗均相差較遠(yuǎn)。

表1 鎳基合金和鋼的基本性能數(shù)據(jù)

當(dāng)超聲波入射鎳基合金和鋼界面時(shí)，則：

式中r為聲壓反射率；t為聲壓透射率；Pt為反射波聲壓；Po為入射波聲壓；R為聲強(qiáng)反射率；T為聲強(qiáng)透射率；Z2為鋼的聲阻抗；Z1為鎳基的聲阻抗。由以上計(jì)算公式表明［1－2］：

（1）界面兩側(cè)的聲波符合① 界面兩側(cè)的總聲壓相等，即Po＋Pr＝Pt。② 界面兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度幅值相等，即（Po－Pr）／Z1＝Pt／Z2。

（2）超聲波入射這兩種介質(zhì)時(shí)，聲壓反射率為－0.04，聲壓透射率為0.96。在焊縫探傷中，若母材與焊縫結(jié)合面無(wú)任何缺陷，是不會(huì)產(chǎn)生界面反射回波，因此奧氏體不銹鋼與低合金鋼對(duì)接的鎳基焊縫超聲波檢測(cè)理論上能滿足檢測(cè)條件。

1.2 檢測(cè)的難題

鎳基焊縫為奧氏體晶粒，在冷卻過(guò)程中未經(jīng)過(guò)二次結(jié)晶，與一側(cè)奧氏體不銹鋼母材同樣晶粒粗大，組織不均，加上另一側(cè)母材為低合金鋼，因此與焊縫的聲阻抗、聲速均有一定差異。具有明顯的各向異性及聲學(xué)性能變化，其主要特點(diǎn)為① 在異種金屬的熔合線處，聲速在界面處發(fā)生變化，導(dǎo)致聲束傳播方向產(chǎn)生偏離，對(duì)K值造成一定影響。② 材料的各向異性會(huì)導(dǎo)致衰減系數(shù)的各項(xiàng)異性，加上信噪比太低，給超聲波探傷帶來(lái)較大困難［3］。

2 檢測(cè)方案

湖南及廣東某電廠600MW機(jī)組鍋爐屏式過(guò)熱器、高溫過(guò)熱器材料均有奧氏體不銹鋼（TP347／TP304）與12Cr1MoV／鋼102異種鋼對(duì)接焊縫。2009－2010年運(yùn)行期間，先后發(fā)生爆管泄露現(xiàn)象，經(jīng)電廠委托對(duì)其焊縫進(jìn)行100%超聲波檢測(cè)，由于此類異種鋼焊縫檢測(cè)沒有單獨(dú)可依照的標(biāo)準(zhǔn)，故參考DL／T 820—2002《管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的試塊及靈敏度調(diào)校儀器。

2.1 探頭的選擇

由于小徑管管壁薄、結(jié)合面小、且探頭的探測(cè)面需要加工成曲面，不宜選用雙晶的縱波斜探頭。加之反射雜波多，為了改善探頭指向性和提高分辨力，此次檢測(cè)選用5MHz、小晶片短前沿的小徑管橫波探頭，兩種K值探頭聯(lián)合檢測(cè)，且兩種探頭的折射角相差不少于10°。

2.2 儀器的調(diào)校

將探頭加工成與管外壁吻合良好的曲面后，利用 DL－1小徑管專用試塊，在深度為5，8，15，20mm的φ1mm的長(zhǎng)橫孔來(lái)制作DAC曲線，重點(diǎn)校準(zhǔn)探頭前沿與K值。由于考慮異種鋼的的特殊性及人員操作經(jīng)驗(yàn)方面的問題，判廢靈敏度在DAC－6dB的基礎(chǔ)上可適當(dāng)降低。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

3.1 熔合線裂紋

由于奧氏體不銹鋼和低合金耐熱鋼的碳含量差異較大，在高溫下，碳從低合金鋼一側(cè)通過(guò)熔合線向焊縫一側(cè)擴(kuò)散，使奧氏體側(cè)產(chǎn)生增碳帶，強(qiáng)度提高，低合金側(cè)靠近熔合線處形成低硬度的脫碳區(qū)。兩側(cè)強(qiáng)度的不匹配狀況加上運(yùn)行中的交變熱應(yīng)力，爐內(nèi)氣流波動(dòng)引起的振動(dòng)應(yīng)力等相疊加，使焊接接頭的熔合線附近受到了應(yīng)力幅值較高的交變載荷作用，最終導(dǎo)致失效，在低合金耐熱鋼側(cè)形成沿熔合線裂紋［5］。對(duì)于沿熔合線的表面裂紋超聲波檢測(cè)，由端角反射原理［1］，當(dāng)橫波入射角αs為35°～45°，即 K值在0.7～1.43時(shí)，檢測(cè)靈敏度高?，F(xiàn)場(chǎng)利用K1探頭的二次反射波在低合金鋼側(cè)熔合線處發(fā)現(xiàn)的反射波幅都較高于其他K值靈敏度，后經(jīng)打磨滲透檢測(cè)證實(shí)為30mm裂紋（圖1和2）。

