摘 要：提出了利用小角度縱波探頭和橫波探頭相結(jié)合對(duì)汽包中徑管管座角焊縫進(jìn)行超聲波探傷的方法，對(duì)小角度縱波探頭進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)兩種探頭的標(biāo)準(zhǔn)反射體與判傷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了統(tǒng)一。實(shí)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(wèn)題。
關(guān)鍵詞：電站鍋爐；汽包；角焊縫；超聲波檢驗(yàn)
牛曉光１，張彥新１，李中偉１，郝曉軍１，袁啟民２，李海生２，白佑平２
在電站鍋爐承壓部件中，汽包是加熱、蒸發(fā)、過(guò)熱3個(gè)階段的連接樞紐，是承受壓力zui高的部件，汽包質(zhì)量直接影響整個(gè)鍋爐的安全運(yùn)行。
汽包的上升管、飽和導(dǎo)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(yīng)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(xié)調(diào)，必然引起附加的彎曲應(yīng)力，汽包中徑管管座角焊縫（以下簡(jiǎn)稱(chēng)角焊縫）在運(yùn)行時(shí)是應(yīng)力集中系數(shù)較高、受力復(fù)雜的部位，因此加強(qiáng)角焊縫的質(zhì)量檢驗(yàn)與監(jiān)督非常重要。
1角焊縫超聲波探傷存在的問(wèn)題
超聲波探傷對(duì)面積和體積型缺陷的檢出靈敏度較高，但對(duì)于角焊縫的超聲波檢驗(yàn)存在如下問(wèn)題。
1.1 用普通探頭進(jìn)行超聲波探傷時(shí)存在不可探區(qū)
角焊縫的結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)其結(jié)構(gòu)，采用縱波和橫波超聲波探傷，探頭在縱波探傷時(shí)置于A位置，在橫波探傷時(shí)置于B位置。普通縱波探頭置于A位置進(jìn)行探傷時(shí)，在角焊縫的根部存在一主聲束不能掃查的區(qū)域Z，以汽包筒體直徑1 790 mm、母材厚度95 mm、引出管直徑φ159 mm×16 mm的角焊縫為例，計(jì)算其不可掃查區(qū)域Z為7.54 mm。
如果利用普通直探頭在A位置進(jìn)行探傷，主聲束不能掃查到根部易出現(xiàn)的未焊透缺陷，從而造成漏檢
1.2 角焊縫的缺陷波與結(jié)構(gòu)波不易區(qū)分
由于汽包壁厚一般為85～203 mm，中徑管管座的壁厚為10～22 mm，后者相對(duì)前者而言較小，其角焊縫尺寸也相對(duì)較小，在利用普通直探頭在A位置進(jìn)行探傷時(shí)，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(qū)分。
1.3 側(cè)壁效應(yīng)對(duì)探傷靈敏度的影響
利用普通直探頭在A位置進(jìn)行探傷時(shí),若探頭靠近開(kāi)孔的邊緣，孔側(cè)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(jié)果改變了探頭的指向性和對(duì)稱(chēng)性，靈敏度有極大值和極小值，且極大值并不在探頭的軸線(xiàn)上，在靠近開(kāi)孔邊緣區(qū)域內(nèi)的靈敏度比無(wú)側(cè)壁效應(yīng)的區(qū)域低許多。
2 探頭的設(shè)計(jì)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(xiàn)一定角度的探頭。在利用小角度縱波探頭在A位置進(jìn)行探傷時(shí)，主聲束與探頭軸線(xiàn)成一定的夾角，可以探測(cè)到普通探頭不能檢測(cè)的不可探區(qū)；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(jié)構(gòu)波對(duì)缺陷波的影響；同時(shí)可以減少或消除側(cè)壁效應(yīng)的影響。
利用小角度縱波探頭在A位置對(duì)角焊縫進(jìn)行掃查以后，再利用橫波斜探頭在圖1所示的B位置檢驗(yàn)中徑管管座側(cè)坡口未熔合、焊縫內(nèi)夾渣、未焊透等缺陷，這樣焊縫整個(gè)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(dāng)超聲波以一定角度斜入射到異質(zhì)界面時(shí)會(huì)產(chǎn)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；
cL1——*介質(zhì)中的縱波速度；
cL2——第二介質(zhì)中的縱波速度；
cs2——第二介質(zhì)中的橫波速度。
