陳太軍，賴傳理，杜顯祿，謝進，石愛玲

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帶堆焊層和復合層角焊縫超聲波檢測應用

陳太軍，賴傳理，杜顯祿，謝進，石愛玲

（東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001）

在對角焊縫超聲波檢測時，堆焊層和復合層影響超聲波的傳播和衰減，減少了超聲波可探測面的數(shù)量，降低了焊縫超聲波檢測質(zhì)量的可靠性。結(jié)合焊縫實際結(jié)構(gòu)，討論和實踐從堆焊層和復合層面上使用超聲波檢測角焊縫，研究設計了從復合層側(cè)和堆焊層側(cè)檢測用檢測試塊，研究從堆焊層側(cè)使用縱波斜探頭和直探頭檢測、從復合焊層側(cè)使用縱波斜探頭和直探頭檢測，優(yōu)化檢驗參數(shù)，提高檢測可靠性。

堆焊層；復合層；角焊縫；超聲檢測

化工容器設備在運行過程中往往承受高溫高壓、且多在強腐蝕環(huán)境和介質(zhì)中運行，為提高設備的抗應力腐蝕破裂或腐蝕疲勞，設計時設備殼體和接管內(nèi)壁通常堆焊不銹鋼堆焊層或采用復合板制造來提高設備抗腐蝕性。但不銹鋼堆焊層或復合板屬于奧氏體不銹鋼，因其晶粒粗大和各向異性，影響超聲生束的傳播，降低了超聲波穿透能力，角焊縫檢測時超聲波可探測面的數(shù)量減少，影響角焊縫超聲波檢測質(zhì)量的可靠性。本文結(jié)合焊縫實際結(jié)構(gòu)，討論和實踐從堆焊層和復合層面上使用超聲波檢測角焊縫，提高檢測可靠性。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和制造過程

化工容器殼體角焊縫普遍采用插入式結(jié)構(gòu)如圖1所示。某大型化工項目殼體內(nèi)徑1900～4000，材質(zhì)15CrMoR＋S30403（S30403為爆炸復合層），殼體壁厚70＋4 mm（4 mm復合層）；接管內(nèi)徑508～1100，壁厚70～90 mm，材質(zhì)15CrMoIV鍛件，接管內(nèi)壁堆焊不銹鋼厚度要求不低于6 mm（過渡層EQ309LMo、面層EQ316L），角焊縫坡口角度設計為單邊30°，產(chǎn)品設計要求角焊縫進行100%超聲波檢測。

制造時，首先進行接管內(nèi)壁堆焊層堆焊，然后機加內(nèi)壁。采用NB/T 47013.3－2015《承壓設備無損檢測超聲檢測》和NB/T 47013.5－2015《承壓設備無損檢測滲透檢測》檢測堆焊層，然后進行接管與殼體的裝焊，裝配時角焊縫內(nèi)壁加墊板外壁采用埋弧自動焊焊接，外壁自動焊焊妥后，去除內(nèi)壁墊板進行清根，內(nèi)壁清根位置進行滲透檢測，采用手工焊內(nèi)壁焊接平齊，打磨超聲波探傷面，角焊縫外壁表面進行磁粉檢測、內(nèi)壁表面進行滲透檢測，焊縫內(nèi)部進行超聲波檢測，最后采用手工堆焊方式對接管端面和焊縫內(nèi)壁進行補堆，堆焊完成后需要對補堆堆焊層區(qū)域滲透和超聲波檢測，角焊縫制造流程結(jié)束。

2 角焊縫超聲波檢測要求和特點

根據(jù)NB/T 47013.3－2015《承壓設備無損檢測第3部分：超聲波檢測》[1]插入式接管角接接頭（鐵素體）超聲波檢測的具體要求：工件厚度＝74 mm，B級檢測要求，執(zhí)行圖2所示角焊縫檢測面和參數(shù)分別為：

縱向缺陷檢測：①檢測面A，2.5Z14×14K1（45°探頭），2.5Z14×14K2（63°探頭）；②檢測面B，2.5Z14×14K1（45°探頭），2.5Z14×14K2（63°探頭）；③檢測面C，2.5Z14N直探頭（0°探頭），2.5Z10×10K1（45°探頭），2.5Z10×10K2（63°探頭）。

