汽包中径管管座角焊缝超声波探伤方法研究

汽包中径管管座角焊缝超声波探伤方法研究

(1.河北省电力试验研究所，河北 石家庄050021；
2.马头发电总厂，河北 邯郸 056044)

    摘 要：提出了利用小角度纵波探头和横波探头相结合对汽包中径管管座角焊缝进行超声波探伤的方法，对小角度纵波探头进行了设计，对两种探头的标准反射体与判伤标准进行了统一。实践证明，该方法可以有效解决汽包中径管管座角焊缝超声波探伤问题。
   关键词：电站锅炉；汽包；角焊缝；超声波检验

    在电站锅炉承压部件中，汽包是加热、蒸发、过热3个阶段的连接枢纽，是承受压力最高的部件，汽包质量直接影响整个锅炉的**运行。
    汽包的上升管、饱和导汽管、分散降水管等一般为中径管，其外径108～213 mm,壁厚10～22mm，这些中径管管座以角焊缝的形式与汽包筒体相连接。与汽包相连的管座在应力作用下的变形与筒体孔边缘的变形不一致，两者要相互协调，必然引起附加的弯曲应力，汽包中径管管座角焊缝(以下简称角焊缝)在运行时是应力集中系数较高、受力复杂的部位，因此加强角焊缝的质量检验与监督非常重要。
1  角焊缝超声波探伤存在的问题
   超声波探伤对面积和体积型缺陷的检出灵敏度较高，但对于角焊缝的超声波检验存在如下问题。
1.1用普通探头进行超声波探伤时存在不可探区
    角焊缝的结构如图1所示，根据其结构，采用纵波和横波超声波探伤，探头在纵波探伤时置于A位置，在横波探伤时置于B位置。普通纵波探头置于A位置进行探伤时，在角焊缝的根部存在一主声束不能扫查的区域Z，以汽包筒体直径1 790mm、母材厚度95 mm、引出管直径φ159 mm×16 mm的角焊缝为例，计算其不可扫查区域Z为7.54mm。

 如果利用普通直探头在A位置进行探伤，主声束不能扫查到根部易出现的未焊透缺陷，从而造成漏检
1.2 角焊缝的缺陷波与结构波不易区分
   由于汽包壁厚一般为85～203mm，中径管管座的壁厚为10～22 mm，后者相对前者而言较小，其角焊缝尺寸也相对较小，在利用普通直探头在A位置进行探伤时，缺陷的回波声程与底面、焊缝外表面的回波声程相差不大，其回波不易区分。
1.3侧壁效应对探伤灵敏度的影响
    利用普通直探头在A位置进行探伤时,若探头靠近开孔的边缘，孔侧边反射的纵波和横波与直接传播至缺陷的声波互相干扰。研究表明，干扰的结果改变了探头的指向性和对称性，灵敏度有极大值和极小值，且极大值并不在探头的轴线上，在靠近开孔边缘区域内的灵敏度比无侧壁效应的区域低许多。
2  探头的设计与选择
  小角度纵波探头是在普通直探头前加一透声楔，使其主声束偏离探头晶片轴线一定角度的探头。在利用小角度纵波探头在A位置进行探伤时，主声束与探头轴线成一定的夹角，可以探测到普通探头不能检测的不可探区；底面和焊缝外表面的回波不能被小角度纵波探头收到，这样可以消除结构波对缺陷波的影响；同时可以减少或消除侧壁效应的影响。
    利用小角度纵波探头在A位置对角焊缝进行扫查以后，再利用横波斜探头在图1所示的B位置检验中径管管座侧坡口未熔合、焊缝内夹渣、未焊透等缺陷，这样焊缝整个截面都能被扫查到。
2．1小角度纵波斜入射探头入射角度的选择
2.1.1 小角度纵波斜入射探头入射后的波形分析
   当超声波以一定角度斜入射到异质界面时会产生反射和折射，传播方向遵循斯涅耳定律：
   
式中α₁——纵波入射角；
   β₁——纵波折射角；
   β₂——横波折射角；
   c_L1——**介质中的纵波速度；
   c_L2——**介质中的纵波速度；
   c_s2——**介质中的横波速度。
   当α₁小于**临界角时，在钢中将产生折射横波和纵波，小角度纵波探头正是利用折射原理获得的。当纵波倾斜入射后纵波和横波的声程差为△τ，即：

    式中，T为反射体声程，对于小角度纵波入射，一般入射角比较小，cosβ₁≈1， cosβ₂≈1，钢中的c_L2＝5900m/s、c_s2＝3 230 m/s。因此式(2)可变为：△τ＝0.8T。对角焊缝超声波探伤时，汽包壁超过100mm，利用小角度纵波探伤时，横波在缺陷纵波讯号声程后的0.8 T位置出现，折射横波不会对纵波产生干扰。
2.1.2 小角度纵波探头的反射声压
   在角焊缝探伤时，最容易出现未熔合和根部未焊透的现象。这两种缺陷都是面积型缺陷，类似于端角反射。在利用小角度纵波探头进行探伤时，应注意回波反射声压问题，即倾斜入射的小角度纵波在被这两种缺陷反射后，应有足够的能量被探头接收到。
    入射纵波在端角的反射系数如图2所示，当入射角度≤100°时，声压最低反射系数≥30％。因此设计入射角度时，折射角不应超过10°。
2.1.3 小角度纵波探头折射角的选择
    200 MW以上机组的汽包壁厚最小为100mm，如果所设计的小角度纵波探头主声束能够扫查到壁厚为100mm的汽包根部不可探区缺陷，那么，也能扫查到壁厚大于100mm的汽包根部不可探区缺陷。

