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(福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福州 350008)

高壓加熱器是發(fā)電機(jī)組的重要給水系統(tǒng)，對(duì)保障電站鍋爐出力和降低能耗起到重要作用。其在制造時(shí)，管板與筒體連接處的焊接是最終組裝工序，該處的焊接接頭常見(jiàn)缺陷為根部未焊透和裂紋，對(duì)其通常采用超聲檢測(cè)方法。由于受限于接頭形狀結(jié)構(gòu)影響，超聲反射法或衍射時(shí)差法始終不能覆蓋焊接接頭截面(見(jiàn)圖1)，同時(shí)底部結(jié)構(gòu)干擾了根部缺陷識(shí)別，現(xiàn)采用超聲衍射時(shí)差法(TOFD)與相控陣超聲(PA)組合的檢測(cè)方法，可發(fā)揮各自檢測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。管板與筒體焊接接頭主要缺陷如圖2所示。

圖1 焊接接頭超聲檢測(cè)示意

圖2 管板與筒體焊接接頭主要缺陷

1 超聲檢測(cè)技術(shù)

1.1 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)(PA)是利用多壓電陣元和延遲控制來(lái)激勵(lì)和接收超聲波信號(hào)的一種技術(shù)，其發(fā)射端的延遲法則能控制聲場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)和聚焦，接收端采用聚焦法則補(bǔ)償相位差，從而得到最理想的回波。相控陣超聲法檢測(cè)焊縫時(shí)通常采用橫波方式進(jìn)行單線扇形掃查，可通過(guò)設(shè)置35°～75°扇掃角度和布置探頭位置實(shí)現(xiàn)焊縫覆蓋；使用C掃描發(fā)現(xiàn)缺陷并區(qū)分結(jié)構(gòu)回波；使用S掃描可進(jìn)行缺陷定位；使用D掃描能對(duì)缺陷進(jìn)行長(zhǎng)度和深度測(cè)量，各種顯示方式如圖3所示。

圖3 相控陣檢測(cè)顯示方式

1.2 超聲衍射時(shí)差法(TOFD)技術(shù)

TOFD技術(shù)是基于衍射時(shí)差法，采用一發(fā)一收的探頭工作模式，主要利用缺陷端點(diǎn)的衍射波信號(hào)檢測(cè)和測(cè)定缺陷位置及尺寸的一種超聲檢測(cè)方法。其主要技術(shù)特點(diǎn)有：檢測(cè)數(shù)據(jù)便于記錄并可形成B掃描圖像；缺陷檢出率和定量不受缺陷方向影響；便于圖譜分析和大范圍覆蓋焊縫，但上下表面存在盲區(qū)，偏離中心的底面缺陷易被漏檢，因此常與超聲反射法組合應(yīng)用。

1.3 PA和TOFD組合檢測(cè)

將PA和TOFD兩種方法結(jié)合起來(lái)，采用角度覆蓋，PA選用純橫波檢測(cè)，在鋼中形成扇形的擴(kuò)散角一般選為40°～70°，角度小的能量高。TOFD探頭既有橫波又有縱波擴(kuò)散，縱波擴(kuò)散角比橫波的更大，更能覆蓋焊縫，上擴(kuò)散角邊界可達(dá)90°，能量集中在中心角度附近，交點(diǎn)選擇在被檢工件厚度范圍的2/3深度處。兩者組合起來(lái)具有技術(shù)互補(bǔ)性：PA法定位準(zhǔn)確；TOFD法可精確測(cè)量缺陷高度；TOFD法檢測(cè)上下表面時(shí)存在的盲區(qū)問(wèn)題可用PA法解決，入射波覆蓋焊縫底部，反射法覆蓋焊縫上表面。

2 相控陣超聲檢測(cè)能力驗(yàn)證

對(duì)5塊厚度分別為15,21,30,43,62 mm的試樣進(jìn)行PA超聲檢測(cè)，并與TOFD法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，研究不同工件厚度、焊縫寬度、底部狀況、缺陷位置和性質(zhì)等對(duì)PA檢出能力的影響。