橫向缺陷檢測：①檢測面A，2.5Z14×14K1（45°探頭）和2.5Z14×14K2（63°探頭）進行斜向掃查；②焊縫內(nèi)壁：2.5Z10×10K1（45°探頭）和2.5Z10×10K2（63°探頭）進行平行于焊縫掃查。

顯然，當接管內(nèi)壁帶有不銹鋼堆焊層和殼體內(nèi)壁帶有不銹鋼復合層時（圖3），超聲波檢測面無法達到標準規(guī)定的要求，縱向檢測時檢測面B和檢測面C無法檢測，檢測的有效性將無法保證，在NB/T 47013.3－2015中也未涉及涵蓋對這類焊縫的檢測。

圖1 插入式角焊縫

圖2 角焊縫檢測面

圖3 角焊縫檢測面

眾所周知，奧氏體焊縫[2]中晶粒存在各向異性，與鐵素體金屬相比，降低了焊縫超聲波檢測穿透能力，與碳鋼或低合金鋼等均質(zhì)焊縫的各向同性相比，這類晶粒結(jié)構(gòu)也將導致各向異性的超聲檢測特性。還有晶粒粗大，散射線引起衰減嚴重，不同大小的晶粒、排列和彈性各向異性造成了強烈的散射，而且還伴隨著焊縫中超聲波模式變換、波束扭曲，以及聲束在焊縫中的方向和位置變化等，能量散射表現(xiàn)為較高的噪聲和嚴重的衰減。

本項目堆焊層僅6 mm，復合層也僅4 mm，要解決它對本角焊縫超聲檢測的影響有多大、在檢測面B和C是否能進行超聲波檢測或部分超聲波檢測指標能否實現(xiàn)、如何提高超聲波檢測的有效性等問題。

通過焊接過程和坡口型式來分析，在焊接中角焊縫易產(chǎn)生以下四類缺陷：第1類缺陷：焊接參數(shù)不當或焊接溫度控制不到位，接管側(cè)面與焊縫易產(chǎn)生未熔合；第2類缺陷：焊接參數(shù)不當或焊接溫度控制不到位，殼體坡口與焊縫易產(chǎn)生未熔合；第3類缺陷：內(nèi)壁清根不徹底，易產(chǎn)生夾渣；第4類缺陷：焊接溫度控制不到位，焊縫易產(chǎn)生縱向裂紋。提高以上4類焊縫缺陷檢測的有效性和可靠性，也就保證了該類焊縫的檢測質(zhì)量。

根據(jù)待檢缺陷類型和超聲波傳播特性分析，可以得出：對于第1類缺陷，利用直探頭和一組斜探頭從檢測面C側(cè)對焊縫進行檢測，直探頭與接管側(cè)面垂直，可保證對接管側(cè)面與焊縫間未熔合具有良好的檢出率；對于第2類缺陷，該焊縫坡口角度為30°，當利用63°斜探頭從檢測面B對該坡口面未熔合進行掃查時，聲束與缺陷平面幾乎垂直，正是檢測最有效的入射角方向，充分保證缺陷可靠地檢出；對于第3類缺陷，可從檢測面A/C利用斜探頭和直探頭進行掃查；對于第4類缺陷，從C檢測面利用直探頭和A/B檢測面利用45°和63°斜探頭對該類缺陷進行檢測。以上所有檢測設置均應在檢測前利用模擬試塊驗證C面的堆焊層和B面復合層的存在對于超聲檢測的影響，評價堆焊層和復合層對于聲束的方向性和能量衰減幅度的影響。

3 檢測試塊的設計

檢測模擬試塊分為兩類：復合層側(cè)模擬試塊（圖4）采用產(chǎn)品的加工余料制成，與產(chǎn)品實際應用的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一致；堆焊層模擬試塊（圖5）采用堆焊層對比試塊，試塊材質(zhì)和焊接方式及熱處理狀態(tài)均與產(chǎn)品完全一致。試塊按照標準設置不同深度2 mm橫通孔。