    在200MW以上机组的汽包引出管中，159 mm×16mm管使用得最多。在此，以φ159 mm×16mm为例说明探头折射角度的选择。汽包规格选择1 790 mm×100 mm,H为100 mm，如图1所示。在A位置利用普通直探头进行探伤时，在角焊缝根部存在主声束不能扫查的区域Z为7.54mm。如果利用小角度纵波探头进行探伤，其前沿l₀为10mm时，欲扫查到整个焊缝，其折射角应为

   选择小角度纵波探头的折射角为9°，既满足了根部不可查区域的扫查，又能满足较高的声压反射率。为增强探头的指向性，选择探头的频率为5 MHz。
2.2斜探头的选择
    由于小角度纵波探头在A位置对管座角焊缝进行扫查时，对引出管座侧的坡口未熔合检验灵敏度较低；对于小角度纵波探头所发现的内部缺陷如夹渣、气孔需要进行复核，在利用小角度纵波探头在A位置进行探伤以后，需要在图1所示B位置利用横波斜探头对角焊缝进行扫查。在利用斜探头对角焊缝进行探伤时，可选用普通斜探头。
3  标准反射体的选择与判伤标准的确定
3.1标准反射体的选择
    小角度纵波探伤时可以采用φ2 mm平底孔作为探伤灵敏度的标准反射体，斜探头探伤时以CSK-IIIA作为标准试块，φ1 mm×6mm短横孔作为标准反射体。
  在利用小角度直纵波探头进行探伤时，如果采用平底孔作为标准反射体，要求平底孔与声束轴线垂直，且应包括不同声程和不同直径的平底孔，需要制作一系列的标准反射体试块，不适合现场应用。由于小角度直纵波探头的主声束和晶片轴线成一定夹角，类似于横波斜探头，因此可采用横波斜探头常采用的短横孔来作为标准反射体。短横孔反射体试块的优点是不同深度的短横孔可以做成一个试块，试块的体积小，携带方便。
    在3倍近场区以外，纵波入射直径为D_f、长为l_f的短横孔的声压反射公式为：
   
   在3倍近场区以外，纵波反射面积为F_f的平底孔的声压反射公式为：
   
(3) 式除以（4）式得：
    
    令H_f1＝H_f2,将5MHz时纵波波长λ=1.18 mm, l_f=6mm,D_f＝1 mm代入（5)式得＝φ2.03 mm。由此可知，利用5 MHz的小角度纵波探伤时，φ1 mm×6mm的短横孔在3倍近场区以外的声压反射强度与φ2 mm平底孔相同，因此可以用φ1 mm×6 mm的短横孔代替φ2 mm平底孔作为标准反射体来确定探伤灵敏度。
3.2判伤标准的确定
3.2.1 点状缺陷的判伤标准
    根据JB4730-1994《压力容器无损检测》对焊缝射线探伤的规定，点状缺陷最大尺寸不能超过壁厚的一半，锅炉汽包中径管管座的壁厚为10～22 mm,取最薄壁厚10 mm，允许最大的气孔尺寸为φ5mm,可以推算出其当量为φ1×6+7dB。斜探头采用的JB1152-1981中的判废标准为壁厚8～15 mm，判废当量为φ1×6+2 dB; 壁厚15～46 mm判废当量为φ1×6+5 dB。与φ1×6+7 dB相比，显然 JB 1152-1981规定的判废标准更严格。利用小角度纵波探头对角焊缝进行探伤时可以采用JB 1152-1981规定的判废标准,这样，采用小角度纵波探头在A位置对角焊缝进行扫查和利用横波斜探头在B位置对角焊缝进行扫查时，可以采用统一的标准反射体和探伤灵敏度进行探伤。探伤灵敏度见表1。

3.2.2未焊透的判伤标准
   根部未焊透类似于端角反射，不能采用以上探伤灵敏度，利用超声波探伤方法检验未焊透时宜采用对比法，在试块上模拟未焊透缺陷。未焊透的尺寸可以参考DL/T 820-2002《管道焊接接头超声波检验技术规程》的规定，见表2，标准反射体采用1.5mm深的月牙槽。

    当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时，以缺陷反射波幅评定；当缺陷反射波波幅小于用1.5 mm深的月牙槽的反射波幅时，以缺陷的指示长度评定。
3.3危险性缺陷
   探伤中如检验人员能判定缺陷性质为裂纹、未熔合等危险性缺陷时，该焊接接头为不合格接头。
4  现场角焊缝超声波探伤应用
    马头发电厂^＃7炉为DG670/13.7-8，汽包壁厚为95 mm,分散降水管管座角焊缝的尺寸为φ159 mm×16 mm，饱和导汽管管座的规格为φ108 mm×10 mm，材质为20G。检验结果发现全部管座存在根部未焊透、坡口未熔合等缺陷讯号，缺陷存在于整个管座角焊缝，缺陷讯号清晰。在返修中解剖证实超声波探伤发现的缺陷全部存在，最严重的根部未焊透、坡口未熔合、裂纹距根部已达到11mm深。缺陷产生的原因是由于管座角焊缝的坡口设计不合理，焊工在焊接时未进行打底接，直接进行了盖面焊接。
5  结论
    a.针对汽包中径管管座角焊缝的结构特点，利用小角度纵波探头结合横波探头，在对角焊缝进行扫查时，可以将整个角焊缝截面扫查到，缺陷回波清晰，不受结构回波的影响，减少了侧壁效应的影响，可以完成角焊缝的内部质量检验。
    b.将小角度纵波探头和横波斜探头的标准反射体与探伤灵敏度进行了统一，统一采用1 mm×6mm短横孔作为标准反射体，使标准反射体试块结构紧凑，携带方便。
    c.实践证明，利用小角度纵波探头和横波探头对角焊缝的内部缺陷进行超声波检验的方法具有理论正确、操作简单、易于推广的特点。