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(中國大唐集團科學技術研究院有限公司 火力發(fā)電技術研究所， 北京 100040)

近期，天津某電廠4號機主汽門入口溫度儀表管座發(fā)生脫落，內蒙古某電廠主蒸汽管道蒸汽取樣管沿焊縫熔合線出現開裂等事故。經了解，其他各電廠也有承壓部件管座角焊縫開裂失效事故發(fā)生[1-2]。因此，須采取有效措施進行管座角焊縫質量的有效監(jiān)控。但承壓部件上的管座形式多樣，結構復雜，雖然射線檢測具有檢測結果直觀的特點，但管座屬于大厚度比工件[3]，實際檢測中難以兼顧靈敏度與穿透性[4]；而對于在役小徑管座，由于位置等原因難以使用源在外膠片在內的透照技術[5]對管座角焊縫實施有效檢測。由于管徑小、檢測位置的局限性、缺陷信號識別困難、缺陷定位難度大等原因[6]，管座角焊縫的超聲檢測也未能普及，長期以來管座角焊縫多進行表面檢測。而管座焊縫在焊接時，焊工可能作業(yè)不當，致其內部有焊接缺陷產生；另一方面設備在運行中，焊縫內部也可能產生危害性缺陷。因此有必要對火電機組承壓部件上各類管座焊縫開展深入的檢測研究，總結有效的檢測方法，避免其失效給電廠帶來損失。

管座角焊縫的超聲波檢測雖然存在種種困難，但仍不失為一種有效的檢測方法。筆者通過分析管座結構形式，選擇合適的超聲檢測工藝并進行檢測試驗，試驗結果表明所選工藝可滿足管座角焊縫內部質量的監(jiān)控需要。

1 承壓設備上的管座類型及可檢測性分析

火電機組承壓部件上的溫度測點、壓力測點、疏放水管、排空氣管、取樣管以及其他用途管座的結構形式，經歸納統計主要有直埋式(見圖1)、管座式(見圖2)和螺紋式(見圖3)[7]。直埋式與螺紋式多用于溫度測點、蒸汽取樣管座；管座式是用短節(jié)接管與承壓設備相連接的結構型式，多用于排空、疏放水管座等。

圖1 直埋式管座結構型式

圖2 管座式結構型式

圖3 螺紋式結構型式

針對這幾類管座角焊縫分別進行討論，確定超聲方法的可檢測性及檢測工藝。

為了提高檢測靈敏度和分辨力，常采用高頻(5 MHz)探頭對中小徑管座角焊縫進行超聲波檢測。鎳基、不銹鋼等焊縫由于晶粒粗大，信噪比低，缺陷信號識別困難[8]等原因，尚不適合進行超聲波檢測，故文中討論的超聲檢測對象指非奧氏體接管座角焊縫。

對于螺紋式直埋式結構，其用于密封的焊縫無適當的檢測面，無法使用超聲波進行檢測，僅能使用磁粉、渦流等進行表面及近表面檢測或用滲透法進行表面檢測。

對于螺紋式管座式結構，接管內壁螺紋面反射的超聲波雜亂，無法使用超聲二次波檢驗，而一次波聲束僅能掃到焊縫根部，即使用相控陣超聲檢測，聲束也難以覆蓋整個焊縫檢測區(qū)。

2 管座超聲檢測工藝討論

超聲檢測工藝是超聲檢測技術要求和檢測過程的程序控制，是超聲檢測質量好壞的技術性因素。對于能進行超聲檢測的管座，分類研究了其超聲檢測工藝。

2.1 管座式結構的角焊縫檢測

2.1.1 檢測工藝

主汽、再熱熱段蒸汽管道上的疏水、排空及部分取樣管座，其結構多為管座式，接管檢測面長度及管壁厚關系符合表1的條件時，可參考DL/T 1105.2-2010《電站鍋爐集箱小口徑接管座角焊縫無損檢測技術導則 第2部分：超聲檢測》規(guī)程進行普通A型脈沖反射法檢測。