3.2 氣孔、夾渣

圖1 探頭K值對(duì)裂紋缺陷檢測(cè)靈敏度的影響

鎳基合金的固液相溫度間距小，流動(dòng)性偏低，在焊接快速冷卻的凝固條件下易產(chǎn)生焊縫氣孔；由于熔合不均勻，熔融金屬直接堆在焊縫中，層間渣清理不干凈，內(nèi)部層間咬肉過(guò)深，焊速過(guò)快等原因會(huì)形成夾渣［4］。為避免內(nèi)部缺陷位置與超聲波入射點(diǎn)的近場(chǎng)區(qū)影響，又由于K3表面耦合劑反射波的影響，耦合劑反射波與缺陷波重疊，無(wú)法分辨及有效地對(duì)缺陷回波進(jìn)行準(zhǔn)確定量。圖3為在現(xiàn)場(chǎng)利用K2探頭的二次反射波在奧氏體不銹鋼側(cè)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部缺陷，后經(jīng)射線拍片證實(shí)為氣孔。

3.3 未焊透、未熔合

電流過(guò)小、間隙過(guò)小、焊炬使用不正確、內(nèi)部保護(hù)氣體純度不夠等造成未焊透或未熔合缺陷［4］。圖4為在現(xiàn)場(chǎng)K2探頭的直射波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的根部缺陷，后經(jīng)射線拍片證實(shí)為長(zhǎng)度10mm的未熔合。

4 結(jié)論

（1）在不同K值探頭對(duì)各種缺陷試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了適用于異種鋼焊縫檢測(cè)的方法，運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)了鎳基合金焊縫大量危險(xiǎn)性缺陷。

（2）通過(guò)試驗(yàn)分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熔合線裂紋類缺陷選用小角度探頭（K1～1.5）運(yùn)用二次反射波從低合金鋼側(cè)探測(cè)時(shí)易發(fā)現(xiàn)。焊縫內(nèi)缺陷選用大角度探頭（K2～2.5）運(yùn)用直射波或二次反射波從奧氏體不銹鋼側(cè)探測(cè)時(shí)易發(fā)現(xiàn)。根部未焊透、未熔合缺陷根據(jù)缺陷的形成情況不同選用大角度探頭（K2～2.5）運(yùn)用直射波兩側(cè)均易發(fā)現(xiàn)。

（3）為保證缺陷探測(cè)的準(zhǔn)確無(wú)誤，選用兩種K值探頭進(jìn)行單面雙側(cè)檢測(cè)，熔合線位置二次波發(fā)現(xiàn)存在反射波時(shí)，考慮到受熱面管熔合線處易產(chǎn)生咬邊，建議打磨出金屬光澤后進(jìn)行滲透檢測(cè)驗(yàn)證。

（4）同一位置反射體從兩側(cè)探測(cè)時(shí)，其波高和顯示大多存在較大差異甚至其中一側(cè)無(wú)法檢出，說(shuō)明在此異種鋼焊縫中，聲速和探頭角度發(fā)生了較大變化，或是聲束發(fā)生了扭曲畸變。但其危險(xiǎn)性缺陷的檢出率仍能滿足檢測(cè)要求。

［1］鄭輝，林樹青.超聲檢測(cè)2版［M］.北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.

［2］DL／T 820—2002 管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］薛擁軍，張禮典，賴德海.大厚度異種鋼奧氏體焊縫超聲波檢測(cè)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2008，30（11）：816－819.

［4］于世行，郝丁華.鎳基耐蝕合金焊接工藝［J］.石油化工應(yīng)用，2008，27（3）：87－89.

［5］王旭中，劉進(jìn)益.異種鋼焊接碳遷移過(guò)渡層研究［J］.東方電機(jī)，1991（4）：64－70.