(1) TOFD檢測(cè)結(jié)果

試樣的TOFD檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 TOFD檢測(cè)結(jié)果(顯示5處缺陷)

圖5 組1的PA檢測(cè)示意與檢測(cè)結(jié)果

圖6 組2的PA檢測(cè)示意與檢測(cè)結(jié)果

(2) PA檢測(cè)結(jié)果

試樣的PA檢測(cè)示意及檢測(cè)結(jié)果如圖5，6所示。組1的缺陷檢測(cè)情況為：C掃描顯示5處(見(jiàn)圖中編號(hào))，雙側(cè)檢測(cè)時(shí)左側(cè)3處，右側(cè)5處，兩側(cè)均有3處。組2的缺陷檢測(cè)情況為：C掃描顯示3處(見(jiàn)圖中編號(hào))，雙側(cè)檢測(cè)時(shí)左側(cè)2處，右側(cè)3處，兩側(cè)均有2處。

綜合上述比對(duì)結(jié)果，TOFD檢測(cè)顯示的缺陷,PA均能檢測(cè)出來(lái)，缺陷的檢出率可達(dá)96%以上，被漏檢的缺陷主要為氣孔，其他性質(zhì)缺陷均能檢測(cè)出來(lái)，但裂紋的顯示大?？梢?jiàn)，PA檢測(cè)具有較大的優(yōu)勢(shì)，例如，檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄全面完整，掃描顯示方式多樣，對(duì)缺陷的定位和測(cè)量準(zhǔn)確，可以形成缺陷參考顯示圖譜指導(dǎo)缺陷定性。但PA檢測(cè)也有不足之處，例如，對(duì)檢測(cè)工藝要求高，一次波檢測(cè)不能覆蓋焊縫，二次波檢測(cè)可能受底面結(jié)構(gòu)形狀影響不能完全覆蓋焊縫；受缺陷的位置區(qū)域和取向影響較大，條件允許應(yīng)單面雙側(cè)或雙面雙側(cè)檢測(cè)，若受結(jié)構(gòu)影響采用單面單側(cè)檢測(cè)時(shí)有可能造成缺陷漏檢，盡量使用雙側(cè)兩組以上的掃查次數(shù)，增加大角度的檢測(cè)范圍和區(qū)域。

3 檢測(cè)應(yīng)用分析

3.1 結(jié)構(gòu)顯示區(qū)分

高壓加熱器管板與筒體焊接接頭的結(jié)構(gòu)目前有兩種形式，一種為自帶墊板的接頭，另外一種為對(duì)接接頭。采用PA檢測(cè)時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)焊縫截面的完全覆蓋，管板側(cè)放置探頭檢測(cè)時(shí)沒(méi)有可用底部，筒體側(cè)放置探頭檢測(cè)，自帶墊板加工成臺(tái)階后焊縫母材厚度發(fā)生變化，整圈厚度偏差大，同時(shí)焊接部位截面寬度尺寸變化大，缺陷信號(hào)經(jīng)底部反射后難以準(zhǔn)確定位；采用對(duì)接形式的接頭主要受焊縫錯(cuò)邊的影響，焊縫厚度和底部焊寬尺寸相對(duì)穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)單面單側(cè)的二次波檢測(cè)，經(jīng)驗(yàn)證有漏檢的可能性。因?qū)嶋H接頭的主要缺陷是根部未焊透和裂紋，因此無(wú)論哪種接頭首先應(yīng)考慮使用一次波PA檢測(cè)以確保接頭底部的檢測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)焊縫截面的完全覆蓋，應(yīng)增加TOFD檢測(cè)，同時(shí)補(bǔ)充進(jìn)行外表面磁粉檢測(cè)。