表1 檢測面長度及接管壁厚要求 mm

檢測時，探頭放置的檢測面為接管外壁，無須考慮管道曲面對缺陷定位的影響，依靠一次直射波和內壁二次反射波進行焊縫聲束覆蓋，該檢測類似小徑管對接焊縫單面檢測，而小徑管超聲波檢測是一種成熟的檢測工藝。按該規(guī)程對一些管座式角焊縫進行了檢測，檢測效果滿足工業(yè)應用要求。但由于管座結構相對復雜，缺陷波容易和結構波混淆，因此波形識別困難，對檢測人員的要求相對較高。劉健[9]研究了這種管座角焊縫的超聲波檢測方法，其工藝與DL/T 1105.2-2010規(guī)程所述類似。

2.1.2 可能漏檢的缺陷

對于安放式管座型式，上述檢測可發(fā)現接管側坡口未熔合、根部未焊透，以及焊縫中的氣孔、夾渣、部分反射面較好的裂紋；但主管筒體不開坡口或坡口角度很小而接管壁厚又較薄時，則可能漏檢主管道筒體坡口的未熔合缺陷。

插入式管座安裝時會在主管道上開坡口，當探頭K值選用合適時，主管道上的坡口未熔合缺陷可用一次波檢測到。因此從檢測角度而言，相對安放式管座，插入式管座的結構好。

2.1.3 安放式管座主管道筒體坡口未熔合的危害性

未熔合是一種面積型缺陷，會減少部件的承載截面積，易產生嚴重的應力集中，危害性僅次于裂紋[10]。未熔合的開裂擴展型式與裂紋相同，裂紋的擴展有三種基本類型：張開型(Ⅰ型)、滑移型(Ⅱ型)、撕開型(Ⅲ型)[11]，如圖4所示。未熔合的擴展以某種開裂型式或多種開裂組合型式進行。其中撕開型裂紋擴展型式在管座中較少見，除非裝配不當使得管座中存在三向應力時。孫曉菊研究了殼體在兩向應力作用下，Ⅰ+Ⅱ型復合型裂紋在擴展過程中，不同的擴展成分在有效應力強度因子中所占的比重。研究結果表明：Ⅱ型成分在有效應力強度因子中所占比例趨近于0，幾乎不對裂紋擴展做貢獻，Ⅰ型成分決定了裂紋的擴展速率[12]。因此必須對安放式管座的主管面坡口處增加補充檢測。

圖4 裂紋擴展的三種基本型式

2.1.4 補加檢測

針對主管道筒體焊接面未熔合缺陷，增加輔助檢測可提高可檢測區(qū)域。

(1) 當接管壁厚為4～6 mm時，可在接管面上使用爬波探頭進行輔助檢測[13]，爬波對于與聲束接近垂直的面積型缺陷很敏感[14]。

(2) 當接管壁厚在6～9 mm范圍內時，爬波檢測依然有效[15]，可用爬波探頭在支管上進行檢測。當壁厚超過9 mm后，橫波一次波基本上就能掃查到該位置的未熔合缺陷。

當管座的接管厚度滿足表1要求，但檢測面長度不滿足表1要求時，探頭聲束無法完全覆蓋管座角焊縫。而相控陣超聲檢測技術的聲束可達性強，其檢測面長度需求遠低于常規(guī)超聲檢測，故可使用相控陣超聲方法實施檢測[16-18]，具體檢測工藝可參照DL/T 1718-2017《火力發(fā)電廠焊接接頭相控陣超聲檢測技術規(guī)程》執(zhí)行。