4 接管內(nèi)壁檢測試驗

4.1 接管內(nèi)壁直探頭檢測試驗

因接管壁厚為70～90 mm，加上需要覆蓋焊縫厚度，因此直探頭檢測深度范圍為70～140 mm，采用KK公司MB2SEN、2 MHZ、10直探頭在堆焊層側(cè)測量橫孔反射回波值（表1），采用KK公司MB4S、4 MHz、10直探頭，在堆焊層側(cè)測量橫孔反射回波值（表1），采用MB2SEN、2 MHz、10直探頭在堆焊層側(cè)和基層測分別測量橫孔反射回波值（表2）。

從測量數(shù)據(jù)來看，2 MHz和4 MHz、10直探頭在堆焊層側(cè)信噪比均≥15 dB，當信噪比≥12 dB時即可滿足標準要求。在試塊表面狀態(tài)一致時，2 MHz、10直探頭在基層側(cè)和堆焊層側(cè)聲能損失最大6.1 dB，平均為3.9 dB，聲能損失小，表明6 mm堆焊層對縱波聲束影響非常小，檢測效果理想。圖6為MB2SEN、2 MHz、10直探頭在堆焊層側(cè)深度111.9 mm和141.7 mm處的波形圖，噪聲干擾信號少，波形清晰易于分辨，檢測效果好。

4.2 接管內(nèi)壁斜探頭檢測試驗

采用SIUI的2.5 MHz、14×14、K1探頭，在基層側(cè)和堆焊層側(cè)分別檢測橫通孔反射回波信號值，如表3所示。從帶堆焊層側(cè)實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，70～140 mm反射孔均能有效檢出，信噪比最小值為12 dB、平均值為14.26 dB，從波形圖（圖7）可知波形雜波較少圖形清晰，因此檢測有效。

但從堆焊層側(cè)聲程和深度偏差（表4）分析可見，因不銹鋼堆焊層的存在影響了聲束的傳播方向，改變了聲波在工件中的傳播路徑，聲程偏差最大達21.8 mm，深度偏差值最大達15.2 mm，在焊縫中傳播實際角度約為38°。因此實際檢測過程中需要根據(jù)模擬試塊繪制實際的距離波幅曲線，測量出每一個反射孔的實際聲程和深度，才能對焊縫中缺陷準確定位。

采用SIUI的2.5 MHz、14×14、K2斜探頭，在堆焊層側(cè)測量反射孔的回波（表5），孔深度在70 mm和80 mm處的反射回波信號的信噪比已經(jīng)小于10 dB，不滿足標準要求，檢測干擾信號多信噪比低，因此檢測無效。

圖4 復合層超聲試塊（單位：mm）

圖5 堆焊層模擬試塊（單位：mm）

表1 兩種直探頭堆焊層側(cè)試驗數(shù)據(jù)

表2 MB2SEN、2 MHz、Φ10直探頭基層側(cè)和堆焊層側(cè)試驗數(shù)據(jù)

表3 2.5 MHa、14×14、K1斜探頭在基層側(cè)和堆焊層實驗數(shù)據(jù)

5 復合層側(cè)檢測面檢測試驗

5.1 直探頭橫孔測試

如表6所示，使聲波穿過復合層測量反射橫孔的回波，采用SIUI的5 MHz、14直探頭在基層側(cè)測量各反射孔回波信號值，采用SIUI的5 MHZ、14直探頭在復層側(cè)測量各反射孔回波信號值，采用SIUI的2.5 MHz、14直探頭在基層側(cè)測量各反射孔回波信號值，采用SIUI的2.5 MHZ、14直探頭在復層側(cè)測量各反射孔回波信號值，6 mm反射橫孔均在盲區(qū)無法識別（通過測量盲區(qū)小于10 mm），從實驗數(shù)據(jù)和波形圖來看，4 mm的復合層對檢測幾乎沒有影響，信噪比遠大于標準要求值，能充分實現(xiàn)采用直探頭透過復層檢測焊縫內(nèi)部缺陷。