對(duì)于自帶墊板的接頭，TOFD法的檢測(cè)顯示如圖7所示，正常評(píng)定范圍內(nèi)有直通波、筒體側(cè)底波和管板側(cè)墊板底波顯示。

圖7 自帶墊板焊接接頭的TOFD顯示(底部多重波變化)

圖8 自帶墊板焊接接頭管板側(cè)PA檢測(cè)示意與底部顯示分析

在封頭側(cè)的PA檢測(cè)，只能采用一次波檢測(cè)，其會(huì)產(chǎn)生槽端角、間隙和墊板端頭回波信號(hào)，其中間隙信號(hào)會(huì)干擾根部未焊透的識(shí)別。但是在封頭側(cè)進(jìn)行PA檢測(cè)是有必要的，其能夠看清底部結(jié)構(gòu)的變化，尤其間隙位置的變化，形成數(shù)據(jù)對(duì)筒體側(cè)的PA檢測(cè)有幫助。其檢測(cè)示意與底部顯示分析如圖8所示。如圖8(b)所示，采用不同角度直線分析底部結(jié)構(gòu)顯示位置，結(jié)合C掃描區(qū)分缺陷和結(jié)構(gòu)，可見(jiàn)有3處結(jié)構(gòu)波。

在筒體側(cè)進(jìn)行PA檢測(cè)是主要的且不可缺少的，尤其在管板側(cè)無(wú)法進(jìn)行，只能從筒體側(cè)進(jìn)行單面單側(cè)檢測(cè)時(shí)，在本側(cè)正常情況底部一次波檢測(cè)只有階梯端信號(hào)顯示，若出現(xiàn)其他位置底部顯示均可視為缺陷，較好地排除了間隙干擾。其檢測(cè)示意及底部顯示分析如圖9所示，通過(guò)S掃描直線分析底部結(jié)構(gòu)顯示位置，結(jié)合C掃描區(qū)分缺陷和結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)只有階梯結(jié)構(gòu)波。

圖9 自帶墊板焊接接頭管板側(cè)PA檢測(cè)示意及底部顯示分析

對(duì)于采用對(duì)接形式的連接，焊縫結(jié)構(gòu)顯示基本為正常狀況,TOFD檢測(cè)評(píng)定范圍內(nèi)有直通波和底波顯示，底波單一無(wú)變化，如圖10所示。其PA檢測(cè)示意與檢測(cè)結(jié)果如圖11所示，管板側(cè)正常顯示有槽端角信號(hào)，同時(shí)多數(shù)情況下伴隨錯(cuò)邊信號(hào)，而在主要的筒體側(cè)檢測(cè)時(shí)一般沒(méi)有結(jié)構(gòu)信號(hào)顯示，錯(cuò)邊信號(hào)會(huì)干擾未焊透缺陷的識(shí)別，只有單側(cè)顯示可能為錯(cuò)邊，雙側(cè)顯示的可定為未焊透，同時(shí)可以結(jié)合TOFD檢測(cè)的底波顯示變化進(jìn)行判斷。

圖10 對(duì)接接頭的TOFD顯示(底部)

圖11 對(duì)接焊接接頭PA檢測(cè)示意與檢測(cè)結(jié)果

當(dāng)高壓加熱器管板與筒體焊接接頭結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，只能在筒體側(cè)單面單側(cè)檢測(cè)且TOFD法無(wú)法實(shí)施時(shí)，應(yīng)對(duì)檢測(cè)面焊縫余高進(jìn)行磨平處理，并且增加掃查次數(shù)。

3.2 未焊透顯示

主要根據(jù)實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的缺陷形成典型圖譜，指導(dǎo)根部未焊透缺陷的判斷。

自帶墊板形式的筒體側(cè)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的未焊透，PA法和TOFD法均能顯示，如圖12所示缺陷，其高度較大或間隙位置靠近焊縫中心線。