當(dāng)α1小于*臨界角時(shí)，在鋼中將產(chǎn)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(dāng)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(duì)于小角度縱波入射，一般入射角比較小，cosβ1≈1， cosβ2≈1，鋼中的cL2＝5 900m/s、cs2＝3 230 m/s。因此式（2）可變?yōu)椋骸?tau;＝0.8T。對(duì)角焊縫超聲波探傷時(shí)，汽包壁超過(guò)100mm，利用小角度縱波探傷時(shí)，橫波在缺陷縱波訊號(hào)聲程后的0.8 T位置出現(xiàn)，折射橫波不會(huì)對(duì)縱波產(chǎn)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(shí)，zui容易出現(xiàn)未熔合和根部未焊透的現(xiàn)象。這兩種缺陷都是面積型缺陷，類(lèi)似于端角反射。在利用小角度縱波探頭進(jìn)行探傷時(shí)，應(yīng)注意回波反射聲壓?jiǎn)栴}，即傾斜入射的小角度縱波在被這兩種缺陷反射后，應(yīng)有足夠的能量被探頭接收到。
入射縱波在端角的反射系數(shù)如圖2所示，當(dāng)入射角度≤100°時(shí)，聲壓zui低反射系數(shù)≥30％。因此設(shè)計(jì)入射角度時(shí)，折射角不應(yīng)超過(guò)10°。
2.1.3 小角度縱波探頭折射角的選擇
200 MW以上機(jī)組的汽包壁厚zui小為100 mm，如果所設(shè)計(jì)的小角度縱波探頭主聲束能夠掃查到壁厚為100 mm的汽包根部不可探區(qū)缺陷，那么，也能掃查到壁厚大于100 mm的汽包根部不可探區(qū)缺陷。
在200 MW以上機(jī)組的汽包引出管中，159 mm×16 mm管使用得zui多。在此，以φ159 mm×16 mm為例說(shuō)明探頭折射角度的選擇。汽包規(guī)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(jìn)行探傷時(shí)，在角焊縫根部存在主聲束不能掃查的區(qū)域Z為7.54 mm。如果利用小角度縱波探頭進(jìn)行探傷，其前沿l0為10 mm時(shí)，欲掃查到整個(gè)焊縫，其折射角應(yīng)為
選擇小角度縱波探頭的折射角為9°，既滿(mǎn)足了根部不可查區(qū)域的掃查，又能滿(mǎn)足較高的聲壓反射率。為增強(qiáng)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(duì)管座角焊縫進(jìn)行掃查時(shí)，對(duì)引出管座側(cè)的坡口未熔合檢驗(yàn)靈敏度較低；對(duì)于小角度縱波探頭所發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部缺陷如夾渣、氣孔需要進(jìn)行復(fù)核，在利用小角度縱波探頭在A位置進(jìn)行探傷以后，需要在圖1所示B位置利用橫波斜探頭對(duì)角焊縫進(jìn)行掃查。在利用斜探頭對(duì)角焊縫進(jìn)行探傷時(shí)，可選用普通斜探頭。
3 標(biāo)準(zhǔn)反射體的選擇與判傷標(biāo)準(zhǔn)的確定
3.1 標(biāo)準(zhǔn)反射體的選擇
小角度縱波探傷時(shí)可以采用φ2 mm平底孔作為探傷靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)反射體，斜探頭探傷時(shí)以CSK-IIIA作為標(biāo)準(zhǔn)試塊，φ1 mm×6 mm短橫孔作為標(biāo)準(zhǔn)反射體。
在利用小角度直縱波探頭進(jìn)行探傷時(shí)，如果采用平底孔作為標(biāo)準(zhǔn)反射體，要求平底孔與聲束軸線(xiàn)垂直，且應(yīng)包括不同聲程和不同直徑的平底孔，需要制作一系列的標(biāo)準(zhǔn)反射體試塊，不適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。由于小角度直縱波探頭的主聲束和晶片軸線(xiàn)成一定夾角，類(lèi)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(lái)作為標(biāo)準(zhǔn)反射體。短橫孔反射體試塊的優(yōu)點(diǎn)是不同深度的短橫孔可以做成一個(gè)試塊，試塊的體積小，攜帶方便。
在3倍近場(chǎng)區(qū)以外，縱波入射直徑為Df、長(zhǎng)為lf的短橫孔的聲壓反射公式為：
在3倍近場(chǎng)區(qū)以外，縱波反射面積為Ff的平底孔的聲壓反射公式為：
（3） 式除以（4）式得：
令Hf1＝Hf2,將5 MHz時(shí)縱波波長(zhǎng)λ=1.18 mm, lf=6 mm,Df＝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(shí)，φ1 mm×6mm的短橫孔在3倍近場(chǎng)區(qū)以外的聲壓反射強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)反射體來(lái)確定探傷靈敏度。