2.2 直埋式結構的角焊縫檢測

圖5 直埋式管座角焊縫與T型角焊縫對比

由于中小徑管曲率半徑小、壁厚薄、檢測面短等原因，探頭移動范圍小，對焊縫掃查區(qū)域有限，即使用相控陣超聲檢測，聲束也難以覆蓋全部檢測區(qū)。在這種情況下，可在主管道上實施檢測。直埋式管座角焊縫與T型對接焊縫結構相似，其剖面對比如圖5所示。對圖5進行分析，探頭放在直埋式管座的主管上檢測和探頭放置在T型角焊縫的腹板上檢測類似，因此可參照T型角焊縫的檢測方法進行檢測，但其檢測面在管道面上，與T型焊縫檢測又有所不同。

2.2.1 檢測存在的問題

探頭放置在管道上檢測直埋式接管角焊縫，存在的主要問題有：

(1) 使用同一探頭在管道外壁檢測時，由于探頭所在位置圓周切線與管座軸向夾角不斷變化，聲束對焊縫的覆蓋性及反射回波的定位規(guī)則都在隨探頭位置的變化而變化，如圖6中的聲束線所示。

圖6 探頭在不同位置時的聲束路徑變化

這種反射回波的定位規(guī)則變化，使得反射回波難以定位。蔡偉[19]對主管檢測缺陷定位方法進行了近似計算，將整個圓周分為八個區(qū)，每兩個對稱區(qū)用一套近似計算公式，精度低且復雜。因此,為了實現在主管上對角焊縫進行超聲檢測，需要有一套簡單快捷的定位計算方法。

圖7 探頭在主管道檢測時的線接觸及探頭翹動影響示意

(2) 在管座周圈的主管位置進行檢測時，理論上探頭和主管均為線接觸。對于管道，線接觸位置均為管道母線位置，如圖7(a)所示；對于探頭，線接觸位置各不相同，如圖7(b)所示。由于線接觸，探頭前后端不固定，會以接觸線為軸產生小角度翹動，引起聲束在工件內的傾斜角度發(fā)生變化。

圖7(c)及圖7(d)為K1探頭在管道腹部檢測角焊縫時，前后翹動對主管內聲束角度的影響示意。因此，按原已知K值計算的定量數據將不準確，不利于缺陷定位。

上述回波定位問題，限制了超聲波檢測技術在主管道上對直埋式結構管座的檢測應用。

2.2.2 針對定位的解決方案

針對影響主管面上檢測直埋式管座角焊縫缺陷的定位問題，提出了解決方案。

(1) 回波定位算法

對于圖6(a)所示，在半徑為R，壁厚為T的主管上使用入射角β=atan(K)的斜探頭進行一次波及二次波檢測，探頭軸線與主管母線夾角為α。α夾角可根據探頭所在位置測定。假定回波由缺陷引起，聲束傳播至焊縫內部，遇到距離上表面埋藏深度為h的缺陷后，聲束發(fā)生反射，反射回波沿原路徑返回，聲束傳播的俯視圖如圖8(a)所示。對聲束傳播路徑A可進行分解，分解為與主管軸向垂直的路徑B及沿主管軸向傳播的路徑C，如圖8(b)所示。其中A可由儀器直接讀取。因此定位僅需確定C及B在主管外壁圓周的投影弧長L及在主管壁厚方向上的投影深度h，如圖9所示。

路徑A的分解對應著探頭K值的分解及探頭前沿的分解，路徑矢量分解及K值的分解示意如圖8(b)所示。

圖8 管座檢測超聲波聲束路徑分解與K值分解示意

圖9 周向聲束路徑B的各項參數定義示意

根據幾何關系，可從圖8(b)得到以下關系

(1)

式中：Ky，Kz，B，C的定義見圖8(b)。

當發(fā)現缺陷時，定位所用各計算參數意義如圖9所示。劉長福等[20]給出了該種情況下的定位計算公式，見式(2)。

(2)

因此，對于探頭在主管上非肩部位置檢測直埋式角焊縫的定位，結合式(1)，(2)可確定缺陷位置。當使用二次波進行檢測時，缺陷距離主管外壁h2=2T-h?？捎肊XCEL輸入公式進行多變量的數據計算，用于查詢。對于主管上距離上表面某一深度的缺陷進行檢測，結合式(1)與式(2)，可計算得到探頭周向移動軌跡。