圖12 自帶墊板形式的筒體側(cè)未焊透的TOFD和PA檢測(cè)顯示分析

圖13 自帶墊板形式的筒體側(cè)未焊透的PA顯示分析

自帶墊板形式的筒體側(cè)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的未焊透，PA法檢測(cè)能顯示而TOFD法檢測(cè)未能顯示，如圖13所示缺陷，其高度較小或間隙位置靠近階梯端(偏離焊縫中心線)。

對(duì)接形式焊接接頭顯示的根部未焊透，應(yīng)經(jīng)PA檢測(cè)進(jìn)行單面雙側(cè)顯示，必要時(shí)需結(jié)合TOFD檢測(cè)的底部顯示狀況來(lái)進(jìn)行判定，如圖14所示，注意管板側(cè)常產(chǎn)生錯(cuò)邊信號(hào)，而未焊透信號(hào)會(huì)隱含其中，而錯(cuò)邊只是單側(cè)結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

3.3 裂紋顯示

主要根據(jù)實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的缺陷形成典型圖譜，指導(dǎo)裂紋缺陷的判斷。

3.3.1 熱影響區(qū)裂紋顯示

自帶墊板的接頭形式，在筒體側(cè)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)的裂紋，如圖15所示。圖15(b)中的左上圖S掃描結(jié)構(gòu)波與未焊透和裂紋位置相距較近，有高度；右上圖B掃描缺陷深度、長(zhǎng)度狀態(tài)和形狀與TOFD顯示狀況接近；下面的C掃描圖中可區(qū)分結(jié)構(gòu)波和缺陷，未焊透與裂紋顯示位置重合。通過(guò)各種掃描圖譜的定位分析可知，裂紋是因原來(lái)存在的未焊透發(fā)展形成的，同時(shí)周邊伴隨存在夾渣缺陷，間隙位置靠近底部階梯。

圖15 TOFD與PA組合檢測(cè)得到的熱影響區(qū)裂紋顯示

3.3.2 橫向裂紋檢測(cè)顯示

由于管板與筒體焊接接頭為異種鋼的焊接，運(yùn)行時(shí)管程與殼程工作溫度相差較大，在交變載荷作用下易產(chǎn)生裂紋，故有必要進(jìn)行橫向裂紋檢測(cè)。其檢測(cè)示意及裂紋顯示如圖16所示，進(jìn)行橫向裂紋檢測(cè)時(shí)應(yīng)將焊縫余高磨平， PA采用平行法按兩個(gè)方向沿焊縫進(jìn)行掃查，同時(shí)TOFD采用平行法沿焊縫進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)橫向裂紋顯示均為點(diǎn)狀密集顯示。

圖16 橫向裂紋的組合檢測(cè)顯示

4 結(jié)論

(1) 高壓加熱器管板與筒體焊接接頭經(jīng)超聲檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)存在裂紋，其主要是在焊接過(guò)程和設(shè)備服役中產(chǎn)生的，定期檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)檢測(cè)該部位，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行橫向裂紋的檢測(cè)。

(2) 高壓加熱器管板與筒體焊接接頭的最佳超聲檢測(cè)方法是采用相控陣超聲與衍射時(shí)差法的組合檢測(cè)，這樣可發(fā)揮各自技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能全面記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)，得到完整的結(jié)構(gòu)顯示，采用文章建立的圖譜結(jié)構(gòu)對(duì)比分析方法能有效識(shí)別根部未焊透和裂紋。

(3) 相控陣超聲單面單側(cè)檢測(cè)管板與筒體焊接接頭會(huì)造成漏檢，應(yīng)采取磨平檢測(cè)面焊縫余高、增加大角度檢測(cè)范圍,使用和增加掃查次數(shù)等有效措施，獲得最佳檢測(cè)工藝。

(4) 通過(guò)相控陣超聲檢測(cè)方法的研究應(yīng)用，獲得了未焊透和裂紋的圖譜分析識(shí)別方法，并建立了典型缺陷圖譜，對(duì)今后類似焊縫的超聲檢測(cè)有指導(dǎo)意義。