表4 堆焊層側(cè)聲程和深度偏差

圖6 Φ10直探頭波形圖

圖7 K2斜探頭深度109 mm波形圖

5.2 斜探頭橫孔測試

5.2.1 2.5 MHz、13×13、K1測試

采用SIUI的2.5MHz、13×13、K1探頭在基層測和復層側(cè)分別檢測橫通孔反射回波信號值（表7），從復層側(cè)實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，10～64 mm反射孔均能有效檢出，信噪比最小值26 dB，滿足標準及實際使用要求，波形雜波較少圖形清晰，因此檢測有效。也可以發(fā)現(xiàn)4 mm的復合層對檢測幾乎沒有影響，能充分實現(xiàn)采用K1斜探頭透過復層檢測焊縫內(nèi)部缺陷。復層側(cè)深度讀數(shù)（表8）最大偏差1.4 mm，因此復合層對聲束傳播角度幾乎也沒有影響。

表5 2.5 MHz、14×14、K2斜探頭堆焊層側(cè)試驗數(shù)據(jù)

表6 兩種直探頭基層側(cè)和復合層側(cè)試驗數(shù)據(jù)

表7 2.5 MHz、13×13、K1基層側(cè)和復合層側(cè)試驗數(shù)據(jù)

表8 2.5 MHz、13×13、K1復合層側(cè)實際深度

5.2.2 2.5 MHz、14×14、K2測試

采用SIUI的2.5MHz、14×14、K2探頭，在基層測和復層側(cè)分別檢測橫通孔反射回波信號值（表9），從復層側(cè)實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，10～64 mm反射孔均能有效檢出，信噪比最小值為20 dB，滿足標準要求，從波形圖（圖8）可知波形雜波較少圖形清晰，因此檢測有效。也可以發(fā)現(xiàn)4 mm的復合層對檢測幾乎沒有影響，能充分實現(xiàn)采用K2斜探頭透過復層檢測焊縫內(nèi)部缺陷。復層側(cè)深度讀數(shù)（表10）最大偏差1.9 mm，因此復合層對聲束傳播角度幾乎也沒有影響。

表9 基層側(cè)和復合層側(cè)試驗數(shù)據(jù)

表10 復合層側(cè)實際深度

圖8 K2斜探頭深度66 mm波形圖

6 結(jié)束語

綜上所述，針對本文結(jié)構(gòu)帶堆焊層和復合層角焊縫，通過對比試驗分析和實踐應用，聲波穿過堆焊層和復合層，使用直探頭和斜探頭對角焊縫內(nèi)部缺陷檢測，補充了超聲波可探測面的數(shù)量，提高了焊縫檢測質(zhì)量的可靠性，對保障設備安全有效運行起到了重要作用。

[1]NB/T 47013.3－2015，承壓設備無損檢測射線檢測[S].

[2]鄭暉，林樹青. 超聲檢測（第2版）[M]. 北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

The Application of Ultrasonic Testing on the Fillet Weld with Overlaying Layer and Composite Layer

CHEN Taijun，LAI Chuanli，DU Xianlu，XIE Jin，SHI Ailing

( DEC Dongfang Boiler Group Co.,Ltd., Zigong 643001, China )

Fillet welding with overlaying layer and composite layer has been widely applied in the design of chemical container. But in the ultrasonic testing for this type of fillet welding, the overlaying layer and composite layer affects the transmission of ultrasonic waves, reduces the number of ultrasound testing surface, and then lowers the reliability of the ultrasonic testing. In this paper, the writers discuss the practice for the application of ultrasonic testing on the fillet weld with overlaying layer and composite layer welding layer on the basis of the actual structure of the weld. Test block is applied to detect the composite layer and the overlaying layer. From the side of overlaying layer, longitudinal wave angle probe and straight probe test is used. From the side of composite welding layer, longitudinal wave angle probe and straight probe test is used. The test parameters and been optimized, and the reliability of the ultrasonic testing has been improved.

overlaying layer；composite layer；fillet weld；ultrasonic testing

TV698.1+5

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.10.012

1006－0316 (2018) 10－0049－07

2018－07－02

陳太軍（1978－），男，四川德陽人，本科，高級工程師，主要從事電站鍋爐和壓力容器產(chǎn)品無損檢測研究工作。