3.2 判傷標(biāo)準(zhǔn)的確定
3.2.1 點(diǎn)狀缺陷的判傷標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)JB 4730-1994《壓力容器無(wú)損檢測(cè)》對(duì)焊縫射線(xiàn)探傷的規(guī)定，點(diǎn)狀缺陷zui大尺寸不能超過(guò)壁厚的一半，鍋爐汽包中徑管管座的壁厚為10～22 mm,取zui薄壁厚10 mm，允許zui大的氣孔尺寸為φ5 mm,可以推算出其當(dāng)量為φ1×6+7 dB。斜探頭采用的JB 1152-1981中的判廢標(biāo)準(zhǔn)為壁厚8～15 mm，判廢當(dāng)量為φ1×6+2 dB; 壁厚15～46 mm判廢當(dāng)量為φ1×6+5 dB。與φ1×6+7 dB相比，顯然 JB 1152-1981規(guī)定的判廢標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格。利用小角度縱波探頭對(duì)角焊縫進(jìn)行探傷時(shí)可以采用JB 1152-1981規(guī)定的判廢標(biāo)準(zhǔn),這樣，采用小角度縱波探頭在A位置對(duì)角焊縫進(jìn)行掃查和利用橫波斜探頭在B位置對(duì)角焊縫進(jìn)行掃查時(shí)，可以采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)反射體和探傷靈敏度進(jìn)行探傷。探傷靈敏度見(jiàn)表1。
3.2.2 未焊透的判傷標(biāo)準(zhǔn)
根部未焊透類(lèi)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(yàn)未焊透時(shí)宜采用對(duì)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(yàn)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，見(jiàn)表2，標(biāo)準(zhǔn)反射體采用1.5mm 深的月牙槽。
當(dāng)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(shí)，以缺陷反射波幅評(píng)定；當(dāng)缺陷反射波波幅小于用1.5 mm深的月牙槽的反射波幅時(shí)，以缺陷的指示長(zhǎng)度評(píng)定。
3.3 危險(xiǎn)性缺陷
探傷中如檢驗(yàn)人員能判定缺陷性質(zhì)為裂紋、未熔合等危險(xiǎn)性缺陷時(shí)，該焊接接頭為不合格接頭。
4 現(xiàn)場(chǎng)角焊縫超聲波探傷應(yīng)用
馬頭發(fā)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(dǎo)汽管管座的規(guī)格為φ108 mm×10 mm，材質(zhì)為20G。檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)全部管座存在根部未焊透、坡口未熔合等缺陷訊號(hào)，缺陷存在于整個(gè)管座角焊縫，缺陷訊號(hào)清晰。在返修中解剖證實(shí)超聲波探傷發(fā)現(xiàn)的缺陷全部存在，zui嚴(yán)重的根部未焊透、坡口未熔合、裂紋距根部已達(dá)到11 mm深。缺陷產(chǎn)生的原因是由于管座角焊縫的坡口設(shè)計(jì)不合理，焊工在焊接時(shí)未進(jìn)行打底接，直接進(jìn)行了蓋面焊接。
5結(jié)論
a. 針對(duì)汽包中徑管管座角焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用小角度縱波探頭結(jié)合橫波探頭，在對(duì)角焊縫進(jìn)行掃查時(shí)，可以將整個(gè)角焊縫截面掃查到，缺陷回波清晰，不受結(jié)構(gòu)回波的影響，減少了側(cè)壁效應(yīng)的影響，可以完成角焊縫的內(nèi)部質(zhì)量檢驗(yàn)。
b. 將小角度縱波探頭和橫波斜探頭的標(biāo)準(zhǔn)反射體與探傷靈敏度進(jìn)行了統(tǒng)一，統(tǒng)一采用1 mm×6 mm短橫孔作為標(biāo)準(zhǔn)反射體，使標(biāo)準(zhǔn)反射體試塊結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶方便。
c. 實(shí)踐證明，利用小角度縱波探頭和橫波探頭對(duì)角焊縫的內(nèi)部缺陷進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)的方法具有理論正確、操作簡(jiǎn)單、易于推廣的特點(diǎn)。