在某φ194 mm×25 mm(直徑×壁厚)的管上開10 mm深的直徑為1 mm的徑向孔，用K1探頭檢測時，根據式(1)，式(2)編程計算出的移動軌跡俯視投影及側視投影，如圖10所示。由圖10可見，俯視投影近似為橢圓，側視投影近似為馬鞍形，與實際檢測軌跡相符。

圖10 K1探頭檢測徑向孔的計算軌跡

圖11 主管檢測時，反射體與探頭的相對位置

探頭晶片激發(fā)的超聲波，從圖7(b)所示的接觸線進入管道，遇到缺陷產生反射回波，當探頭不在管道的肩部及腹部位置時，缺陷并不位于探頭的正前方，因為不與軸線垂直的直線在管壁上為螺旋線。不同檢測位置時，缺陷可以位于探頭的左側、右側、或正前方上。因此，在主管道上腹部肩部之間發(fā)現缺陷進行定位時，不能按缺陷位于探頭正前方進行直線測量(見圖11)，必須按分解的兩個方向分別測量，然后矢量合成確定缺陷位置(探頭前沿也需被分解)，經過多次檢測驗證，矢量分解合成定位較準確。

(2) 探頭翹動控制

如圖7(c)，7(d)所示，探頭翹動會使得聲束在工件內的傾斜角度發(fā)生變化，而引起定量數據不準確。但在主管上對角焊縫檢測時，探頭翹動情況是難以避免的，目前減小這種影響的主要途徑是減小探頭接觸面積。

在探頭內壓電晶片面積確定的情況下，只能通過探頭結構改變探頭接觸面積。圖12是一種小面積的新型探頭結構，可見同樣尺寸的壓電晶片，其接觸面積比傳統探頭的小很多。例如9 mm×9 mm(長×寬)壓電晶片的常規(guī)探頭的底部接觸面積約為22 mm×14 mm，而新型探頭的接觸尺寸約為12 mm×14 mm，約為前者的55%，有效降低了探頭翹動的幅度。

圖12 新型探頭與常規(guī)探頭尺寸比較

(3) 靈敏度的變化

對圖11中所示的圓孔，用2.5P9×9K1探頭進行檢測，探頭從管肩部移動到管腹部時，圓孔反射回波最高幅值差別約2 dB，對檢測靈敏度的影響較小。

對直埋式管座角焊縫的檢測工藝參數的設定，可參照NB/T 47013.3-2015《承壓設備無損檢測 第3部分:超聲檢測》附錄M中的L接頭的檢測要求執(zhí)行。

3 現場應用

對某電廠主汽管道，再熱熱段管道，主給水管道的溫度、壓力取樣管，排空管，疏水管管座等進行檢驗，根據管座分類不同選用不同的檢測工藝，共檢驗各類管座23只，其中管座式18只，直埋式管座5只，發(fā)現3只管座有超標缺陷。通過機械方式對管座進行挖除，觀察到了缺陷的實際存在，驗證了檢測的有效性。

4 結論

通過對承壓部件上的管座型式的歸納分類，討論了不同型式的管座角焊縫的超聲檢測工藝：管座式角焊縫在接管座面上進行檢測，參考DL/T 1105.2-2010要求進行普通A型脈沖反射法檢測；當接管長度不滿足常規(guī)超聲檢測要求時，也可參照DL/T 1718-2017對角焊縫進行相控陣超聲檢測。對于直埋式管座，以主管道面檢測為主，參照NB/T 47013.3-2015標準附錄M中的L接頭的檢測要求進行檢測，缺陷定位按式(1)，式(2)計算。檢測用探頭推薦選用新型結構的橫波探頭，接觸面積小，弱化了檢測時探頭扭動對缺陷定位的影響。而螺紋式管座不適合進行超聲波檢測。